基于Cortex-M4的弯管机控制器探究

2015-07-23秦怀宇田讨论

电子测试 2015年2期

秦怀宇,田讨论

(江苏科技大学电气与信息工程学院,张家港,215600)

0 绪论

将管材毛坯按照应用要求，利用机械，将其加工成具有一定的曲率半径、一定的弯曲角度和一定的空间形状的塑性加工技术就是管材的弯曲成形技术。利用管材毛坯弯制成形的弯曲零件，在应用在具有很多优点，例如重量轻，介质流通量大，吸震力强等。因此，管形弯曲零件得到越来越广泛的应用。

现代数控弯管机多选用PLC作为控制核心，PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，编程简单方便等优点，但同时也具有成本相对较高，使用率低等缺点，造成了一定程度上的资源浪费。而Cortex-M4结合了32位控制技术与数字信号处理技术的优点，用于需要实时控制和高效数字信号处理的场合。Cortex-M4处理器内建了浮点运算单(FPU),能够满足低阶DSP的应用需求。是需要DSP功能的产品制造商的一个易导入、易开发的选择。Cortex-M4处理器采用一个扩展的单时钟周期乘法累加 (MAC) 单元、优化的单指令多数据（SIMD）指令、饱和运算指令和一个可选的单精度浮点单元 (FPU)。ARM Cortex-M 系列处理器的主要特征如表1所示：

1 设计概述

本文以ST公司的STM32F407处理器，设计采用有芯绕弯工艺的弯管机控制器。其工作原理如图1所示。

弯管机机床共有三个主要的运动轴。Y轴运动轴：带动管材毛坯沿空间坐标系Y轴直线运动，待管材毛坯到达指定位置后停下；B轴运动轴：运动轴上的夹头夹住管材毛坯，带动管材毛坯绕空间坐标系Y轴进行空间旋转运动；C轴运动轴：带动弯管机的弯曲模绕空间坐标系Z轴旋转。结合弯管机控制器的实际需要，并考虑实验条件、实验成本等因素，本设计不涉及弯管机的机械部分，即对弯管机机床的钳口、导向模、随动模、防皱模、芯棒、夹头、尾座的控制，只对弯管机的运动执行部件，直流伺服电机进行控制。微控制器控制直流伺服电机的运动过程为：

表1 Cortex-M处理器主要特征

(1) C轴电机带动弯曲模转过一既定角度；

(2) Y轴电机带动工作台和管材毛坯运动到下一弯管位置；

(3) B轴电机带动管材毛坯转过一既定角度；

(4) C轴电机复位。转动步骤一。

由于C轴电机和B轴电机的控制方式完全相同，这里只对C轴电机和Y轴电机进行控制。本设计采用日本多摩川精机株式会社生产的TS3738N4E11直流伺服电机作为执行机构。图2为直流伺服电机工作原理图。

图2 直流伺服电机工作原理图

由该电机原理图可知，直流他励电机的电枢绕组通过电刷连接到直流电源上。绕组的转轴可以连接负载。电流由电刷A流入线圈绕组，经电刷B流回电源负极，形成电流回路。根据安培左手定律，ab段线圈受到指向左的电磁力，dc端线圈则受到指向右的电磁力，这样，转子就会有一个逆时针方向的扭矩。当ab段转动到下面，dc段转动到上面，由于电刷的作用，电流方向发生改变。这样下去，线圈受到的扭矩不变，转子就会在电源的作用下，一直不停地旋转下去。

直流伺服电机的速度位置反馈装置通常为编码器。多摩川TS3738N4E11型直流伺服电机采用1000线增量型光电编码器。其工作原理图如图3所示：

光电编码器通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的输出。光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3-2所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速和转过角度。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号，A相和B相脉冲信号。

微控制器STM32F407是弯管机控制器的核心单元，完成从USB转串口模块读取由上位机发出的指令并执行相应动作，接收伺服电机的编码器发出的位置信号，通过H桥驱动模块驱动直流伺服电机的功能。串口使用简单，通信可靠，几乎所有微控制器都集成串口。STM32F407串口资源丰富，有多达4个USART和2个UART可供用户使用。L298N模块和直流伺服电机构成系统的执行部分，完成上位机发出指令的执行。电机制动电路在直流伺服电机停转后将电枢两端短接，使电机能够及时停止转动。上位机软件由C++ Builder可视化集成开发工具实现，为用户提供了友好的人机交互体验。其系统框图如图4所示：