数控系统运动控制器设计论文

数控系统的运动控制器设计

摘要：介绍了一种基于s3c44b0微处理器与pcl6045b控制芯片的运动控制器设计，并详细分析了实时插补方法和升降速的控制，满足了数控系统关于运动控制的要求。并通过在实验台的运行试验，证明了该控制器设计的有效性。

关键词：pcl6045b 运动控制时间分割法插补升降速控制

0 引言

现代数控系统以其高精度、高效率、高可靠性的优点，在制造业中得到了日益广泛的应用。现代加工对数控系统提出了很高的要求：一方面要能够实现各种加工情况下的准确定位，另一方面，又要能实时控制刀具运动轨迹和速度，保证切削过程的平稳和加工精度。这些都取决于数控系统的对机床运动的控制能力。本文讨论的是一种基于嵌入式微处理器和运动控制芯片构成的运动控制器设计方案。利用单片机对运动控制芯片进行控制，作为运动控制器的核心，实现高效的对伺服电机运动的控制。

1 硬件设计

运动控制器由单片机、键盘输入模块、i/o通信模块、液晶显示模块、运动控制模块和交流伺服电机驱动器构成。

单片机选择三星arm7内核的s3c44b0微处理器。单片机作为主要的控制单元分析操作指令，对外围接口发出控制信号、读写数据并与外部设备进行通信。并与运动控制芯片pcl6045b通过总线相连，发送控制指令实现不同的运动控制。

键盘模块构成系统的输入模块。并对键盘中各个按键进行功能定义，通过对键盘接口的读入就可以完成系统所需原始数据的输入及对执行机构的运行进行控制。

显示模块部分采用图形液晶显示模块mgls240128，实现对插补运算过程中运动轨迹和刀具位置等信息的实时数据显示。

运动控制模块采用日本npm公司生产的可编程4轴驱动运动控制芯片pcl6045b及其接口芯片构成。通过总线接收s3c44b0的控制指令和数据进行运算并以脉冲序列形式输出给伺服驱动器，用于实现对伺服电机的插补控制、速度控制等功能。pcl6045b最多可控制4轴的运动，包括2~4轴线形插补以及任意两轴的圆弧插补。

2 系统软件设计

2.1 插补运算影响数控系统运动控制能力的因素很多，在硬件系统和执行部件确定的情况下，插补的算法是主要因素。在实际加工中，对于一些较复杂的工件轮廓形状，主要是应用小段的直线或圆弧进行拟合的方法去逼近曲线，这种拟合方法就是“插补”。插补精度和插补速度就直接决定了数控系统的运动精度和控制速度。目前常用的两类插补算法是脉冲增量法和数字增量法。系统采用的pcl6045b具有独立完成插补运算的功能，整个过程由硬件控制，不需要软件干预。pcl6045b内部给每个轴都对应了几十个寄存器，用于设置各轴的工作状态、预设的运动指令参数、工作环境设定参数、计数器数、状态查询返回值等。通过对pcl6045b内部对应寄存器的初始化设置可以在4个轴中任意实现任意2~4轴之间的插补操

作。同时可以对相应的寄存器进行实时读取各轴的工作状态以及实现对运动的实时监控。

下面是xy平面内半径为1000个单位、90°顺时针圆弧插补流程：部分程序源代码：

p645_wreg (axs_ax，wprmd，0x08000064 ); / * x轴：顺时针圆弧插补*/

p645_wreg (axs_ay，wprmd，0x08000064 ); / * y轴：顺时针圆弧插补*/

p645_vset (axs_ax，1l，10000l，300，0，4999，4999，‘s’，0); / *插补控制轴（x轴）s曲线升降速* /

/ *1~10kpps 300ms* /

/ *运动范围 =（10000—1）/2 =4999* /

p645_wreg (axs_ax，wprmv，0x000003e8 );/ * 输入x和y轴的结束点坐标* /

p645_wreg (axs_ay，wprmv，0x000003e8 );/ * （1000，1000）* /

p645_wreg (axs_ax，wprip，0x000003e8 );/ * 输入x和y轴的中心坐标* /

/ * （1000，0）* /

p645_wreg (axs_ay，wprip，0x00000000 );

p645_wreg (axs_ax，wprip，0x00000b0c );/ * 输入圆弧插补步数（2828）* /

p645_wcom (axs_ax，（staud | sel_x | sel_y）);/ * 写入高速启动指令2* /

p645_wait (axs_ax ); / * 等待电机停止* /

2.2 进给速度和加减速控制在实际插补过程中，运动速度经常需要根据加工要求随时可能进行调整，启动、匀速、停止这些阶段，当运动速度超过一定值时，还需要考虑防止由于速度激变产生冲击、失步或者超程、振荡等问题，从而影响到加工的精度和质量。因此有必要在插补前或插补后加入对运动速度的升降速控制。使得数控机床的运动速度能够做到平稳调速而避免剧烈变化。常见的升降速控制有两种，可以把加减速控制放在插补之前或者插补之后进行的，一般情况采用的是s曲线的前加减速控制。它的优点是：不影响实际插补输出的位置精度，相对于后加速控制位置精度要高；缺点是需根据实际刀具位置和程序段终点之间的距离来确定减速点，计算工作量大。这点对于现在的计算机来说，已经不是很重要了。

3 结束语

pcl6045b是一款功能强大的运动控制芯片，本系统运动控制模块该芯片完成伺服电机的多轴协调控制，支持多种插补模式。并与上位机通过总线相连，直接接受指令发出控制脉冲。具有很好的实用性和通用性。经过实验台的一段时间的运行，取得了较好的控制效果，满足了数控系统实时性和精度的要求。

参考文献：

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