MODULE CONTROLEUR DE COMMANDE NUMERIQUE UNIVERSEL A HAUTE INTEGRATION UNIVERSAL DIGITAL CONTROL CONTROLLER MODULE WITH HIGH INTEGRATION
L'invention concerne un module de commande d'axe 5numérique pour moteurs pas-à-pas ou servo destinés à piloter de petites machines-outils ou robots d'usinage. Les fraiseuses et tours numériques pour des applications de hobby ou de petite et moyenne industrie se sont largement démocratisés au cours de ces dernières 10années, avec l'arrivée massive sur le marché de mécaniques légères offrant une précision suffisante à des prix attractifs. Nécessitant un contrôle précis de la position de leurs axes de mouvement, ces machines sont presque 15toutes équipées de moteurs pas-à-pas ou de servomoteurs, chacun de ces moteurs étant piloté de façon autonome par une unité de puissance dont le type et les performances peuvent être assez variables, mais dont le dénominateur commun est le mode d'asservissement en amont, chargé de 20calculer la logique du mouvement de chaque axe. A de rares exceptions près, le contrôle d'une unité de puissance pour moteur pas-à-pas se fait à l'aide d'un signal "Impulsion" (ou "Pulse" ou "Clock") indiquant que l'axe du moteur doit pivoter d'un incrément angulaire, 25et d'un signal "Direction" indiquant le sens de rotation dans lequel cet incrément doit s'appliquer. Les unités de puissance pour servomoteurs utilisent de plus en plus cette même paire de signaux "Impulsion" et "Direction" qui est devenue un standard de fait. 30 Ces unités de puissance fournissent le courant électrique aux bobines du moteur et déterminent la valeur angulaire de l'incrément, c'est-à-dire de combien le moteur doit tourner à chaque signal "Impulsion" en entrée en tenant bien évidemment compte du signal "Direction", les unités servo ajoutant une boucle interne de contrôle, généralement à l'aide d'encodeurs numériques de position. The invention relates to a digital axis control module 5 for step-by-step or servo motors for driving small machine tools or machining robots. Milling machines and digital lathes for hobby or small and medium industry applications have become widely democratized over the last 10 years, with the massive arrival on the market of light machinery offering sufficient precision at attractive prices. Requiring precise control of the position of their axes of movement, these machines are almost all equipped with stepper motors or servomotors, each of these motors being controlled autonomously by a power unit whose type and performance can be quite variable, but whose common denominator is the servo mode upstream, responsible for calculating the logic of the movement of each axis. With rare exceptions, the control of a power unit for a stepper motor is done with the aid of a signal "Pulse" (or "Pulse" or "Clock") indicating that the axis of the The motor shall pivot an angular increment, and a "Direction" signal indicating the direction of rotation in which this increment shall be applied. Power units for servomotors are increasingly using this same pair of signals "Pulse" and "Direction" which has become a de facto standard. These power units supply electric current to the motor coils and determine the angular value of the increment, that is to say by how much the motor must turn at each input "Pulse" signal, taking into account, of course, the "Direction" signal, servo units adding an internal control loop, usually using digital position encoders.
Les unités de puissance ne sont pas l'objet de la présente invention. Les signaux "Impulsion" et "Direction" sont de type TTL (Transistor-Transistor Logic) commutant de façon binaire entre 0 Volt et 5 Volt. Pour faire tourner un 10moteur, il est donc nécessaire de fournir à son unité de puissance un signal "Impulsion" oscillant entre ces deux états logiques, la fréquence de cette oscillation déterminant la vitesse de rotation. Ainsi, un classique moteur pas-à-pas opérant une 15rotation de 0,9° à chaque oscillation du signal "Impulsion" tournera à une vitesse de 10 tours/seconde si son unité de puissance reçoit ce signal à une fréquence de 4000 Hertz. Par conséquent, l'asservissement en position des axes 20d'une machine à commande numérique revient à envoyer à l'unité de puissance de chaque moteur les signaux "Impulsion" et "Direction", en suivant une séquence précise correspondant à la dynamique du mouvement. Un mouvement simultané de plusieurs axes revient à fournir 25à chaque unité la fréquence correcte pour que tous les axes arrivent à la position cible de façon synchrone. Deux méthodes existent pour calculer et produire ces signaux sous les ordres du logiciel applicatif chargé de superviser le processus la première consiste à 30intégrer, dans une carte électronique, un microcontrôleur doté d'un logiciel embarqué qui reçoit les ordres de mouvement par le biais d'un port de communication, calcule les fréquences correspondantes des signaux "Impulsion" pour chaque moteur d'axe, ainsi que les états logiques des signaux "Direction", et génère ces signaux à destination des unités de puissance ; la seconde consiste à localiser ce calcul 5dans l'ordinateur qui exécute le logiciel applicatif et utiliser le port de communication parallèle LPT (Line PrinTer, norme Centronics), seul capable de faire transiter trois ou quatre paires de signaux TTL pour autant d'axes à piloter. 10 La grande puissance de calcul des micro-ordinateurs inciterait à opter pour la seconde solution, et un certain nombre de logiciels applicatifs plus ou moins populaires proposent à ce titre le contrôle de machines-outils à commande numérique de cette façon, c'est-à-dire 15via un port de communication parallèle LPT. Malheureusement, deux inconvénients majeurs rendent ce mode de travail problématique, voire condamné à moyen terme : tout d'abord, les ports de communication parallèle LPT ont été exclus des standards de 20fabrication des micro-ordinateurs depuis déjà plusieurs années et tendent à disparaître peu à peu ; ensuite, les micro-ordinateurs concernés ne peuvent être que de type "PC" (seuls dotés à l'origine d'un tel type de port) et les systèmes d'exploitation multitâche inhérents à ces 25ordinateurs sont de type bureautique, interdisant de fait les processus temps-réels sauf à très basse fréquence, ce qui limite beaucoup les performances. Les anciens systèmes d'exploitation monotâche permettaient d'adresser un port parallèle LPT avec une 30fréquence suffisante pour une application de pilotage de moteurs et, par conséquent, des solutions logicielles intéressantes ont existé dans ce domaine, ce qui popularisé l'utilisation de ce type de port. Power units are not the subject of the present invention. The "Pulse" and "Direction" signals are of the TTL (Transistor-Transistor Logic) type, switching binary between 0 Volt and 5 Volt. In order to turn a motor, it is therefore necessary to provide its power unit with an "impulse" signal oscillating between these two logic states, the frequency of this oscillation determining the rotational speed. Thus, a conventional stepping motor operating at a rotation of 0.9 ° at each oscillation of the "pulse" signal will rotate at a speed of 10 revolutions / second if its power unit receives this signal at a frequency of 4000 Hertz. Consequently, the position control of the axes 20 of a numerically controlled machine amounts to sending to the power unit of each motor the signals "Pulse" and "Direction", following a precise sequence corresponding to the dynamics of the movement. . Simultaneous movement of several axes amounts to providing each unit with the correct frequency for all axes to arrive at the target position synchronously. Two methods exist for calculating and producing these signals under the orders of the application software responsible for supervising the process. The first is to integrate, in an electronic card, a microcontroller equipped with an on-board software that receives motion commands through a communication port, calculates the corresponding frequencies of the "Pulse" signals for each axis motor, as well as the logic states of the "Direction" signals, and generates these signals for the power units; the second consists of locating this calculation in the computer running the application software and using the LPT parallel communication port (Line PrinTer, Centronics standard), the only one capable of passing three or four pairs of TTL signals for as many axes as possible. fly. The high computing power of microcomputers would encourage the second solution, and a number of more or less popular application software offers the control of numerically controlled machine tools in this way. ie 15via a LPT parallel communication port. Unfortunately, two major drawbacks make this mode of work problematic, even condemned in the medium term: first of all, LPT parallel communication ports have been excluded from the standards of microcomputer manufacturing for several years now and tend to disappear little by little; secondly, the microcomputers concerned can only be of type "PC" (only originally equipped with such a type of port) and the multitasking operating systems inherent to these computers are of the office type, prohibiting in fact real-time processes except at very low frequency, which greatly limits performance. Older one-tasking operating systems were able to address a LPT parallel port with sufficient frequency for a motor control application and, therefore, interesting software solutions have existed in this field, which popularized the use of this type. of port.
Plusieurs logiciels existent toujours à l'heure actuelle, qui remplacent le coeur du système d'exploitation multitâche par un micro-noyau applicatif préemptant le plus haut degré de priorité et interdisant 5donc toute interruption qui viendrait perturber la rotation continue des moteurs. Ces logiciels restent populaires et ont même déterminé l'émergence d'un standard connexe de pilotage de machines-outils à commande numérique par le biais de ce port parallèle LPT 10véhiculant les signaux "Impulsion" et "Direction". Un bémol réside toutefois dans le fait que la disposition de ces signaux varie d'une machine à l'autre, inconvénient généralement pallié par les logiciels qui permettent leur libre assignation sur les broches 15correspondant aux bus de données du connecteur LPT. Par conséquent, le pilotage d'une petite machine-outil à commande numérique par le biais d'un port parallèle LPT reste très utilisé, bien que l'existence même de ce type de port soit sans avenir. Beaucoup de 20fabricants continuent donc de proposer avec leurs machines des armoires électriques contenant les unités de puissances reliées aux moteurs d'axes, ainsi que l'alimentation électrique de l'ensemble. Pour assurer la compatibilité avec les logiciels susmentionnés, ces 25fabricants intègrent sur leurs armoires ou boîtiers électriques un connecteur à 25 broches correspondant aux signaux d'un port parallèle LPT. La solution constituant à utiliser une carte électronique externe à microcontrôleur et logiciel 30embarqué n'est pas soumise aux inconvénients précités mais, par contre, elle nécessite un câblage électrique de connexion aux étages de puissance, en l'intégrant de préférence dans l'armoire électrique car les atmosphères chargées de copeaux autour des machines-outils sont peu propices au bon fonctionnement de circuits électroniques dépourvus de boîtier de protection. Cette intégration n'est pas toujours possible et restreignent les 5conditions de garanties des fabricants de machines ou d'armoires de commande. En outre, ces cartes électroniques externes ont besoin, pour fonctionner, de leur propre alimentation électrique. L'invention proposée offre une solution à ces 10problèmes et contraintes. Cette invention consiste en un module électronique hautement intégré contenant un microcontrôleur et son logiciel embarqué, mais ne nécessitant aucun système d'alimentation électrique additionnel, et permettant une 15compatibilité avec tous les boîtiers et armoires de puissance pilotés par un port parallèle LPT, quelle que soit la répartition des signaux sur le connecteur. Ce module électronique se connecte en amont à l'ordinateur chargé d'exécuter le logiciel applicatif 20par le biais d'un port de type USB (Universal Serial Bus). Ce bus est aujourd'hui un standard universel de communication rapide entre les micro-ordinateurs et tous types d'appareils périphériques, il n'est pas limité aux seuls systèmes de type "PC" et ne semble pas menacé dans 25un avenir proche. Le bus USB offre en outre l'avantage de fournir, en plus d'une masse 0 V de référence et des deux signaux de données, un fil d'alimentation 5 V pouvant accepter jusqu'à 0,5 A de courant.Several software still exist today, which replace the core of the multitasking operating system by an application micro-core preempting the highest priority and thus prohibiting any interruption that would disrupt the continuous rotation of the engines. These programs remain popular and have even determined the emergence of a related standard for controlling numerically controlled machine tools through this parallel LPT port 10 which drives the "Pulse" and "Direction" signals. A downside, however, lies in the fact that the arrangement of these signals varies from one machine to another, a disadvantage generally mitigated by the software that allow their free allocation to the pins 15 corresponding to the LPT connector data bus. Therefore, the piloting of a small numerically controlled machine tool through an LPT parallel port remains widely used, although the very existence of this type of port is without a future. Many manufacturers therefore continue to offer with their machines electrical cabinets containing the power units connected to the axis motors, as well as the power supply of the assembly. To ensure compatibility with the aforementioned software, these manufacturers integrate on their cabinets or electrical boxes a 25-pin connector corresponding to the signals of an LPT parallel port. The solution constituting the use of an external electronic microcontroller board and embedded software is not subject to the aforementioned drawbacks but, on the other hand, it requires electrical connection wiring to the power stages, preferably integrating it into the electrical cabinet. because the atmospheres loaded with chips around the machine tools are not conducive to the proper functioning of electronic circuits without a protective casing. This integration is not always possible and restricts the conditions of warranties of the manufacturers of machines or control cabinets. In addition, these external electronic boards need, in order to function, their own power supply. The proposed invention provides a solution to these 10 problems and constraints. This invention consists of a highly integrated electronic module containing a microcontroller and its embedded software, but not requiring any additional power supply system, and allowing compatibility with all power boxes and cabinets driven by an LPT parallel port, whatever the distribution of the signals on the connector. This electronic module connects upstream to the computer responsible for executing the application software 20 via a USB type port (Universal Serial Bus). This bus is today a universal standard of rapid communication between microcomputers and all types of peripheral devices, it is not limited to only "PC" type systems and does not seem to be threatened in the near future. The USB bus also offers the advantage of providing, in addition to a reference ground 0 V and two data signals, a 5 V supply wire that can accept up to 0.5 A of current.
30 Le module électronique objet de l'invention tire son alimentation électrique de l'ordinateur auquel il se connecte, par le biais de ce bus USB. Le microcontrôleur et le composant d'interface USB qu'il embarque étant peu gourmands en courant, module est parfaitement compatible avec la norme USB. La miniaturisation de ce module permet de le loger directement à l'intérieur d'un carénage de connecteur à 525 broches de type LPT. Il est donc parfaitement protégé des copeaux et de la poussière d'un atelier. Ce connecteur LPT est identique à celui équipant les micro-ordinateurs qui en sont encore dotés ; il peut donc se brancher directement sur les boîtiers et armoires 10électriques des machines-outils pilotées via ce port LPT. A l'autre extrémité, le module offre un dispositif de connexion sur port USB. Enfin, le logiciel embarqué dans le microcontrôleur permet la libre répartition des signaux "Impulsion" et 15"Direction", à la demande du logiciel applicatif, par le biais d'ordres d'assignation envoyés par le logiciel applicatif exécuté sur l'ordinateur. Ce logiciel applicatif doit donc offrir à l'opérateur un tableau ou diagramme permettant de paramétrer l'assignation de ces 20signaux sur le connecteur LPT. Par conséquent, l'invention propose une parfaite compatibilité électrique avec la plupart des boîtiers et armoires usuels équipant les petites machines-outils à commande numérique, sans nécessiter la moindre intervention sur 25ceux-ci. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux machines-outils à commande numérique, et pourra trouver sans modification des applications dans d'autres domaines de la commande d'axes ou de la robotique. The electronic module that is the subject of the invention draws its power supply from the computer to which it connects, via this USB bus. The microcontroller and the USB interface component that it embeds being very greedy current, module is perfectly compatible with the USB standard. The miniaturization of this module allows it to be housed directly inside a 525 pin connector fairing of the LPT type. It is therefore perfectly protected from chips and dust from a workshop. This LPT connector is identical to that fitted to the microcomputers that are still equipped; it can therefore be connected directly to the electrical boxes and cabinets of the machine tools controlled via this LPT port. At the other end, the module offers a USB port connection device. Finally, the software embedded in the microcontroller allows the free distribution of the signals "Pulse" and "Direction", at the request of the application software, by means of assignment orders sent by the application software running on the computer. This application software must therefore offer the operator a table or chart for setting the assignment of these 20signals on the LPT connector. Therefore, the invention provides a perfect electrical compatibility with most conventional housings and cabinets equipping small CNC machine tools, without requiring any intervention on 25 these. Of course, the invention is not limited to numerically controlled machine tools, and may find without modification applications in other areas of the axis control or robotics.