基于ARM9的PCB钻孔机运动控制器设计

马 杰，游有鹏

（南京航空航天大学机电学院，江苏 南京210016）

0 引言

近年来，手机、笔记本电脑等电子产品更新换代越来越快，并且不断向轻薄短小、多功能、高可靠性以及低成本化方向发展，因此市场对PCB制造技术提出了更高的要求。PCB数控钻孔机作为PCB制造过程中的主要设备，为更好的适应市场需求，继续向高速度、高精度和高可靠性方向发展［1］。

根据PCB钻孔机运动系统的性能要求，设计了一种基于ARM9和μC／OS-II操作系统的运动控制器。该运动控制器着重从软件架构设计、速度规划和位置控制等角度，提升运动控制系统的性能，从而满足PCB钻孔机对运动控制系统的要求。

1 硬件电路设计

整个PCB钻孔机数控系统主要由工控机和基于ARM9的嵌入式运动控制器组成，其硬件电路如图1所示。

图1 硬件电路

工控机主要用于人机界面及对整个运动系统的指令生成与协调控制，它与运动控制器之间的信息交换由传输速度为100 Mbit／s的以太网提供。ARM9作为运动控制的主控芯片负责接收运动数据并进行处理，最终通过FPGA及A／D转换电路对外部电机及信号量进行控制。此外，系统使用网络通信，需要计算机通过串口向运动控制器下载IP地址、MAC地址等网络参数，这些参数最终由ARM写入EEPROM以固化。系统软件存储在NOR FLASH中，运行时可将程序及数据“搬运”到SRAM中，以提高系统运行速度。

2 运动控制器软件设计

图2所示为运动控制器软件系统的层次化体系结构。整个系统共分为3个层次：数控软件层、实时操作系统层和硬件驱动层。

图2 系统的层次化体系结构

数控软件层根据数控系统的功能应用划分为：通讯模块、程序解释模块、运动模块、监控模块和位置控制模块。其中，通讯模块主要实现ARM与工控机之间的以太网通讯功能；程序解释模块主要完成数控代码的解释；监控模块主要对控制对象的运动状态进行监测，并根据监测的结果进行相应处理；运动模块主要实现速度规划、插补等功能；位置控制模块主要完成各坐标轴的位置闭环控制。数控软件层的各个模块由实时操作系统进行调度，在定时器等外部事件的触发下，按照一定的时序完成数控系统的各种功能。

处于软件系统底层的是硬件驱动层，驱动层的作用主要包括：①完成对硬件模块的初始化；②按照一定的规则对硬件读写操作进行封装，为数控软件层提供规范化操作服务。通过调用硬件驱动程序，数控软件层模块可以方便地实现对底层硬件的操作。

为了提高软件的模块化、开发效率和运行效率，软件系统采用了μC／OS-II实时操作系统作为整个软件系统的控制核心，实现对数控软件层中各个功能模块的统一调度。它不仅资源开销小、运行效率高，而且易于实现位控、断刀处理等任务的硬实时调度。

3 速度规划

钻孔速度历来是评价PCB钻孔机控制系统性能的重要指标，它直接影响生产效率，国内、国外现有的水平 400～800孔／min。高速钻孔要求工作台移动及Z轴频繁启停，不可避免引起机床振动、影响钻孔精度等。因此，高效、平滑的运动轴升降速性能对PCB钻孔机具有特殊重要性［2］。

现有的PCB钻孔机控制系统的速度规划通常采用直线型加减速算法，使用该方法规划的速度曲线如图3所示。直线型加减速算法计算简单，机床响应快、效率高，但其生成的速度曲线不够平滑，在加减速阶段存在着加速度突变的现象，会导致机床的振动，影响钻孔质量，可应用于要求不高的钻孔机控制。为进一步改善升降速性能，系统还提供了S型曲线加减速算法，使用该方法规划的速度曲线如图4所示。S型曲线加减速规划后的速度曲线平滑，而且加速度变化可控，能有效减少机床振动［3］。

系统提供了两种切换速度规划算法的方式：一种是通过人工选择速度规划算法，可根据生产的需求和操作人员的经验选择速度规划算法并设置相应参数；另一种方式是以充分利用伺服系统性能为原则自动选择速度规划算法，具体指标为：①速度规划算法中使用的最大加速度等于电机的最大加速度；②速度规划算法中使用的最大速度尽量靠近或等于指令速度。

为达到以上指标，该方式的算法实现如下过程。

3．1 加减速数学模型的建立

根据钻孔机运动特点，X、Y轴高速定位运动以及Z轴快速往复运动的起始速度和终止速度都为0。考虑到一般情况下电机的正向和反向的最大加速度相等，假定最大加速度和最大减速度大小相等，即A＝D。因此，整个加减速运动过程具有对称性。

在直线型加减速规划中，根据加减速运动过程的对称性，可以得到：

其中，v为指令速度；a为电机的最大加速度；T2为直线型加减速规划中匀速段所占的时间长度；L为运动长度。

在S型曲线加减速规划中，根据加减速运动过程的对称性，可以得到：

其中，J为加加速度；T4为S型曲线加减速规划中匀速段所占的时间长度；L为运动长度。

3．2 速度规划算法的选择

在指令速度v、电机的最大加速度a、加加速度J保持不变的前提下，根据运动段长度L，分为以下3种情况。

使用直线型加减速规划算法，由（2）式得到：

使用S型曲线加减速规划，由（4）式得到：

经计算得出v′T＞v′S，即直线型加减速规划出来的最大速度要大于S型曲线加减速规划出来的最大速度，因此在时，选择直线型加减速算法。

4 位置控制

位置控制的作用是将移动量的给定值与通过传感器检测到的位置实际值进行比较，得出位置偏差。根据位置控制算法得到控制值并输入FPGA，由FPGA控制A／D模块完成数模转换功能［4］。PCB钻孔机具有运动速度快、加工精度高，并且伺服系统复杂致使精确建模难度大等特点，因此采用一般的PID控制方法很难满足实际加工需求［5］。提出了一种带调整因子的模糊PID控制方法，该方法在加工过程的不同阶段改变调整因子的值，动态改变PID结构，以达到不同的性能指标。

PCB钻孔机加工过程为4个部分，具体如下：

a．X，Y轴运动，此时Z轴静止。

b．X，Y轴到位后，Z轴开始运行。

c．Z轴运动到加工平面时，会收到CBD信号，该信号标志Z轴开始钻孔。

d．Z轴到达加工终点后高速返至加工参考点，进行下一次钻孔。

根据PCB钻孔机加工时的运动特点和位置控制的性能指标，提出了一种带调整因子的模糊PID控制方法，其控制结构如图5所示。具体控制方法如下：

图5 位置闭环控制

a．当系统处于X，Y轴运动过程或Z轴高速返回参考点过程，采用模糊P＋PI控制方式，即当目标值与实际值的偏差e＞设定值e0时，仅使用比例调节，此时α＝1，β＝0，γ＝0，使伺服系统有较快的响应；当目标值与实际值的偏差e＜设定值e0时，加入积分环节，即α＝1，β＝1，γ＝0，以保证定位精度。

b．当系统处于Z轴从加工参考点运动到加工平面的过程时，采用模糊P控制，即α＝1，β＝0，γ＝0，提高伺服系统的响应能力。

c．当Z轴接受到CBD信号，即Z轴处于加工工件状态时，使用完整的PID控制，即α＝1，β＝1，γ＝1，使系统在加工孔的过程中满足高精度、高速度以及抗干扰的要求。

这种位置控制方法的主要特点是：在不同的加工阶段使用不同的模糊PID控制结构。这种方法不需要受控对象精确的数学模型，并能完全满足系统对位置控制的要求。

5 结束语

讨论了基于ARM9和μC／OS-II操作系统的PCB钻孔机控制器的设计。控制器运用软件层次化设计、自动切换速度规划模式和带调整因子的模糊PID位置控制策略等多种手段来满足系统的性能要求。系统已成功运用于某公司的六头PCB钻孔机，达到了预期效果。

［1］ 郭 钊．基于PC的PCB钻孔机数控系统的研究与开发［D］．南京：南京航空航天大学，2012．

［2］ 李德亮，舒志兵．基于运动控制板卡的电路板钻孔机控制系统设计［J］．机床与液压，2012，40（8）：131-133．

［3］ 黄 艳，李 家，雾于东．CNC系统S型曲线加减速算法的设计与实现［J］．制造技术与机床，2005，（3）：55-59．

［4］ 高 菲．高精度全闭环伺服系统研究［D］．青岛：青岛大学，2008．

［5］ 郜旭凯．模糊PID变结构控制策略及其仿真［J］．科协论坛，2009，（2）：96-97．