引言

市面上对三轴龙门机构的机械臂需求越来越大，比如雕刻机、3D打印机都依赖于这类机械结构，对于这类三轴龙门机械臂主控系统的设计和选择直接关系到机械臂控制效果和成本。现阶段，对于这类三轴龙门机械臂主控系统，一般有两种方式，一类单独采用ARM或者DSP进行控制和路径规划；另一类则采用ARM+FPGA的方式协同控制，其中前者一般只能适用于要求较低场合，无法满足对控制信号的频率和轴同步要求严苛的场景，后者是业界较为普遍的方法，通常采用ARM进行任务调度和通讯交互，FPGA则重点进行运动控制，这类设计对于主控的软硬件设计均提出了较高的要求，对控制器的研发投入非常大。

本文将基于一款新型的控制芯片（CMC控制芯片）对三轴龙门机械臂的主控系统进行方案分析。以提供一套龙门机构主控系统快速搭建方案，能有效提升控制系统的开发效率，大大节省开发的周期。

1 主控系统总体架构

本主控系统的总体架构主要包括：基于CMC芯片的控制器、轴控制部分、人机交互部分、点位输入输出部分以及I/O扩展部分。主控系统架构框图如图1所示。

图1 主控系统架构框图

其中主控制器内部采用CMC芯片进行设计，CMC芯片是宁波中控微电子有限公司研发设计的片上PLC芯片，内部集成了满足IEC61131-3标准的逻辑控制功能，也集成了满足PLC open标准的运动控制功能，提供了丰富的运动控制功能块，也支持G代码编程，实现机床控制。并内置了Mod Bus、CAN open协议栈，能够快速适配多种人机交互设备和扩展设备。

轴控制部分，CMC芯片支持4轴3联动的运动控制功能，可实现圆弧插补、空间直线插补、位插补等多种功能，并且支持每个轴编码器的AB相信号检测，最高脉冲频率可达4MHz，能够满足大部分伺服电机和步进电机应用场景。本方案提供4轴脉冲+方向输出。另外也支持通过0-10V的模拟量输出控制变频器或其他设备。

人机交互部分，主要用于进行龙门机械臂的模式设置和参数配置，CMC内部集成了Mod Bus协议栈，所以可支持绝大多数的组态屏，通过Mod Bus RTU/TCP方式即可实现通讯。同时CMC也提供了以太网接口，可通过组态开发软件Conf Des直接对程序逻辑进行编程，软件支持ST、梯形图、SFC等语言，也增加了现场修改的灵活性。

点位输入输出部分，主要提供了常用的点位控制功能，能够输出报警信号、LED指示灯信号等，同时也能接收到限位开关、急停按钮等的信号，CMC芯片引脚支持功能复用，最多可支持84个GPIO的输入输出。

I/O扩展部分，提供基于CAN open总线的点位扩展接口，可直接调用CAN open功能块实现IO扩展要求，对于点位控制要求较多的场合，如果一颗CMC芯片或者单个控制器无法满足要求的时候，可以通过扩展来实现更多功能。

2 主控系统硬件设计

有别于通常采用ARM+FPGA的主控方式，本方案采用一颗CMC芯片作为控制核心进行开发，能够有效降低主控电路的复杂程度，硬件电路的框图如图2所示。

图2 主控系统硬件框图

本方案采用CMC693PR144芯片进行电路设计，芯片最高主频可达200MHz，拥有2个UART串口，2路SPI接口、2路CAN接口，2路以太网接口，以及1路I2C接口，本系统采用MAX3232和SN65176进行RS232接口和RS485接口的扩展，并对信号进行了隔离操作，外接网口PHY芯片DP83848即可实现百兆以太网。为了满足工业环境要求，电源采用独立隔离电源模块，对IO电路也进行了隔离设计，I/O的频率可达到10KHz。

为了满足大部分伺服系统差分脉冲输入的要求，电路中需要增加单端转差分的通用芯片，本系统采用AM26LS31芯片，可满足系统4MHz输出频率要求。同时电路通过AM26LS32芯片，支持差分信号输入，如编码器正交差分信号等，系统最高输入频率可达10MHz。

图3 主控系统硬件实物图

此外系统可通过I2C接口实现高精度ADC和DAC的扩展。除此之外，系统也设计了掉电检测、掉电存储电路，能够在突然掉电的情况下，对关键数据做及时的保存。整体电路实物图如图3所示。从电路实物上可看到，整体硬件设计有了较大的简化。跟一款相同功能的运动控制器相比，器件数能减少26%，焊点数减少31%，代码量可减少91%，对应的人力投入也可减少91%。

3 主控系统软件设计

不同于一般主控系统采用C语言和硬件描述语言进行开发的方式，基于CMC芯片的控制系统提供了一种配置式的开发环境，大大简化了控制器开发的难度。开发环境主要包含Conf CMC和Conf Des两款软件，Conf CMC是芯片配置软件，Conf Des软件是客户程序编程软件，软件设计的开发流程如图4所示。

图4 软件设计流程图

其中Conf CMC主要面向设备开发商使用，在完成电路设计后，可以通过Conf CMC可视化的界面进行芯片引脚定义和扩展芯片的驱动配置，如图5所示，在完成配置后，即可生成针对该款设计产品的设备描述文件。

图5 Conf CMC配置界面

程序编程软件Conf Des主要面向实际使用客户，在导入产品设备描述文件后，即可根据客户实际的要求进行逻辑程序的编写，这部分程序编写支持IEC61131-3标准编程语言，包括任务配置、运动控制功能块调用等，其开发界面如下图6所示。

图6 Conf Des程序开发界面

对于三轴龙门机械臂，可采用两种程序执行方式，一种通过Conf Des进行编程，可通过HMI进行控制，也可以通过点位进行控制；另一种方式是通过其他上位机进行动作的编写，CMC也提供了运动控制API接口，可允许用户调用相关函数接口，实现更为丰富的软件界面开发，提升用户的使用体验。如表1所示，列出了部分API接口函数。

表1 API部分函数列表

基于CMC芯片的主控系统，在软件设计方面几乎省去了所有程序编写的工作，做到了配置式的开发体验，只需要基于当前的硬件设计，完成控制器设备描述文件的生成和导入，就能直接对龙门机械臂的功能逻辑进行编写。

4 结论

基于CMC芯片的三轴龙门机械臂主控系统方案，提供了一整套从硬件设计到软件功能实现的一站式开发平台，该方案不仅拥有较高的运动控制性能，同时也极大地简化了主控系统的开发流程，降低了开发门槛，是一种具有竞争力的新方案。