Brevet FR2950757A1 — publié le 20110401

MODULE CONTROLEUR DE COMMANDE NUMERIQUE UNIVERSEL A HAUTE INTEGRATION L'invention concerne un module de commande d'axe 5numérique pour moteurs pas-à-pas ou servo destinés à piloter de petites machines-outils ou robots d'usinage. Les fraiseuses et tours numériques pour des applications de hobby ou de petite et moyenne industrie se sont largement démocratisés au cours de ces dernières 10années, avec l'arrivée massive sur le marché de mécaniques légères offrant une précision suffisante à des prix attractifs. Nécessitant un contrôle précis de la position de leurs axes de mouvement, ces machines sont presque 15toutes équipées de moteurs pas-à-pas ou de servomoteurs, chacun de ces moteurs étant piloté de façon autonome par une unité de puissance dont le type et les performances peuvent être assez variables, mais dont le dénominateur commun est le mode d'asservissement en amont, chargé de 20calculer la logique du mouvement de chaque axe. A de rares exceptions près, le contrôle d'une unité de puissance pour moteur pas-à-pas se fait à l'aide d'un signal "Impulsion" (ou "Pulse" ou "Clock") indiquant que l'axe du moteur doit pivoter d'un incrément angulaire, 25et d'un signal "Direction" indiquant le sens de rotation dans lequel cet incrément doit s'appliquer. Les unités de puissance pour servomoteurs utilisent de plus en plus cette même paire de signaux "Impulsion" et "Direction" qui est devenue un standard de fait. 30 Ces unités de puissance fournissent le courant électrique aux bobines du moteur et déterminent la valeur angulaire de l'incrément, c'est-à-dire de combien le moteur doit tourner à chaque signal "Impulsion" en entrée en tenant bien évidemment compte du signal "Direction", les unités servo ajoutant une boucle interne de contrôle, généralement à l'aide d'encodeurs numériques de position. Les unités de puissance ne sont pas l'objet de la présente invention. Les signaux "Impulsion" et "Direction" sont de type TTL (Transistor-Transistor Logic) commutant de façon binaire entre 0 Volt et 5 Volt. Pour faire tourner un 10moteur, il est donc nécessaire de fournir à son unité de puissance un signal "Impulsion" oscillant entre ces deux états logiques, la fréquence de cette oscillation déterminant la vitesse de rotation. Ainsi, un classique moteur pas-à-pas opérant une 15rotation de 0,9° à chaque oscillation du signal "Impulsion" tournera à une vitesse de 10 tours/seconde si son unité de puissance reçoit ce signal à une fréquence de 4000 Hertz. Par conséquent, l'asservissement en position des axes 20d'une machine à commande numérique revient à envoyer à l'unité de puissance de chaque moteur les signaux "Impulsion" et "Direction", en suivant une séquence précise correspondant à la dynamique du mouvement. Un mouvement simultané de plusieurs axes revient à fournir 25à chaque unité la fréquence correcte pour que tous les axes arrivent à la position cible de façon synchrone. Deux méthodes existent pour calculer et produire ces signaux sous les ordres du logiciel applicatif chargé de superviser le processus la première consiste à 30intégrer, dans une carte électronique, un microcontrôleur doté d'un logiciel embarqué qui reçoit les ordres de mouvement par le biais d'un port de communication, calcule les fréquences correspondantes des signaux "Impulsion" pour chaque moteur d'axe, ainsi que les états logiques des signaux "Direction", et génère ces signaux à destination des unités de puissance ; la seconde consiste à localiser ce calcul 5dans l'ordinateur qui exécute le logiciel applicatif et utiliser le port de communication parallèle LPT (Line PrinTer, norme Centronics), seul capable de faire transiter trois ou quatre paires de signaux TTL pour autant d'axes à piloter. 10 La grande puissance de calcul des micro-ordinateurs inciterait à opter pour la seconde solution, et un certain nombre de logiciels applicatifs plus ou moins populaires proposent à ce titre le contrôle de machines-outils à commande numérique de cette façon, c'est-à-dire 15via un port de communication parallèle LPT. Malheureusement, deux inconvénients majeurs rendent ce mode de travail problématique, voire condamné à moyen terme : tout d'abord, les ports de communication parallèle LPT ont été exclus des standards de 20fabrication des micro-ordinateurs depuis déjà plusieurs années et tendent à disparaître peu à peu ; ensuite, les micro-ordinateurs concernés ne peuvent être que de type "PC" (seuls dotés à l'origine d'un tel type de port) et les systèmes d'exploitation multitâche inhérents à ces 25ordinateurs sont de type bureautique, interdisant de fait les processus temps-réels sauf à très basse fréquence, ce qui limite beaucoup les performances. Les anciens systèmes d'exploitation monotâche permettaient d'adresser un port parallèle LPT avec une 30fréquence suffisante pour une application de pilotage de moteurs et, par conséquent, des solutions logicielles intéressantes ont existé dans ce domaine, ce qui popularisé l'utilisation de ce type de port. Plusieurs logiciels existent toujours à l'heure actuelle, qui remplacent le coeur du système d'exploitation multitâche par un micro-noyau applicatif préemptant le plus haut degré de priorité et interdisant 5donc toute interruption qui viendrait perturber la rotation continue des moteurs. Ces logiciels restent populaires et ont même déterminé l'émergence d'un standard connexe de pilotage de machines-outils à commande numérique par le biais de ce port parallèle LPT 10véhiculant les signaux "Impulsion" et "Direction". Un bémol réside toutefois dans le fait que la disposition de ces signaux varie d'une machine à l'autre, inconvénient généralement pallié par les logiciels qui permettent leur libre assignation sur les broches 15correspondant aux bus de données du connecteur LPT. Par conséquent, le pilotage d'une petite machine-outil à commande numérique par le biais d'un port parallèle LPT reste très utilisé, bien que l'existence même de ce type de port soit sans avenir. Beaucoup de 20fabricants continuent donc de proposer avec leurs machines des armoires électriques contenant les unités de puissances reliées aux moteurs d'axes, ainsi que l'alimentation électrique de l'ensemble. Pour assurer la compatibilité avec les logiciels susmentionnés, ces 25fabricants intègrent sur leurs armoires ou boîtiers électriques un connecteur à 25 broches correspondant aux signaux d'un port parallèle LPT. La solution constituant à utiliser une carte électronique externe à microcontrôleur et logiciel 30embarqué n'est pas soumise aux inconvénients précités mais, par contre, elle nécessite un câblage électrique de connexion aux étages de puissance, en l'intégrant de préférence dans l'armoire électrique car les atmosphères chargées de copeaux autour des machines-outils sont peu propices au bon fonctionnement de circuits électroniques dépourvus de boîtier de protection. Cette intégration n'est pas toujours possible et restreignent les 5conditions de garanties des fabricants de machines ou d'armoires de commande. En outre, ces cartes électroniques externes ont besoin, pour fonctionner, de leur propre alimentation électrique. L'invention proposée offre une solution à ces 10problèmes et contraintes. Cette invention consiste en un module électronique hautement intégré contenant un microcontrôleur et son logiciel embarqué, mais ne nécessitant aucun système d'alimentation électrique additionnel, et permettant une 15compatibilité avec tous les boîtiers et armoires de puissance pilotés par un port parallèle LPT, quelle que soit la répartition des signaux sur le connecteur. Ce module électronique se connecte en amont à l'ordinateur chargé d'exécuter le logiciel applicatif 20par le biais d'un port de type USB (Universal Serial Bus). Ce bus est aujourd'hui un standard universel de communication rapide entre les micro-ordinateurs et tous types d'appareils périphériques, il n'est pas limité aux seuls systèmes de type "PC" et ne semble pas menacé dans 25un avenir proche. Le bus USB offre en outre l'avantage de fournir, en plus d'une masse 0 V de référence et des deux signaux de données, un fil d'alimentation 5 V pouvant accepter jusqu'à 0,5 A de courant. 30 Le module électronique objet de l'invention tire son alimentation électrique de l'ordinateur auquel il se connecte, par le biais de ce bus USB. Le microcontrôleur et le composant d'interface USB qu'il embarque étant peu gourmands en courant, module est parfaitement compatible avec la norme USB. La miniaturisation de ce module permet de le loger directement à l'intérieur d'un carénage de connecteur à 525 broches de type LPT. Il est donc parfaitement protégé des copeaux et de la poussière d'un atelier. Ce connecteur LPT est identique à celui équipant les micro-ordinateurs qui en sont encore dotés ; il peut donc se brancher directement sur les boîtiers et armoires 10électriques des machines-outils pilotées via ce port LPT. A l'autre extrémité, le module offre un dispositif de connexion sur port USB. Enfin, le logiciel embarqué dans le microcontrôleur permet la libre répartition des signaux "Impulsion" et 15"Direction", à la demande du logiciel applicatif, par le biais d'ordres d'assignation envoyés par le logiciel applicatif exécuté sur l'ordinateur. Ce logiciel applicatif doit donc offrir à l'opérateur un tableau ou diagramme permettant de paramétrer l'assignation de ces 20signaux sur le connecteur LPT. Par conséquent, l'invention propose une parfaite compatibilité électrique avec la plupart des boîtiers et armoires usuels équipant les petites machines-outils à commande numérique, sans nécessiter la moindre intervention sur 25ceux-ci. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux machines-outils à commande numérique, et pourra trouver sans modification des applications dans d'autres domaines de la commande d'axes ou de la robotique. REVENDICATIONS1. Module contrôleur de commande d'axe numérique universel à haute intégration, caractérisé en ce qu'il 5émule un port parallèle LPT vu depuis les machines qu'il est destiné à piloter en générant des signaux électriques "Impulsion" et "Direction" calculés pour produire un mouvement coordonné des moteurs d'axes. 102. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il ne nécessite aucune source d'alimentation électrique annexe. 3. Module selon les revendications 1 et 2, caractérisé 15en ce qu'il se connecte à tout type de micro-ordinateur duquel il tire son alimentation électrique par le biais d'un port de communication de type USB. 4. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce 20qu'il offre une compatibilité universelle grâce à sa fonction de libre assignation des signaux électriques sur son connecteur LPT par le logiciel applicatif qu'il supervise. 255. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa haute miniaturisation permet de le loger dans un carénage de connecteur pour port parallèle LPT. 306. Module selon l'un des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il permet d'asservir toute unité de commande d'axe pilotée par signaux électriques "Impulsion" et "Direction".