便携式螺旋轨迹制孔单元控制系统开发

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1、学术论文RESEARCH便携式螺旋轨迹制孔单元控制系统开发DevelopmentofPortableOrbitalDrillingUnitControlSystem中航工业北京航空制造工程研究所刘建东张云志张为民【摘要】根据便携式轨迹制孔单元的结构特点和工艺需求，研制了一套基于嵌入式系统的轨迹制孔控制系统，阐述了嵌入式系统的硬件系统搭建及软件的设计方法，同时介绍了嵌入式系统在便携式轨迹制孔控制系统中的应用，通过系统控制测试和制孔试验，验证了嵌入式系统在便携式轨迹制孔单元中应用的有效性。关键词：轨迹制孔嵌入式系统控制系统【ABSTRACT】AccordingtothestrLlctural

2、charac—teristicsandprocessrequirementsoftheportableorbitaldrillingunitinthispaper,acontrolsystemfortheportableorbitaldrillingequipmentbasedonembeddedsystemisdeveloped．Thehardwaresystemconstructionandthesoft．waredesignmethodofembeddedsystemareintroduced．Furthermore，theapplicationoftheembeddedsyste

3、mintheportableorbitaldriningcontrolsystemispresented．BasedontheresultsfromthesystemcontrolanddriUingexperiments，itisvalidatedthattheembeddedsystemiseffectivewhenitisappliedintheportableorbitaldrillingunit．Keywords：OrbitaldrillingEmbeddedsystemControlsystemDOI：10．16080／j．issnl671．833x．2015．23／24．9

4、4便携式螺旋制孔单元是为解决制孔效率、劳动强度大和质量不稳定等特点而研制的一种结构紧凑、制孔质量高、效率高、轻量化的自动制孔单元【l】。本文根据便携式螺旋轨迹制孔单元的运动机理和控制要求及轻便设计的原则，介绍一种以STM32微控制器为核心的嵌人式控制主板及以FPGA为控制核心的伺服驱动系统，为了保证系统实时性的要求采用了uCOS—II实时操作系统。其中，控制主板主要实现多轴运动控制、制孔参数设置和存储、总线接口通信等功能。采用STM32F103VET单片机微控制器为核心，扩展RS485总线接口、液晶显示输出接口，数据存储接口、按键操作接口等功能。伺服驱动系统采用FPGA为控制核心，把电机

5、控制的电流环、速度环、位置环的控制集成到一个芯片上来完成同时提供寄存器和通信接口供用户使用，构成一个独立的片上系统，完成对电机的力矩控制、速度控制和位置控制。94航空制造技术·2015年第23／24期1控制系统结构电气控制系统设计分为3个部分：主控制板卡、轴伺服驱动控制和I／O控制。主控制板卡接收输入操作指令后，将操作指令转换为轴运动控制指令，通过RS485总线发送给伺服驱动器，控制轴进行速度或位置运动。主控制板卡同时接收伺服驱动器反馈的运动信息，进行运动协调。外部的急停和限位开关接人驱动器，进行安全保护控制。电气控制系统构成如图1所示。图1电气控制系统结构Fig．1Controlsys

6、temstructure2实时操作系统的移植为了提高系统的可靠性、实时性和研发效率，控制系统采用了uCOS—II嵌入式实时操作系统。作为一个源代码公开的实时嵌入式操作系统，uCOS—II最多支持63个任务，采用内核占先方式，并支持信号量、邮箱、消息队列等多种进程间通信机制【2】。便携式螺旋轨迹制孔单元控制系统把uCOS—II移植到基于ARM的STM32F103VET单片机微控制器上。STM32F103VET为增强型、32位基于ARM核心的带闪存和丰富IO接口的微控制器。具有较高的主频，满足轴运动指令发送学术论文和运动协调的速度要求。按照uCOS—II的结构特点及与微控制器硬件的关系，内核

7、的移植要点是通过调用内核的API函数来实现任务的调度和切换、存储管理和任务进程的通信。uCOS—II的大部分代码用C语言编写，同时还存在了一些与处理器相关的汇编语言代码，以便实现对处理器寄存器的访问和堆栈的操作。uCOS—II操作系统的移植在本机中主要是OS—CPU．A，OS—CPU—A．A，OS—CUP—C．C等3个程序的编写13】。uCOS—II软硬件体系结构如图2所示。嵌入式应用程序软件JluCos-IIuCOS—II设置(与