摘 要： 采用PSoC可編程片上系統(tǒng)設(shè)計了一個數(shù)控運(yùn)動控制器，由于PSoC具有靈活的可自由配置的模擬、數(shù)字資源和輸入輸出接口以及對多種通信接口的支持，該運(yùn)動控制器具有良好的可擴(kuò)展性和可移植性。介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、控制器的硬件模塊設(shè)計以及直線、圓弧、Nurbs曲線插補(bǔ)方式和速度控制方案的軟件實(shí)現(xiàn)，使用該控制器控制一臺三軸雕刻機(jī)進(jìn)行雕刻，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的性能。
關(guān)鍵詞： PSoC；數(shù)控系統(tǒng)；插補(bǔ)；運(yùn)動控制器

目前廣泛使用的數(shù)控運(yùn)動控制器的功能和性能已趨于完善，例如固高控制器、PMAC控制器等。但這些控制器大多還是屬于封閉式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)難以進(jìn)行擴(kuò)展和移植。同時，用戶也不能根據(jù)實(shí)際需求自由地配置輸入輸出接口或改變系統(tǒng)內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的通信方式也比較單一，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化[1-2]。
Cypress公司的PSoC(Programmable System on Chip)可編程片上系統(tǒng)將32 bit微控制器、可編程模擬資源、可編程數(shù)字陣列集成在一個芯片上，可以自由配置模擬、數(shù)字、通信等功能，并且可以在線編程。模擬資源和數(shù)字陣列可以通過PSoC Creator編程軟件進(jìn)行方便的增減和修改，有70個可自由配置的I/O口，可方便地配置為多種類型的模擬/數(shù)字輸入或輸出接口，用來對數(shù)據(jù)和信號進(jìn)行實(shí)時采集和控制，是一個開放式的結(jié)構(gòu)，具有良好的并行性和可擴(kuò)展性。另外還支持包括USB、I2C、SPI、等多種通信接口，具有完善的可移植性[3]。鑒于數(shù)控運(yùn)動控制器的發(fā)展現(xiàn)狀以及PSoC芯片的諸多優(yōu)勢，本文將以PSoC芯片CY8C5588(一款第五代PSoC芯片)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一套數(shù)控運(yùn)動控制器，用來控制三軸雕刻機(jī)的工作。
1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
以目前已經(jīng)完成的三軸聯(lián)動的雕刻機(jī)控制器為例，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括計算機(jī)、以PSoC為核心的控制器、驅(qū)動電路和雕刻機(jī)。
上位機(jī)程序采用C#語言編寫，采用網(wǎng)絡(luò)編程的套接字技術(shù)，作用是供用戶輸入或從文件導(dǎo)入指令，并將其傳輸給PSoC進(jìn)行解析和計算，控制雕刻機(jī)按照所預(yù)想的方式運(yùn)行。PSoC控制器主要實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的通信、指令的解析插補(bǔ)、電機(jī)的運(yùn)動控制。驅(qū)動電路對PSoC輸出的信號進(jìn)行反相和放大，信號輸出給雕刻機(jī)的電控箱，控制雕刻機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
在可編程片上系統(tǒng)PSoC中所使用的端口和元件示意圖如圖2所示，共采用了4個PWM模塊，3個Counter(計數(shù)器)，一個SPI，一個UART以及若干輸入輸出接口。 SPI模塊和UART模塊用來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。PWM_0、PWM_1、PWM_2和PWM_3分別用作主軸和三個運(yùn)動軸輸出脈沖發(fā)生器，用來控制主軸的轉(zhuǎn)速和三個運(yùn)動軸的運(yùn)動速度。Counter_1、Counter_2和Counter_3則分別對三個運(yùn)動軸的輸出脈沖進(jìn)行計數(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動軸位移的控制。數(shù)字輸出端口輸出三個軸的使能、方向信號和整個系統(tǒng)的急停信號。輸出電平的高低通過軟件編程控制。在這些信號控制三個運(yùn)動軸工作的同時，系統(tǒng)可以進(jìn)行計算、插補(bǔ)、狀態(tài)查詢、指令傳輸?shù)热魏纹渌墓ぷ?，整個系統(tǒng)具有良好的并行性。另外，這些信號可以根據(jù)需要隨時進(jìn)行修改，使得運(yùn)動軸改變運(yùn)動速度或方向，系統(tǒng)具有良好的實(shí)時性。
同時，PSoC芯片支持DMA（直接內(nèi)存訪問）技術(shù)，由DMA控制器完成。DMA是一種存儲器之間以及存儲器與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。在DMA中，由硬件設(shè)備接管了總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，節(jié)省了主程序調(diào)用API函數(shù)所占用的CPU時間，提高了系統(tǒng)的并行性，可以縮短插補(bǔ)周期，大大改善了控制器的性能。雕刻機(jī)運(yùn)動軸的運(yùn)動軌跡控制通過軟件控制以上各個硬件部分協(xié)作完成，可以實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及Nurbs插補(bǔ)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 插補(bǔ)方案
3.1.1 直線插補(bǔ)
對于一條直線，首先將其在X、Y、Z三個軸上進(jìn)行投影，根據(jù)要求的進(jìn)給速度和進(jìn)給量分別設(shè)置三個軸的PWM元件參數(shù)和對應(yīng)的計數(shù)器，并對三個軸的使能信號和方向信號進(jìn)行配置。在插補(bǔ)過程中，速度的實(shí)時改變也是通過軟件修改PWM元件參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
3.1.2 圓弧插補(bǔ)
圓弧插補(bǔ)的基本思想是在滿足運(yùn)動精度的前提下，用微直線段代替圓弧線進(jìn)行進(jìn)給，即使用直線來逼近圓弧。本文采用的圓弧插補(bǔ)算法為改進(jìn)的二階近似DDA插補(bǔ)算法，使用圓的內(nèi)接弦來逼近圓弧。算法如下（以第一象限為標(biāo)準(zhǔn)）[4]：



3.2 速度控制方案
對于一個實(shí)際的電機(jī)，啟停時的速度變化需要有加速和減速的過程，在雕刻機(jī)的運(yùn)行中，進(jìn)給方向改變時同樣需要一個減速再加速的過程，以緩解對電機(jī)的沖擊力，延長雕刻機(jī)的使用壽命。加減速的主要方式有梯形加減速和S型加減速兩種，如圖4所示。

在梯形加減速中，速度的變化是均勻的；在S型加減速中，加速度也是變化的，從0逐漸變大再減小為0。S型加減速對系統(tǒng)具有更小的沖擊性，但是運(yùn)算的復(fù)雜度更高，時間開銷更大。本文采用了自適應(yīng)的速度控制方案，對于運(yùn)動軌跡上拐角比較大且插補(bǔ)速度比較高的點(diǎn)使用S型加減速，對于比較平緩的插補(bǔ)和軌跡交接則使用梯形加減速。另外，系統(tǒng)還引入速度前瞻控制方案，在插補(bǔ)一段軌跡時，根據(jù)下一段軌跡的長度和方向來決定進(jìn)給速度的趨勢。綜合兩段軌跡的長短和夾角，確定減速方案（減速點(diǎn)、加速度和末速度）。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及系統(tǒng)性能分析
4.1 雕刻結(jié)果展示
本文使用了一臺功率為300 W、型號為TS-2518b的三軸電動雕刻機(jī)，圖5左是直線加圓弧插補(bǔ)雕刻結(jié)果。這是一組5條直線加四段圓?。ㄒ粋€象限是一段，四段是一個完整的圓?。┑暮唵螆D案，直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和速度控制方案均使用了前文提到的方式。Nurbs曲線插補(bǔ)雕刻結(jié)果如圖5右，這是一條完整的有10個控制頂點(diǎn)的二次Nurbs曲線。