CN102749883A

CN102749883A - 数控切割机的控制系统

Info

Publication number: CN102749883A
Application number: CN2011101126770A
Authority: CN
Inventors: 蔡红娟
Original assignee: WUHAN AUTO-PIONEER NUMERICAL CONTROL Technology Co Ltd
Current assignee: WUHAN AUTO-PIONEER NUMERICAL CONTROL Technology Co Ltd
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明属于数控切割机控制技术领域，具体公开了一种数控切割机的控制系统。本发明包括ARM处理器模块、存储器模块、电源模块、人机交互模块、通信接口模块、D/A转换模块、CPLD/FPGA模块和输入输出模块。本发明采用基于ARM处理器和μC/OS-II的嵌入式系统，提高了数控切割机的实时性、稳定性、以及可靠性。

Description

数控切割机的控制系统

技术领域

本发明属于数控切割机控制技术领域，具体涉及一种数控切割机的控制系统。

背景技术

目前数控切割机控制系统主要分成两大类：基于PC机的开放式数控系统和基于单片微机的封闭式数控系统。基于PC机的数控系统，在通用PC机的基础上，采用专用运动控制卡对电机进行运动控制。该运动控制卡中已经实现了运动控制算法，而且还给外界提供了一些应用接口。但是，此类数控系统目前主要存在的不足是：(1)由于PC机的体积限制，此类数控系统不能装入体积严格要求的微型或小型系统内；且需要计算机和运动控制卡的捆绑销售，造成资源浪费和成本的提高；(2)此类数控系统通常采用Windows操作系统，由于其自身的不稳定性，会造成整个控制系统的不稳定；且采用专用的运动控制卡，会造成硬件结构复杂化，从而导致系统的整体可靠性的降低；而Windows属于商业软件，由于版权问题无疑会提高数控系统的成本，且易受商用PC及病毒的侵扰；(3)采用专用运动控制芯片来完成实时采样插补，但是采用专用芯片的系统散热差、系统的算法固定、不易维护、无法进行算法的升级与更新；(4)同时该类系统主要基于Windows操作系统，目前最常用的Windows操作系统是多线程、抢先多任务的32位操作系统，实时性比较差。而实时控制又是数控系统的关键所在，它决定了数控机床的加工速度和加工精度。

基于单片微机的封闭式数控系统，采用微机芯片直接对电机进行运动控制，它没有运动控制卡，由微机芯片直接和电机驱动器、继电器驱动板和机床限位开关连接，完成所有的电机控制任务和输入输出口的读写任务，这种结构的控制系统由软件实现插补运算。这种封闭式的结构使数控系统的开发成本极高，开发周期很长，升级困难，并且此类数控系统由于运算能力差、并行处理能力弱、功能少，已不能满足加工的要求。

目前市场上的这两类数控切割机控制系统均存在着可维护性差、开发周期长、二次升级困难、可靠性差、实时性不够等问题。在科技飞速发展的今天，新技术与新标准不断涌，技术的更新周期大大加快，这两类数控系统的生命周期必会缩短，给用户带来极大的技术风险和损失。

综上，现有数控切割机控制系统主要存在问题如下：

(1)、没有掉电保护功能。

(2)、抗干扰能力差。现有数控切割系统主要用于火焰切割，其干扰源相对较少，所以其抗干扰措施较差。目前市场需求越来越倾向于等离子切割，尤其是大功率的等离子切割时，主要表现出黑屏、断弧、乱跑等现象。

(3)、实时性差。Windows操作系统是多线程、抢先多任务的32位操作系统，实时性比较差；而单片微机的数据处理速度很慢，因此目前的数控切割系统已经不能满足现有市场的实时要求，尤其体现在等离子切割时，挂渣很多、、、、、、。

(4)可靠性差。自动加减速过程中，实际插补输出的位置可能不准确。目前的数控切割系统在处理自动加减速时，主要采用的是后加减速控制，即加减速控制放在插补之后，其原理是：首先调用插补模块，经该模块利用加工程序指令所给定的进给速度对加工轨迹进行相关处理后，得到当前插补周期的合成进给量，然后将合成进给量分配到各轴，最后各轴独立调用加减速控制模块实现加减速控制。由于它对各运动坐标轴分别进行控制，所以在加减速控制以后，实际各坐标轴的合成位置可能不准确。

发明内容

为了解决现有数控切割机的控制系统抗干扰能力差、实时性差、以及可靠性差的问题，本发明的目的在于提供一种基于ARM和μC/OS-II操作平台的数控系统。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种数控切割机的控制系统，包括一系统总线，还包括连接在所述系统总线上的ARM微处理器、存储器、CPLD模块、以及FPGA模块；所述FPGA模块通过数字积分法对数控切割机各轴进行精插补；在所述ARM微处理器中安装有嵌入式实时操作系统μC/OS-II；在所述CPLD模块和FPGA模块的输入输出端上连接有一输入输出模块，所述输入输出模块通过光电隔离后将控制信号传输给外围设备、以及将外围设备的反馈信号通过光电隔离后采集入系统；在所述ARM微处理器中还设置有一加减速控制模块，所述加减速控制模块在给数控切割机各个轴进行插补之前完成加减速控制。

所述数控切割机的控制系统，所述输入输出模块包括低速输出隔离模块、功率放大模块、低速输入隔离模块、单端-差分转换模块、以及差分-单端转换模块；所述低速输出隔离模块的输入端与所述CPLD模块连接，所述低速输出隔离模块的输出端与所述功率放大模块的输入端连接；所述低速输入隔离模块、单端-差分转换模块、以及差分-单端转换模块连接在所述FPGA模块上。

所述数控切割机的控制系统，所述存储器EPROM存储器、SDRAM存储器、NAND-Flash存储器；所述EPROM存储器用于存储系统程序；所述SDRAM存储器用于存储系统运行时的程序和数据；所述NAND-Flash存储器用于存储用户的数控加工数据。

所述数控切割机的控制系统，为了进一步提高本发明的可靠性，本发明采取了断电保护措施，在所述总线上还连接有一SRAM存储器，所述SRAM上还连接有备用电池；在该系统中还设置有一掉电保护电路，所述掉电保护电路监测到系统主电源断电后自动切换所述备用电池给所述SRAM存储器供电。本发明通过SRAM+掉电保护电路方式实现突然突然掉电时保存实时数据的功能。

所述数控切割机的控制系统，为了进一步提高本发明的实时性，在所述FPGA内设置有一级缓存。也就是当FPGA在按照CPU给定的数据发送脉冲的时候，CPU可以向FPGA写入下一次要发送的脉冲的数据，这样，当FPGA发送完本次的数据后可以立即开始发送下一个数据，可以做到绝对的实时。

所述数控切割机的控制系统，为了进一步方便操作与提高实用性，在所述ARM上还连接便于人机交互的键盘、指示灯、液晶显示器、JTAG接口、以及RS-232串行接口。

所述数控切割机的控制系统，为了进一步方便操作与提高实用性，在所述总线上还连接有一USB接口。

本发明，通过嵌入式实时操作系统μC/OS-II保证了任务响应的实时性，在所述FPGA模块通过数字积分法对数控切割机各轴进行精插补保证了运动控制的实时性。

本发明，在所述CPLD模块和FPGA模块的输入输出端上连接有一输入输出模块，所述输入输出模块通过光电隔离后将控制信号传输给外围设备、以及将外围设备的反馈信号通过光电隔离后采集入系统，以抑制各种尖脉冲和各种噪音干扰，从而提供本发明的抗干扰能力。

本发明，在所述ARM微处理器中还设置有一加减速控制模块，所述加减速控制模块在给数控切割机各个轴进行插补之前完成加减速控制。采用前加减速控制，即加减速控制放在插补之前，其原理是：首先调用加减速控制模块，由该模块根据加减速控制曲线及加工程序指令所给定的进给速度对加工轨迹进行加减速控制，得到当前插补周期的合成进给速度，然后调用插补模块根据合成速度进行相关处理，得到当前插补周期的合成进给量，最后把合成进给量分配到各轴。因此，本发明的可靠性更高。

本发明采用基于ARM和μC/OS-II的嵌入式系统大大简化了系统设计，使得系统很好地进行多任务处理，并保证了运动控制的实时性、稳定性和精度要求，提高了集成度和可靠性。同时也具备了良好的开放性与人机界面，便于二次升级，大大缩短了开发周期。嵌入式系统为数控技术提供了一种灵活方便的，能够嵌入在工业系统内部，在工业极端环境里能够长期稳定可靠工作的微小型、廉价的控制系统。

附图说明

此附图说明所提供的图片用来辅助对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的输入输出模块框图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

本发明公开了一种数控切割机的控制系统，整个系统分为如下几大模块：ARM处理器模块、存储器模块、电源模块、人机交互模块、通信接口模块、D/A转换模块、CPLD/FPGA模块和输入输出模块。其中，ARM处理器是系统的控制核心，负责运行数控系统控制软件。存储器模块用于存储程序和数据。本系统的存储器包括EPROM、SDRAM、SRAM和NAND-Flash，其中，EPROM用于存储系统程序；SDRAM用于存储系统运行时的程序与数据；SRAM用于存储突然掉电时的重要实时数据；NAND-Flash用于存储用户的数控加工程序。

具体如图1所示，ARM处理器、EPROM、SDRAM、SRAM、NAND-Flash、CPLD、FPGA、以及USB接口都连接在总线上，键盘及指示灯、液晶显示器、JTAG接口、RS-232串行接口、以及D/A转换模块都连接在ARM微处理器上，CPLD与FPGA之间相互传输配置信号，输入输出模块连接在CPLD与FPGA上，在CPLD上还连接有一EPROM。如图2所示，所述输入输出模块包括低速输出隔离模块、功率放大模块、低速输入隔离模块、单端-差分转换模块、以及差分-单端转换模块，所述低速输出隔离模块的输入端与所述CPLD模块连接，所述低速输出隔离模块的输出端与所述功率放大模块的输入端连接，所述低速输入隔离模块、单端-差分转换模块、以及差分-单端转换模块连接在所述FPGA模块上。

为了实现掉电保护，本发明采用SRAM+掉电保护电路方式实现突然掉电时保存重要实时数据的功能。掉电保护系统由低功耗的CMOS-RAM、供电电路及控制电路组成。供电电路保证系统正常时由电源给SRAM供电，掉电时自动转换到由备用电池给SRAM供电，这里采用微处理器监控器专用芯片实现掉电时的备用电池供电切换；控制电路保证在电源供电时SRAM正常读写，电池供电时SRAM处于保护状态，并防止系统上电/掉电过程中的瞬间干扰信号对RAM芯片的写入而改变RAM中的数据。本方案利用备用电池就将数据存储在SRAM中，既具有RAM的高速写入、写入次数无限制的特点，又能像ROM那样长时间保存数据。

为了提高抗干扰能力，本发明将低速开关量信号，采用光电隔离的方式，即一方面将输出的控制信号通过光电隔离后驱动外围设备，另一方面将外围器件的反馈信号通过光电隔离后采集进来；高速信号，如电机伺服信号，采用差分输入/输出方式。其输入输出模块框图如图2所示。其中，光电耦合器的主要优点是能有效的抑制尖脉冲和各种噪音干扰，从而使过程通道上的信噪比大为提高，既可以在内、外部电路之间进行信号传输，同时能有效的抑制外部的干扰信号进入到内部电路中。而差分信号比单端信号能有效的抵消干扰源产生的影响。

为了提高实时性，本发明采用μC/OS II实时嵌入式操作系统支持多任务管理，采用基于占先式的实时内核，可以把任务的调度时间控制在毫秒级内。μC/OS II实时嵌入式操作系统采用占先式内核进行任务调度，最高优先级的任务一旦准备就绪，总能得到CPU的控制权，从而保证了任务响应的实时性。同时，在FPGA模块中实现精插补，保证运动控制的实时性。精插补采用数字积分法，其易于用硬件逻辑电路实现积分运算，可以在FPGA模块中实现，而不占用CPU资源。在FPGA内部添加一级缓冲，也就是当FPGA在按照CPU给定的数据发送脉冲的时候，CPU可以向FPGA写入下一次要发送的脉冲的数据，这样，当FPGA发送完本次的数据后可以立即开始发送下一个数据，可以做到绝对的实时。

为了进一步提高可靠性，本发明采用前加减速控制，即加减速控制放在插补之前，其原理是：首先调用加减速控制模块，由该模块根据加减速控制曲线及加工程序指令所给定的进给速度对加工轨迹进行加减速控制，得到当前插补周期的合成进给速度，然后调用插补模块根据合成速度进行相关处理，得到当前插补周期的合成进给量，最后把合成进给量分配到各轴。前加减速控制的优点是：由于仅对合成进给速度进行控制，因此，它不会影响实际插补输出的位置精度。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种数控切割机的控制系统，包括一系统总线，其特征在于：

还包括连接在所述系统总线上的ARM微处理器、存储器、CPLD模块、以及FPGA模块；

所述FPGA模块通过数字积分法对数控切割机各轴进行精插补；

在所述ARM微处理器中安装有嵌入式实时操作系统μC/OS-II；

在所述CPLD模块和FPGA模块的输入输出端上连接有一输入输出模块，所述输入输出模块通过光电隔离后将控制信号传输给外围设备、以及将外围设备的反馈信号通过光电隔离后采集入系统；

在所述ARM微处理器中还设置有一加减速控制模块，所述加减速控制模块在给数控切割机各个轴进行插补之前完成加减速控制。

2.根据权利要求1所述的数控切割机的控制系统，其特征在于：

所述输入输出模块包括低速输出隔离模块、功率放大模块、低速输入隔离模块、单端-差分转换模块、以及差分-单端转换模块；

所述低速输出隔离模块的输入端与所述CPLD模块连接，所述低速输出隔离模块的输出端与所述功率放大模块的输入端连接；

所述低速输入隔离模块、单端-差分转换模块、以及差分-单端转换模块连接在所述FPGA模块上。

3.根据权利要求1所述的数控切割机的控制系统，其特征在于：

所述存储器EPROM存储器、SDRAM存储器、NAND-Flash存储器；

所述EPROM存储器用于存储系统程序；

所述SDRAM存储器用于存储系统运行时的程序和数据；

所述NAND-Flash存储器用于存储用户的数控加工数据。

4.根据权利要求1所述的数控切割机的控制系统，其特征在于：

在所述总线上还连接有一SRAM存储器，所述SRAM上还连接有备用电池；

在该系统中还设置有一掉电保护电路，所述掉电保护电路监测到系统主

电源掉电后自动切换所述备用电池给所述SRAM存储器供电。

5.根据权利要求1所述的数控切割机的控制系统，其特征在于：

在所述FPGA内设置有一级缓存。

6.根据权利要求1所述的数控切割机的控制系统，其特征在于：

在所述ARM上还连接便于人机交互的键盘、指示灯、液晶显示器、JTAG接口、以及RS-232串行接口。

7.根据权利要求1所述的数控切割机的控制系统，其特征在于：

在所述总线上还连接有一USB接口。