基于DSP的PCB雕刻机精密数控系统设计及其关键技术研究

摘要

当今电子设计领域中，EDA 软件已经成为设计者必须的工具，它使得设计构思能够迅速方便地转化成具体设计方案。然而，设计方案实施的关键，即电路板打样和小批量多品种制作却仍沿用传统化学工艺方式，这种电路板制作方式存在周期长、成本高、灵活性小等不足，与丰富多彩的电子创造活动不相匹配。开发一种快速PCB 雕刻制作系统，以满足电子系统研发与实验的大量需求，达到快捷、保密及环保的目的。 数控系统是PCB 雕刻机的控制核心，其控制功能的强弱、控制性能的优劣直接关系着PCB 雕刻机的加工质量与加工效率，对整个雕刻机的性价比和市场竞争力都至关重要。本文针对数控PCB 雕刻机技术现状及市场需求，研制开发了基于高性能DSP 的精密PCB 雕刻机数控系统，以提高国产PCB 雕刻机数控系统的性价比和市场竞争力，并为雕刻机最终用户改善产品质量、提高生产效率、节约生产成本提供有效手段。 本文在PCB 雕刻机控制系统实现上，首先提出了PCB 雕刻机控制系统的驱动控制要求，并规划制定了数控系统总体设计方案。在方案实现时，采用TI 公司主推的32 位定点数字信号处理器（DSP）TMS320F2812 作为下位机控制系统核心处理单元，并采用模块化设计思想，根据控制电路分担任务的不同，分模块进行了PCB 雕刻机控制系统软硬件详细设计，使得系统设计灵活性和工作可靠性大大提高。 针对高速电主轴调速是PCB 雕刻机精密数控系统的关键技术之一，本文基于空间向量PWM 的变频调速技术，对高速电主轴的速度控制进行了深入研究，构造了基于DSP 的速度控制完整系统，测试结果表明，所设计的调速系统可实现20000 r/min～60000 r/min 的高转速稳定控制。 为提高雕刻精度，对驱动X、Y 工作台的步进电机的细分技术进行了详细研究，采用电流矢量恒幅均匀旋转细分法，实现了十六细分的驱动，单向移动精度可达0.00125mm，实验结果印证了方法的有效性。 PCB 雕刻机样机通过软硬件联调，并经过了对各项电路板加工要求的测试实验，结果表明，控制系统性能较好的满足了电路板制作对加工精密性、快速性、平稳性的要求，达到了预期设计要求，所加工制作出的单、双面电路板完全可以满足用户需求。