基于ARM的运动控制器研究
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摘要
基于SERCOS现场总线的开放式数控系统是当今数控技术发展的重要方向之一。根据我国数控技术现有的发展水平，研究基于SERCOS现场总线的运动控制器，具有重要的现实意义。
通过对开放式数控系统和运动控制器的深入研究，选择ARM、CPLD以及SERCOS总线接口为核心来构建其硬件平台，运用嵌入式实时操作系统VxWorks作为软件设计平台进行任务调度，并采用前馈-PD控制算法进行位置反馈控制，实现高速高精的实时运动控制目的，通过实验验证，取得了很好的效果。针对运动控制器的关键技术和主要问题，本文在以下几个方面进行了详细的研究和探讨：
在分析了现有数控技术和运动控制技术的发展现状和发展趋势之后，根据SERCOS现场总线结构特点，按照运动控制器的性能要求，提出了基于ARM的运动控制器总体方案设计。
设计了两轴运动控制器，实现了电机控制接口和常用模拟数字信号接口。该运动控制器以高性能低价位的32位微处理器S3C44BOX作为主运动控制芯片，以CPLD芯片EPM7128作为协处理器，辅助主控制器进行运动控制，使用SERCON816作为SERCOS总线接口，与上位机进行数据交换。同时运动控制器中采用了大量最新的集成电路芯片，从而使电路大大简化，并提高了系统可靠性。
软件设计采用模块化设计思想，并使用VxWorks作为嵌入式实时操作系统进行任务调度，极大的提高了系统的实时性、稳定性和抗干扰能力。
系统采用离线插补实时控制的方式对数控机床进行控制。上位机先对运动轨迹进行粗插补运算并将数据放于插补数据存储区，当要进行加工控制时，系统再将粗插补数据在SERCOS同步周期的控制下发送给运动控制器，由运动控制器来完成精插补。运动控制器采用前馈-PD位置控制算法对粗插补数据进行处理，并在实际应用中调节位置控制参数，实现了稳定可靠的高速高精位置控制目的。
通过系统集成实验证明本运动控制器的性能能够满足设计要求，并通过调节位置控制算法参数，使系统的性能进一步提高。实验结果表明，本运动控制器是一个高性能低价位的开放式运动控制器。
Open numerical control (ONC)system based on SERCOS fieldbus is one of the most important development trend of the numerical control technique.Basis the development of NC technology in our country, researching the motion Controller based on the SERCOS Fieldbus has important practical significance.
Through the depth research of the ONC and motion controller, choosing ARM、CPLD and SERCOS Fieldbus interface as the core to create a controller hardware platform,using VxWorks RTOS as a software design platform for task scheduling.Using feedforward-PD( Proportional Differential) control algorithm as its position feedback control ,the system achieves high speed and high precision real-time motion control, and experiments show that achieved good results.The paper researches and discusses on follow aspects,considering with the key techniques and main problems in the motion controller:
After the analysis of the development status and trends of the CNC technology and the motion control technology, According to SERCOS Fieldbus structure, in accordance with the performance requirements of Motion Controller, the overall program design of ARM-based controller is brought up.
A two-axis motion controller is Designed, which realizes motor control interfaces and common simulation and digital signal interfaces.The motion controller uses a 32-bit high performance and low price as the microprocessor S3C44B0X as the control chip , and used CPLD chip EPM7128 as the coprocessor to support the chief controller for the motion control, and use the SERCON816 as the SERCOS Fieldbus interface to exchange the data with PC. The motion controller uses a lot of the latest IC chip , thereby greatly simplified the circuit and increased the system's reliability and performance.
Software is designed with the idea of modular, and uses VxWorks embedded real-time operating system for the task scheduling, which greatly improves the system's real-time performance, stability and anti-jamming capability.
The CNC machine is controlled by the method of Off-line interpolation real-time control. PC deals the trajectory with rough interpolation and brings the data into the storage area. When need control for the processing, the system will send rough interpolation data to the motion controller by the control of SERCOS synchronous cycle strictly, and interpolator is completed by the motion controller. Motion Controller deals with the rough interpolation data by the feedforward -PD algorithm position control, and adjusts the position control parameters in the practical application. The purpose of stable and reliable high-speed and high-precision position control is achieved.
The performance of Motion Controller is satisfied for the design through the integration experiment, and the capability is enhanced by adjusting the position control parameters. The experimental results show that the controller is a high-performance low-price open motion controller.
通过对开放式数控系统和运动控制器的深入研究，选择ARM、CPLD以及SERCOS总线接口为核心来构建其硬件平台，运用嵌入式实时操作系统VxWorks作为软件设计平台进行任务调度，并采用前馈-PD控制算法进行位置反馈控制，实现高速高精的实时运动控制目的，通过实验验证，取得了很好的效果。针对运动控制器的关键技术和主要问题，本文在以下几个方面进行了详细的研究和探讨：
在分析了现有数控技术和运动控制技术的发展现状和发展趋势之后，根据SERCOS现场总线结构特点，按照运动控制器的性能要求，提出了基于ARM的运动控制器总体方案设计。
设计了两轴运动控制器，实现了电机控制接口和常用模拟数字信号接口。该运动控制器以高性能低价位的32位微处理器S3C44BOX作为主运动控制芯片，以CPLD芯片EPM7128作为协处理器，辅助主控制器进行运动控制，使用SERCON816作为SERCOS总线接口，与上位机进行数据交换。同时运动控制器中采用了大量最新的集成电路芯片，从而使电路大大简化，并提高了系统可靠性。
软件设计采用模块化设计思想，并使用VxWorks作为嵌入式实时操作系统进行任务调度，极大的提高了系统的实时性、稳定性和抗干扰能力。
系统采用离线插补实时控制的方式对数控机床进行控制。上位机先对运动轨迹进行粗插补运算并将数据放于插补数据存储区，当要进行加工控制时，系统再将粗插补数据在SERCOS同步周期的控制下发送给运动控制器，由运动控制器来完成精插补。运动控制器采用前馈-PD位置控制算法对粗插补数据进行处理，并在实际应用中调节位置控制参数，实现了稳定可靠的高速高精位置控制目的。
通过系统集成实验证明本运动控制器的性能能够满足设计要求，并通过调节位置控制算法参数，使系统的性能进一步提高。实验结果表明，本运动控制器是一个高性能低价位的开放式运动控制器。
Open numerical control (ONC)system based on SERCOS fieldbus is one of the most important development trend of the numerical control technique.Basis the development of NC technology in our country, researching the motion Controller based on the SERCOS Fieldbus has important practical significance.
Through the depth research of the ONC and motion controller, choosing ARM、CPLD and SERCOS Fieldbus interface as the core to create a controller hardware platform,using VxWorks RTOS as a software design platform for task scheduling.Using feedforward-PD( Proportional Differential) control algorithm as its position feedback control ,the system achieves high speed and high precision real-time motion control, and experiments show that achieved good results.The paper researches and discusses on follow aspects,considering with the key techniques and main problems in the motion controller:
After the analysis of the development status and trends of the CNC technology and the motion control technology, According to SERCOS Fieldbus structure, in accordance with the performance requirements of Motion Controller, the overall program design of ARM-based controller is brought up.
A two-axis motion controller is Designed, which realizes motor control interfaces and common simulation and digital signal interfaces.The motion controller uses a 32-bit high performance and low price as the microprocessor S3C44B0X as the control chip , and used CPLD chip EPM7128 as the coprocessor to support the chief controller for the motion control, and use the SERCON816 as the SERCOS Fieldbus interface to exchange the data with PC. The motion controller uses a lot of the latest IC chip , thereby greatly simplified the circuit and increased the system's reliability and performance.
Software is designed with the idea of modular, and uses VxWorks embedded real-time operating system for the task scheduling, which greatly improves the system's real-time performance, stability and anti-jamming capability.
The CNC machine is controlled by the method of Off-line interpolation real-time control. PC deals the trajectory with rough interpolation and brings the data into the storage area. When need control for the processing, the system will send rough interpolation data to the motion controller by the control of SERCOS synchronous cycle strictly, and interpolator is completed by the motion controller. Motion Controller deals with the rough interpolation data by the feedforward -PD algorithm position control, and adjusts the position control parameters in the practical application. The purpose of stable and reliable high-speed and high-precision position control is achieved.
The performance of Motion Controller is satisfied for the design through the integration experiment, and the capability is enhanced by adjusting the position control parameters. The experimental results show that the controller is a high-performance low-price open motion controller.
引文
[1] 李恩林．数控技术原理及应用．北京：国防工业出版社，2006，1-3
[2] 吕红霞．数控技术的发展趋势与途径．机械制造与自动化，2005，1：8-10
[3] 汪木兰，王令其．开放式数控系统实用平台的构造，机床与液压．2003,5：120-122
[4] 戴晓华，王文，王威等．开放式数控系统研究综述．组合机床与自动化加工技术，2000，11：5-7
[5] 宋钢．基于DSP和CPLD的运动控制器的设计与研究：[硕士学位论文]．成都：电子科技大学，2004
[6] 王爱玲，张吉堂，吴雁．现代数控原理及控制系统．北京：国防工业出版社，2002，68-73，216-230
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[12] 刘洪泳．四轴伺服运动控制卡的研制：[硕士学位论文]．南京：南京航空航天大学，2004
[13] 杨恒．ARM嵌入式系统设计及实践．西安：西安电子科技大学出版社，2005，1-3
[14] 陈赜，刘振兴，李宗福，刘朴辉．ARM嵌入式技术实践教程．北京：北京航空航天大学出版社，2005：9-11
[15] 于敦山，盛世敏．ARM SOC体系结构．北京：北京航空航天大学出版社，2002，210-217
[16] 黄安成．基于ARM和CPLD的电脑绣花机控制器的设计：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2006
[17] 周立功．ARM嵌入式系统试验教程(一)．北京：北京航空航天大学出版社，2004：5-30
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