基于ARM9的电火花线切割机数控系统研究.doc

烟台南山学院烟台南山学院毕业设计（论文）学 院：计算机与电气自动化学院专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气工程09级 学 号： 200902100238 学生姓名： 刘小刚 指导教师： 胡彩霞 烟台南山学院教务处制基于ARM9的电火花线切割机数控系统研究摘要由于电火花线切割加工技术具有能适应多种硬度与形状的材料加工，加工精度高的特点，在成形刀具加工、模具制造、精密复杂零件和高硬度材料的加工等方面有较为广泛的应用，因此电火花线切割机床在我国有十分广泛的应用。在我国，高速走丝电火花线切割技术经过数十年的发展技术已经达到比较成熟的水平，但与国外慢走丝电火花线切割技术相比，无论从加工速度、精度、自动化程度、加工稳定性等工艺指标上看还是从外观上看，国内的技术水平明显低了一个档次。其主要原因在于国内线切割机床的脉冲电源和进给系统的控制水平不高，能否解决这两方面的难题将直接影响着国内线切割机床的发展前景。本文首先介绍了电火花线切割技术在国内外的发展现状与趋势，针对国内电火花线切割控制技术的不足，设计了全数字化智能型线切割脉冲电源，并基于 ARM9 处理器 STM32 设计了线切割机床的总体控制系统，用以改善现有线切割机床控制系统的不足。对于文中设计的智能型脉冲电源控制电路，本文利用 Matlab/Simulink 软件进行了电路仿真，为实际电路的搭建提供参考；文中还指出进给系统中用伺服电机代替步进电机的必要性，同样利用 Simulink 软件对伺服电机的控制系统展开了仿真研究，为伺服电机的软硬件平台开发提供参考。另外本文还从软硬件两个方面对所设计的线切割机床总体控制系统进行了比较详细的介绍，先是从硬件方面阐述了控制电路板的设计思路和各模块电路的原理，又从软件方面分别阐述了基于 ARM9 处理器 STM32 芯片的初始化设置、各电路模块的配置流程和实际应用。其中重点介绍了 PWM 脉冲信号的产生过程和脉冲电源电路的调试结果，验证了所设计的脉冲电源控制系统所能达到预期目标。关键词：电火花线切割，控制系统，脉冲电源，STM32第1章 绪论1.1 选题背景电火花线切割机属于电加工范畴，最早于 1960 年在苏联问世。前苏联拉扎林科夫妇在研究开关触点受火花放电而腐蚀损坏的现象及原因时，发现电火花产生的瞬时高温可以使金属局部熔化、氧化而被腐蚀掉，从而发明了电火花加工技术。线切割机适用材料多种多样，如高强度、高硬度、高韧性、高脆性和磁性材料，还能加工精密细小和形状复杂的零件。现有的电火花线切割机为了得到更广泛的发展，必须设法降低生产成本，缩短加工时间，提高产品的质量、产量及其经济性。本文提出的基于 ARM9 控制芯片的全新的电火花线切割机控制系统，正好满足现有的线切割机的改进思想，对提高线切割机的加工效率、质量和经济性具有重要意义。1.2 国内外线切割机发展现状及趋势线切割机自从上世纪 50 年代末问世至今，每年都取得快速的发展，应用也越来越广。如今随着数控技术的日益成熟，线切割机床的发展迎来了更为广阔的前景。线切割机在我国及国外的发展方向有所不同，目前我国研制生产和使用的绝大多数为快速往复走丝的电火花线切割机，而国外研制生产和使用的主要为慢速单向走丝的电火花线切割机。两者相比起来，除了采用的工艺不同外，无论在加工速度、精度、功能、自动化程度、可靠性、稳定性和加工工艺指标，或者在外观等方面，前者都低于后者一个档次。从加工速度上来说，我国的电火花线切割机的最大加工速度一般为250mm 2/ min，而国外的低速线切割机床最大加工速度为 500mm2 / min；从尺寸精度及表面粗糙度上来说，我国线切割机床一般为 5.0 m（国家标准），Ra 0.50.8 m；而国外能达到 1.0 m，Ra 0.05 m。国外的电火花线切割加工技术已经达到比较高的水平，今后预计必将向高速化、高精度化及高自动化的方面发展，这也是近年来经济型机床的一个发展趋势。而我国的电火花线切割技术在未来几年甚至几十年都将会有大好的发展机会。伴随着十二五规划我国高端装备制造业将迎来发展的春天，信息化、智能化和绿色环保化将是我国线切割技术的发展方向。1.3本文研究的主要内容本文将基于 ST（意法半导体）公司的 ARM9 芯片 STM32 开发全新的智能电火花线切割机控制系统，主要包括节能脉冲电源 PWM 波形的智能反馈控制系统软硬件设计和进给控制系统中步进电机等其他硬件电路的设计。全文主要内容分为如下六个章节：第一章为绪论，总结叙述了本课题的选题背景，国内外线切割机的发展现状及趋势，点明了本课题的主要研究工作。第二章提出了基于 ARM9 处理器的线切割控制系统的总体设计方案，特别是阐述了数字化脉冲电源的设计和进给系统中控制电机的选择与论证，并说明了设计方案要实现的功能和目的。第三章运用 Matlab/Simulink 软件对全数字化脉冲电源的设计电路和伺服电机的控制系统进行仿真研究，得到控制模型运行在较为理想状态下的控制参数。第四章简单叙述了所选微处理器的特性，对线切割控制系统的主要硬件电路模块进行分析介绍，并阐述了设计思路和注意事项。第五章阐述了线切割控制系统各软件模块驱动程序的开发并配以实例，其中重点叙述了 PWM 脉冲信号的生成。第六章总结研究成果，对所做的研究工作做进一步展望。第2章 线切割控制系统的总体设计方案2.1 电火花线切割机床加工原理电火花线切割机床加工是利用工具电极（钼丝）和工件两极之间脉冲放电时产生的电腐蚀现象对工件进行尺寸加工。电火花腐蚀主要原因：两电极在绝缘液体中靠近时，由于两电极的微观表面是凹凸不平，其电场分布不均匀离得最近凸点处的电场度最高，极间介质被击穿，形成放电通道，电流迅速上升。在电场作用下，通道内的负电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极形成火花放电，电子和离子在电场作用下高速运动时相互碰撞，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的轰击，使电极间隙内形成瞬时高温热源，通道中心温度达到10000度以上。以致局部金属材料熔化和气化【1】。2.2 线切割机床控制系统的总体设计线切割机床的控制系统要求实时性高，控制精度高，能处理大量的数据，还要易于与 PC 上位机进行通讯，现有的单片机已经不能满足这些要求。ARM 处理器相对于 8 位单片机具有速度更快，性能更强，资源更丰富等特性，比如在中断、AD、LCD控制器、DMA 和存储系统等方面 ARM 处理器都具有独到的优势。本文采用 ARM9芯片STM32作为线切割机床控制系统中最重要的两个部分数控系统和脉冲电源的主处理器，配合主芯片的一些外围应用芯片和接口电路构成整个控制系统的硬件部分。线切割机床控制系统的总体结构框图如图 2.1所示。线切割机床ARM9处理器串口通讯CAN总线PWM电源伺服电机数控系统Linux控制界面显示模块键盘图 2.1 线切割机床控制系统总体框图ARM9 处理器作为主要控制单元，将负责线切割控制系统的绝大部分控制工作。除了输出 PWM 脉冲供电源和电机使用，ARM9 处理器还需要执行显示任务、响应键盘的控制指令、进行串口和 CAN 总线的数据传输控制、处理数控系统中控制界面的命令以及同 PC 机进行数据交换。2.3 数字化脉冲电源的设计方案本文提出了一种全新的基于 ARM9 处理器的高频脉冲电源设计方案，此脉冲电源不但 PWM 脉冲的脉宽和脉间可调，而且频率也能够连续自动调节。对 PWM 脉冲波形进行自动调节主要是为了控制加工时电极丝的电流大小，保证加工的精度和稳定性。当检测到的电极丝上的电流过大时，只要通过反馈控制系统（ARM 控制）调节PWM 脉冲的占空比或者 PWM 脉冲的频率，就能达到降低电极丝加工电流的目的，从而保证电极丝加工质量。数字化线切割高频脉冲电源的系统框图如图 2.2 所示。100V+连接控制计算机差动放大电路IGBT输出电路 床身及钼丝工件降压及光电隔离PWM光 电隔 离ARM9系统检流计隔离变压器100VG显示屏输入设置图 2.2 数字化线切割脉冲电源的系统框图基于 ARM9 处理器的数字化线切割高频脉冲电源的主要特点有【2】：1. 直接采用 RS232 标准通讯接口与上位机通讯；2. 系统集成了现场总线 CAN 总线和 LIN 总线，方便多台线切割机的集中控制；3. 系统预留 JATG 编程接口，方便用户的系统升级和维护；4. 通过 ARM 定时器直接产生 PWM 信号，提供线切割工作时需要的高频脉冲；5. 同时集成了伺服电机的控制；6. 具有常规线切割机控制所需要的接口；7. 提供 4 路 AD 接口，为线切割机的功能扩展和实现实时在线检测提供支持；8. 具有 SD 卡接口，也可以通过该系统直接控制线切割机的工作；9. 装备有 2.9 英寸的彩色屏，提供 HMI（人机界面）的操作；10. PWM 的脉宽和脉间的调整和 PWM 的分时分组操作，也可通过 HMI 实现；11. 符合电加工行业标准设计；12. 集高频脉冲电源，伺服驱动电源为一体；13. 采用新型芯片过滤脉冲杂波可使丝耗降低 30%；14. 最大切割厚度可达 1 米以上；15. 最大切割速度可达160mm 2/ min以上（需特定条件）；16. 加工表面粗糙度 Ra2.5m。2.4 线切割进给系统中电机的选择目前国内大部分线切割机床的进给系统都由步进电机控制，虽然控制精度却不高，但成本低、控制简单。步迸电机是一种将电脉冲信号换成相应角位移或直线位移的控制电动机。利用它可以组成一个简单实用的伺服系统，且不需要反馈环节，所以在开环数控系统中获得极其成功的应用。概括起来步进电机的主要使用特点如下：l、每个脉冲对应一个步距角；2、脉冲频率与电机转速成正比；3、脉冲频率变化太快，会引起失步或过冲；4、改变脉冲分配的相序即可改变电机旋转方向；交流伺服电机的应用难题在于其复杂的伺服控制系统（全闭环控制），其成本高，控制难度大。目前常用的伺服电机为永磁交流同步伺服电机(PMSM)，其矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能，并可进行大范围调速或定位控制，作为线切割机床进给系统的驱动电机大有潜力。由于步进电机应用已经比较成熟，又比伺服电机成本低，本文控制电机仍选择步进电机，但下文仍将进一步讨论交流永磁同步电机的全闭环伺服控制系统，为以后伺服电机的成熟应用打下基础。第3章 脉冲电源与伺服电机的 MATLAB 仿真研究3.1 MATLAB/Simulink 简介MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，可以解决这些应用领域内特定类型的问题。Simulink是Matlab软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。在其下提供了丰富的仿真模块。其主要功能是实现动态系统建模、方针与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为为:从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。它为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。对于用方框图表示的系统，通过图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。3.2 数字化脉冲电源电路的仿真3.2.1 脉冲电源的设计本文设计的脉冲电源控制电路原理如图 3.1 所示。220V、50Hz 的交流电源经过一级变压器后输出 110V、50Hz 的交流电源，再经过二极管整流电路后得到线切割加工所需的直流电源。此直流电源经过电容的滤波后，通过限流电阻便可给工件及电极丝供电。电路中带正负极且电容值较大的钽电容作为充放电电容可以保持直流电源的稳定性。电极丝加工过程中通过电流互感器等检测元件，检测到加工瞬时电流和电压，经过 A/D 模数转换后送入 ARM处理器进行运算处理，得到校正值再经功率放大模块作为IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，即绝缘栅双极型晶体管)的输入控制信号，以此来达到控制加工过程的目的。这一反馈控制过程能实时调节电极丝的加工电流，保证加工的质量。100V+100VGAC220V图 3.1 脉冲电源控制电路原理图3.2.2 脉冲电源的仿真利用 Simulink 软件包里的仿真库作为脉冲电源电路仿真的主要模块库，该模块库包含等几个模块库，从中可以找到仿真需要的电源、变压器、二极管、电容电阻等器件。由于该仿真库没有线切割加工的仿真模块，本文利用直流电机模拟线切割加工时的负载变化。而且电机运转时的仿真参数易于观察，有利于分析电路仿真的效果和各元件参数的选择。按照图 3.1 所设计的电路原理搭建线切割脉冲电源电路仿真模型对其进行仿真。初始电源为交流 220V，经过变压器调压成交流 110V，再经四个二极管组成的整流桥将交流电压转换成直流电压，最后经过几个电容即可给线切割工件与电极丝供电。电容的选择需要注意，需要一个大电容作为充放电电容保证电压的稳定性，仿真电路选择 470 F带正负极的钽电容作为充放电电容；同时需要 1 F左右的小电容起到滤波作用。经过滤波的直流电压经过限流电阻后便可接入电机的正极，电机负极经过理想电流表后与 IGBT 的集电极相连，IGBT 的发射极与整流桥、电容共地。其中直流电机的参数如图 3-3 所示，电机励磁电压一般选用 55V，负载转矩为4 N/m。图 3-3 直流电机仿真参数利用 Simulink 进行电路仿真之前需要设置仿真参数，这是十分重要的一步。选择“Simulation”菜单下的“Parameters”命令可以设置仿真参数和选择解法器。仿真参数包括仿真时间、仿真步长模式、步长参数和仿真精度的定义等选择，其中主要参数仿真步长模式的选取方式有两种：固定步长和变步长。固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测；变步长模式可以在仿真过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。文中仿真选用变步长模式，其解法器共有 8种，默认解法器是 ode45，即四/五阶龙格-库塔法，它适用于大多数连续或离散系统，但不适用于刚性（Stiff）系统。它为单步解法器，也就是在计算 y（tn）时，它仅需要最近处理时刻的结果 y（tn-1）。文中选用 ode15s 解法器，它是一种基于数字微分公式的解法器（NDFs），是一种多步解法器，需要以前多个时刻的值。当用户要解决的问题比较困难，或者不能使用 ode45，或者使用效果不好时，一般选用 ode15s，它也适用于刚性系统23。设置好仿真各模块的参数后即可运行仿真模型，经过对仿真的结果和波形进行观察并调整仿真参数以得到更好的效果后，最终得到比较好的仿真效果波形如图3-5,3-6 所示。图 3-5 直流电机的仿真波形检测反馈主回路的电流表的仿真波形如图 3-6 所示。电流渐渐增大直到 5s 之后趋于稳定，它的大小跟电机电流的大小是一致的。图 3-6 电流表检测的电流波形3.3 伺服电机控制系统的仿真3.3.1 伺服电机控制方式的选择伺服电机的控制方式一般分为三种：速度控制、转矩控制和位置控制。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。而电机的伺服控制系统一般为三个闭环的负反馈 PID 调节控制环，其中第 1 环电流环是最内环也是最基础的一环；第 2 环是速度环；第 3 环是位置环，也是最外环。3.3.1 PMSM 的控制原理本文选用用途比较广泛的交流永磁同步电机（PMSM）作为研究对象，其控制系统中的矢量变换控制和空间电压脉宽调制技术（SVPWM）使其具备高精度及高动态性能特性，并可进行大范围调速和精确定位控制。矢量变换控制原理是建立在坐标变换理论下的控制方法，其中坐标变换包括 Clark 变换、Park 变换和 Park 反变换，三种变换的数学模型为：Clark 变换：Park变换：Park反变换：其中id 、iq 表示电机内 dq 旋转坐标系的电流；ia、ib、ic表示电机三相电路；i、i表示三相电流经 Clark 变换后在 直角坐标系下的电流。PMSM 转子速度控制原理如图 3-8 所示。其控制原理可大致概括为：运转的电机首先通过光电编码器检测出电机转子的位置，将其转换成角度r 和转速r反馈于给定的转速和电流；电机定子的三相电流经检测电路取得后也通过坐标变换反馈给初值，再经过 PID 调节器获得理想的控制量后进行 PARK 反变换，得到的控制量最后由SVPWM计算产生6路PWM信号(电压信号)经逆变器输出控制电机的转速和转矩，整个控制系统构成了一个完整的反馈控制系统2526。图 3-8 PMSM 转子速度控制原理3.3.3 PMSM 速度控制模型的建立根据图3-8所示的交流永磁同步电机速度控制原理搭建仿真模型步骤如下2728：（1）坐标变换模块以 Park 反变换为例，仿真模型如图 3-9 所示。图 3-9 Park 反变换仿真模型（2）SVPWM 模块SVPWM 模块的主要功能是使电机获得幅值恒定的圆形磁场。当电机通以三相对称的正弦电压时，交流电机内产生理想的圆形磁链并且以此磁链为基准，通过逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准圆形磁链，从而使电机达到较高的控制性能。（3）扇区选择逆变器共有 8 种工作状态，取其中 6 个非零的开关状态，可得到 6 个均匀分布的空间电压矢量。而三相电压 A、B、C 在空间互差 120，扇区的选择可根据矢量V、V的大小关系来判断。当V0 时，令相位 A=1，否则 A=0；当 3V-V0 时，令相位 B=1，否则 B=0；当- 3V-V0 时，令相位 C=1，否则 C=0。可得扇区号的计算等式为 N=A+2B+4C，取值为 16 的整数之一。其仿真模型如图 3-10。图 3-10 扇区号 N 仿真模型（4）计算 X, Y, Z 和T1 ,T2用T1 ,T2来表示空间不同矢量的作用时间。令 X=2V TS / Udc ，Y=（V +V ）Ts /Udc ，Z=（V -V ）Ts /Udc ，不同扇区的作用时间T1 ，T2 可按照表 3-1 取值。若T1+ T2 Ts ,则T1 = T1 Ts /( T1+ T2), T2 = T2 Ts /( T1+ T2) 其中T s为 SVPWM 的周期 0.1ms 的周期 0.1ms。表 3-1 T1和T2 赋值表根据以上分析搭建的T1 与T2 仿真模型如图 3-11 所示。图 3-11 T1 与T2的仿真模型（5）计算矢量切换点Tcm1 、Tcm2 、Tcm3根据等式Ta= (TsT1T2)/4,Tb=Ta+T1/2, Tc=Tb+T2/2，确定在不同扇区内Tcm1 、Tcm2 、Tcm3的取值，其结果见表 3-2。表 3-2 Tcm1 、Tcm2 、Tcm3赋值表Tcm1 、Tcm2 、Tcm3的仿真模型如图 3-12 所示。图 3-12 Tcm1 、Tcm2 、Tcm3的仿真模型（6）生成 PWM 脉冲波形将Tcm1 、Tcm2 、Tcm3的值与设定幅值的等腰三角形波形进行比较，就可以得到空间矢量对称的 PWM 波形。PWM2、PWM4、PWM6 是由 PWM1、PWM3、PWM5 通过非运算得到的。生成 6 路 PWM 脉冲波形的仿真模型如图 3-13 所示。图 3-13 生成 PWM 仿真模型将以上各个子模块整合搭建成完整的 SVPWM 系统，仿真模型如图 3-14 所示。图 3-14 SVPWM 整体仿真模型（7）PMSM 整体仿真模型借助 Matlab/Simulink 模块库提供的 Universal Bridge 逆变器模块和 PermanentMagnet Synchronous Machine 电机模块整合搭建的 PMSM 闭环矢量控制系统如图3-15 所示。图 3-15 PMSM 整体仿真模型3.3.4 控制模型仿真结果及分析对图 3-15 所建立的控制模型进行仿真实验，PMSM 相关仿真参数为：Pn=4，R=0.62 ， f=0.08627Wb，Ld=Lq=0.002075H，J=0.0003617kg/ m2，给定转速为20 rmin-1，Udc =300V，Ts=0.1ms。仿真结果及分析如下：当给予电机转矩Tm =5N /m，信号为阶跃信号时，在 t=0.01s 时电机启动后得到的三相电流、转矩和转速的波形如图 3-16 (a)(c)所示。从仿真得出的波形可以看出，电机的转速、转矩和三相电流在短时间内即达到稳定，说明此控制系统响应好，能平稳运行，符合伺服电机的控制要求。(a)(b)(c)图 3-16 转矩为阶跃信号时三相电流、转矩、转速仿真波形（a） 三相电流 （b）转矩 （c）转速当给予电机的转矩信号为斜坡信号、起始值为-6 终止值为 6 时，电机三相电流、转矩及转速的波形如图 3-17(a)(c)所示。从仿真结果可知，若给予电机的转矩或控制信号越平稳，过渡越好，电机的运行将越稳定可靠，因此电机的控制信号需要经过PID 控制环调节。(a)(b)(c)图 3-17 转矩为斜坡信号时三相电流、转矩、转速仿真波形（a）三相电流 （b）转矩 （c）转速当给予电机的转矩信号为正弦波信号，峰值为 6，频率为 8rad/s 时，电机三相电流、转矩和转速的波形如图 3-18(a)(c)所示。虽然三相电流的幅值因为正弦信号略有变化，但其相位角仍然满足相差 120的要求。若给予电机的正弦波信号频率过大或过小，电机三相电流不仅幅值相差很大，而且相位角也不能满足要求，这对电机的伤害很大，控制效果也很不理想。(a)(b)(c)图 3-18 转矩为正弦波信号时三相电流、转矩、转速仿真波形（a）三相电流 （b）转矩 （c）转速第4章 线切割控制系统硬件电路设计4.1 基于 STM32 的总体硬件设计STM32 系列处理器是世界顶级的半导体厂商意法半导体（ST）公司于 2007 年 6月推出的一款基于 ARM 公司开发的 Cortex-M3 内核的微处理器。STM32 微处理器按性能分为两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和 STM32F101“基本型”系列。STM32F103xx 增强型系列使用的内核为高性能的 32 位 ARM Cortex-M3 内核，其最大工作频率为 72MHz，内置丰富的增强型 I/O 端口，高速存储器（20K 字节的 SRAM及 128K 字节的闪存）和联接到两条 APB(Advanced Peripheral Bus)总线的外设。完整的 STM32F103xx 增强型系列产品包括从 36 脚到 100 脚的五种封装形式，所有型号的器件都含有通用 16 位定时器、12 位 ADC 和 PWM 定时器等功能模块，还包含标准和先进的通信接口：USART 串口、USB、CAN 及 SPI 总线等。这些丰富的外设配置使得 STM32 系列微处理器适合于多种应用场合：电机驱动与应用控制、PC 外设与 GPS 平台、医疗及手持设备、警报系统及其他工业应用1929。本文采用的微处理器是STM32的增强型系列STM32F103C8T6。该型号在外设方面包含有三个16位的通用定时器，每个定时器都有4路通道，每个通道有三种工作模式可供选择，即PWM控制模式、输入捕获模式和输出比较模式；一个16位的高级定时器专门用于电机驱动；一个12位逐次逼近型的模拟/数字转换器，转换时间最快为1微妙。另外通讯接口包括：两个I2C总线接口，支持芯片间数据的通讯与传输；两个SPI通讯口，支持18MHz的主从控制模式；三个USART通讯口，支持全双工数据交换，波特率最高可以达到4.5Mbps；一个CAN总线接口，兼容规范2.0A和2.0B (主动)，位速率达1兆位/秒，它可以接收和发送11位标识符的标准帧，也可以接收和发送29位标识符的扩展帧。此外还有常用的USB接口。STM32F103C8T6为LQFP48封装，以它为核心处理器设计的总体硬件模块如图4-1所示。图 4-1 主芯片总体硬件模块设计TIM 定时器经光隔器件输出的 PWM 脉冲信号即可作为脉冲电源的初始信号，又可作为进给系统中电机的驱动信号；GPIO 口作为普通的输入输出信号端将与键盘模块通讯，同时控制显示模块指示电机或其他设备的工作状态；通用 USART 同步/异步接受发送器将通过 ST3232 串口转换芯片与上位机实现串口通讯；CAN 协议控制器通过 82C250 接口芯片实现与 CAN 物理总线的通讯，可以与局域网内各 CAN节点进行数据交换；ADC 通道采集电极丝上的电流经模数转换后通过一定的运算反馈给定时器模块。下面将重点介绍几个重要模块的电路设计及注意事项。4.2 各模块硬件电路设计本控制系统的硬件电路采用 Protel 99SE 软件进行设计。Protel 99SE 是ProklTechnology 公司开发的基于 Windows 环境下的电路板设计软件，该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，是业界人士首选的电路板设计工具。它由两大部分组成：电路原理图设计（Sch 文件）和多层印刷电路板设计（PCB 文件）。4.2.1 主芯片电路板主芯片电路板主要包含了电源模块和 JTAG 模块的电路设计。电源电路如图 4-2所示，LD1117-3V3 是个电压转换芯片，输入 5V 输出 3.3V 给主芯片供电。如果外接电源是 12V 或 24V，也可以通过其他电压转换芯片降压，输出电路需要的电源。电路中的电容起滤波作用，滤除电路中的高频交流电，选择时需要考虑其耐压值。LED灯指示电路 3.3V 电源是否正常工作。图 4-2 电源电路设计JTAG（Joint Test Action Group）模块即程序烧录端口，是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试，支持可编程芯片的在线系统编程。标准的 JTAG接口是 4 线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。JTAG 电路设计图如图 4-3 所示，图中的几个网络标号都是主芯片内部的 JTAG 接口，通过专用的下载线可以把编译后的文件数据烧写到芯片的FLASH 或 RAM 中。图 4-3 JTAG 模块电路设计除了以上两个主要模块，再加上芯片外围晶振、电容和跳线接口等器件便构成了主芯片电路板的设计，其电路原理图及 PCB 设计图见附录 B。主芯片电路板采用上下双层板设计，其中跳线接口方便主芯片板与控制系统其他电路板进行信号连接。4.2.2 ARMPWM 输出主控板ARMPWM 主控板通过跳线接口连接 ARM 主芯片板的所有控制输入输出口，实现控制信号的互通。电路分模块设计也提高了电路板的通用性。主控板包含脉冲输出模块、CAN 通讯模块、串口通讯模块、复位模块、继电器模块、LCD 显示模块与按键模块。下文将主要介绍前几种关键模块的电路设计。PWM 脉冲输出的电路设计如图 4-4 所示。PB0 口是主芯片的 TIM 定时器输出口，能产生频率和占空比变化的脉冲信号，经过光隔放大器件 TLP250 输出可直接控制IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管）的通断。TLP250主要用于 IGBT 或功率 MOSFET（金属-氧化层-半导体-场效晶体管）门驱动电路的设计，其输入电压范围在 10-35V，输入电流最大为 11mA，输出电流最大为 1.5A，转换响应时间只有 1.5 微妙。图 4-4 PWM 脉冲输出电路CAN 是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称，由德国著名的汽车电子产品开发厂商 BOSCH 公司开发，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，这主要缘于 CAN 网络各节点之间的数据通信实时性强，另外它具有的高可靠性和良好的错误检测能力使其广泛应用于环境温度恶劣、电磁辐射强的工业环境。CAN 通讯模块的电路设计如图 4-5 所示。其中 PCA82C250 是 CAN 协议控制器和物理总线间的接口，它主要为汽车或嵌入式系统中高速通讯（高达 1Mbps）应用而设计。此器件对总线提供差动发送能力，对 CAN 控制器提供差动接受能力，而 CAN 控制器已集成于主芯片中。图 4-5 CAN 通讯模块电路串口通讯电路设计如图 4-6 所示，其作用是实现主芯片与 PC 上位机的数据通讯。串口通讯电路使用的标准 RS-232 接口驱动器和接收器芯片是 ST 公司生产的ST3232。它的工作电压为 3-5.5V，是低功耗器件，速度高达 400kbps3031。图 4-6 串口通讯电路ARMPWM 主控板的电路原理图见附录 B，它也是采用上下双层板设计。电路板上方 24pins 的跳线端连接的是 LCD 液晶显示器；中间两个平行的 20pins 的单排跳线端连接主芯片板；左下角 20pins 的双排直插标准跳线端输出 PWMIGBT 功率控制板的控制信号。4.2.3 PWMIGBT 功率控制板PWMIGBT 功率控制板主要功能控制电极丝（钼丝）电流的通断，通过跳线连接经光隔隔离器件输出后的 PWM 脉冲信号，接入 IGBT 开关的基极控制它的通断。另外此功率控制板还有外接 100V 和 36V 的直流电源及 12V 和 5V 的交流电源，所以需要整流器把交流电转换成直流电，并经过电压稳压器给控制电路供电。电源转换电路如图 4-7 所示，其中电压稳压器选用 LM7812CK。图 4-7 交直流电源转换电路IGBT 驱动电路是整个脉冲电源控制电路的关键，直接控制加工过程，即电极丝上电流的通断，所以 IGBT 能否正常工作至关重要。IGBT 具有自关断能力、输入阻抗高、开关速度快、驱动功率小及管压降低等特点，是目前中、大功率开关电源最常用的开关器件。IGBT 损坏的主要原因是其关断时产生很大的瞬态电流，它所能承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小；而且关断时电流变化率 di/dt过大，由于漏感及引线电感的存在使得 IGBT 集电极过电压，很可能导致 IGBT 被击穿，因此必须采取保护措施。IGBT 驱动电路设计如图 4-8 所示，工件接 100V 直流正极，工件与电极丝之间的二极管是 DSEI120 快恢复外延二极管，其反向恢复时间只有 35ns，反向击穿电压达 600V，主要起保护 IGBT 器件的作用。PWM 脉冲信号经 P0.0 口输入，高电平时使 IGBT 导通，电极丝上产生电流；低电平时 IGBT 关断，电极丝上无电流。IGBT器件选用德国 IXYS 半导体公司生产的高速 IGBT 器件 IXGH25N，常温下其集电极电流可达 50A，反向击穿电压达 1000V。电路中的二极管 D1 与电容 C0 起到保护弱电地信号端的作用。图 4-8 IGBT 驱动电路PWMIGBT 功率控制板的电路原理图及 PCB 设计图见附录 B，它采用单面板设计。由于电路板直接引入 100V+及 36V+的高压直流电源，包括 6 路 IGBT 驱动电路的相关强电线路的布线需要加宽。而电路板上方的 12V 交直流电源转换电路和PWM 控制信号跳线端等弱点线路则不需要做特别处理，但数字地与模拟地要分开。4.2.4 步进电机驱动控制板本文所设计的线切割进给系统需要 4 路步进电机来控制，其中两路步进电机有 5相，另外两路电机有 3 相。3 相步进电机的驱动电路如图 4-9 所示。36V 直流电源正极接电机各相正极，负极接脉冲电机驱动晶体管 TIP122 的集电极，当控制信号使TIP122 导通时，可控制电机开始运转。图 4-9 步进电机驱动电路步进电机驱动控制板的电路原理图见附录 B，控制板也是采用上下双层板设计。其中单排跳线端连接电机驱动端，其他的跳线端用于控制电机或者作为电机工作状态的显示输出口。第5章 线切割控制系统驱动软件设计STM32F10x 系列芯片的程序开发是采用模块化设计思想，各个功能模块或外围接口都有自己的源文件和头文件，只要根据需要选择不同配置参数便可实现特定功能。线切割控制系统软件编程需要涉及的模块设置主要包括系统初始化设置、定时器模块设置、A/D 模块设置和通讯模块设置。控制系统整体软件体系如图 5-1 所示。下面将分别介绍各个模块的软件设计。图 5-1 线切割控制系统软件体系5.1 系统初始化设置STM32F10x 系列芯片的系统初始化设置包含系统时钟的配置、嵌套向量中断的配置和系统定时器的初始化配置三个方面。系统时钟作为芯片的时钟源，是整个系统正常运作的基础；嵌套向量中断的配置主要作用是协调内外中断的优先级；系统定时器在 PWM 脉冲发送过程中实现延时操作。系统时钟（SYSCLK）可以由三种时钟源来驱动：高速外部（HSE）振荡器时钟、高速内部（HSI）振荡器时钟和 PLL 锁相环时钟。HSE 时钟可由外部晶体/陶瓷谐振器或者用户外部时钟产生。HSI 时钟信号由内部 8MHz 的 RC 振荡器产生，可直接作为系统时钟或在 2 分频后作为 PLL 输入。HSI RC 振荡器能够在无任何外部器件的条件下提供系统时钟，它的启动时间比 HSE 晶体振荡器短，但即使在校准之后它的时钟频率精度仍较差。内部 PLL 可以用来倍频 HSI RC 的输出时钟或 HSE 晶体输出时钟，其设置必须在被激活前完成，一旦 PLL 被激活参数就不能被改动。本文选择的系统时钟是 PLL 锁相环 9 倍频外部 8MHz 时钟后得到的 72MHzPLL 时钟。系统时钟设置后，需要再配置 PCLK1 和 PCLK2 时钟，它们分别对应 APB1 和 APB2 桥总线的时钟，桥总线直接决定了各个外设和功能模块的时钟3234。APB(AdvancedPeripheral Bus) 桥总线指的是外围总线，与之相对应的是 AHB(Advanced Highperformance Bus)系统总线，它们与不同外设的总线连接关系如图 5-2 所示。图 5-2 芯片内桥总线的连接嵌套向量中断配置主要设置向量表起始位置和协调 DMA 中断、定时器中断、A/D中断等中断的优先级，需要到嵌套向量中断控制器进行配置。向量表起始位置可以定义在 RAM 也可以定义在 FLASH 中，而系统的中断优先级分为优先级和子优先级两种，两种优先级共有 4 位，即可以设置 16 个优先级。其中复位功能、NMI 中断和硬件失效是前三种最高级别的中断且其优先级类型不能更改。嵌套向量中断控制器里有个系统嘀嗒(SysTick)校准值寄存器来控制 SysTick 时钟，即系统定时器时钟。它为一个 24 位的递减计数器，SysTick 计数器设定初值并使能后，每经过 1 个系统时钟周期，计数值就减 1。计数到 1 时 SysTick 计数器自动重装初值并继续计数，同时内部的 COUNTFLAG 标志位会置位，触发中断36。SysTick时钟实现对 PWM 脉冲信号的延时操作是为了防止脉冲信号上/下毛刺的产生。5.2 定时器模块设置STM32F10x 系列芯片具有两种定时器：通用定时器和高级定时器。定时器最大时钟为 72MHz，配合预分频可提供灵活的时钟周期。每个 TIM 都有 4 个独立捕获/比较通道，具备 DMA/中断功能。当通道工作在输出比较定时模式时，一个 TIM 至多可以提供 4 个不同的定时周期。通用定时器是一个通过可编程预分频器驱动的 16 位自动装载计数器构成，它适用于多种场合，包括测量输入信号的脉冲长度（输入捕获）或者产生输出波形（输出比较和 PWM）。通用定时器使用定时器预分频器和 RCC 时钟控制器预分频器，脉冲长度和波形周期可以在几个微妙到几个毫秒之间调整。STM32 中 TIM2、TIM3 和TIM4 为通用定时器，其主要功能包括：可设置的 16 位向上、向下、向上/向下自动装载计数器，16 位可编程（可以实时修改）预分频器，计数器时钟频率的分频系数为 165535 之间的任意数值；4 个独立通道可实现输入捕获、输出比较、PWM 生成和单脉冲模式输出3740。高级定时器除了具备通用定时器的特性和功能之外，还可实现死区时间可编程的互补输出，允许在指定数目的计数器周期之后更新定时器寄存器的重复计数器等其他功能，其输出信号可专门用于电机的驱动。在 STM32 中高级控制定时器为 TIM1，它与其他通用定时器是完全独立的，不共享任何资源41。STM32 中 TIM1TIM4 这 4 个定时器都可以产生准确的 PWM 波形，每个定时器至少有 4 个通道，可以产生 4 路 PWM 波形输出。定时器的 PWM 模式描述如下：定时器时钟经预分频器分频后为计数器提供时钟；重装载寄存器和输出比较寄存器的数值不断与计数器进行比较，计数器的数值与重装载寄存器数值相等时，复位计数器数值并翻转输出信号；当计数器数值与输出比较寄存器数值相等时，翻转输出信号。PWM 模式如图 5-3 所示。图 5-3 定时器 PWM 模式输出5.2.1 脉冲信号的端口配置脉冲信号的端口配置即为相应的 I/O 端口配置。STM32 系列芯片的 I/O（GPIO）端口位都可以由软件分别配置成多种模式，包括输入浮空、上拉或下拉，模拟输入，开漏输出，推挽式输出，推挽式复用功能和开漏复用功能。每个 GPIO 端口配置有两个 32 位配置寄存器，两个 32 位数据寄存器，一个 32 位置位/复位寄存器，一个 16位复位寄存器和一个 32 位锁定寄存器，每个 I/O 端口位都可以自由编程，但 I/O 端口寄存器必须按 32 位字被访问，不允许半字或字节访问4647。GPIO 经由上述寄存器控制可实现多种功能，其框图结构如图 5-4 所示，各种常用外设的控制口如定时器或 AD 转换输入口在 GPIO 中都有默认的规定，不是所有的 GPIO 都能实现所有特定功能。不过 STM32 为其 GPIO 提供了复用功能，方便用户灵活选择使用。图 5-4 GPIO 端口框图定时器 PWM 脉冲信号的输出端口配置为复用推挽输出模式，其他使能信号的输出端口配置为推挽输出模式，各个端口可根据数据连接需要配置成 2MHz、10MHz和 50MHz 三种模式。5.2.2 脉冲频率和占空比的设置脉冲频率和占空比这两个参数决定了一个 PWM 脉冲的波形，在 STM32 中定时器 TIMx 可以选择为 PWM 模式，即在 TIMx_CCMRx 寄存器中的 OCxM 位写入110（PWM 模式 1）或111（PWM 模式 2）。PWM 脉冲信号的参数由定时器相关的四个寄存器确定，它们分别是计数器寄存器(TIMx_CNT)，预分频器寄存器(TIMx_PSC)，自动重装载寄存器(TIMx_ARR)和捕获/输出比较寄存器(TIMx_CCR)。其中由TIMx_ARR 寄存器确定脉冲频率，由 TIMx_CCR 寄存器确定脉冲的占空比。 PWM脉冲信号的配置过程如下：1. 时钟基准的设置。STM32 中不管是高级定时器还是通用定时器，它们的时钟都配置为 72MHz 的系统时钟，而定时器 16 位的计数器或预分频器寄存器所能表示的脉冲频率范围有限。为了扩大定时器输出脉冲的频率范围，需要通过设置预分频器寄存器的值降低输入时钟的频率，即把计数器寄存器和自动装载寄存器的时间基准配置为 72MHz/TIM_PSC 的时钟基准频率。2. 脉冲频率与占空比的设置。规定输出比较寄存器 TIMx_CCR 的初值不能大于自动重装载寄存器 TIMx_ARR 的初值，因为 TIMx_CCR 确定脉冲信号的占空比而TIMx_ARR 确定其周期。以向上计数模式为例，计数器寄存器 TIMx_CNT 从初值 0开始计数，当计数器寄存器的值等于输出比较寄存器的值时，PWM 信号被翻转；计数器继续累加计数，当计数器寄存器的值等于自动重装载寄存器的值时，计数器寄存器回到初值从 0 重新计数，同时产生一个计数器溢出中断并翻转输出的 PWM 信号，这样 PWM 信号便发送了一个周期。所以 PWM 脉冲信号的频率即为f=72MHz/TIM_PSC/TIMx_ARR，而其占空比即为 TIMx_CCR/TIMx_ARR。5.2.3 PWM 脉冲信号的生成STM32 采用集成于上位机的 RealView MDK(Microcontroller Development Kit)开发环境进行程序开发。MDK 是 ARM 公司目前最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具，包括 uVision3 集成开发环境与 RealView 编译器，支持 ARM9 和最新的 Cortex-M3 核处理器，配备 ULINK2 仿真器+ Flash 编程模块轻松实现 Flash 烧写，具备强大的 Simulation 设备模拟和性能分析等功能，在无硬件平台上也能进行代码开发。RealView MDK 开发工具可以自动生成完善的启动代码，并提供图形化的窗口，同时可以反映出一些在实际电路测试中示波器难得捕捉到