運動控制器是數(shù)控機床
、
高端機器人等自動化設(shè)備控制系統(tǒng)的核心
。
為保證控制器的實用性
、
實時性和穩(wěn)定 性，
提出一種以
STM32
為主控制器
、
FPGA
為輔助控制器的多軸運動控制器設(shè)計方案
。
給出了運動控制器的硬件電路設(shè)計
， 將 S
形加減速算法融入運動控制器
，
提高了控制精度
，
可有效避免過沖
、
振蕩等現(xiàn)象的發(fā)生
。
在三維點膠機平臺上對運動 控制器的性能進行了測試，
結(jié)果表明
:
點膠機各軸能按照設(shè)定的軌跡運動
，
運行平穩(wěn)且實時性高
，
具備良好的應(yīng)用前景
。
運動控制器性能的好壞直接對自動化系統(tǒng)整體性能的 發(fā) 揮 起 決 定 性 作 用［1－2］
。
克 萊 斯 勒
、
西 門 子
、 FANUC、
MAZAK
占據(jù)我國
90%
左右的工業(yè)用運動控 制器市場。
隨著運動控制技術(shù)的發(fā)展
，
FPGA
、
ARM
、 DSP、
專用芯片等逐漸成為運動控制器的核心部件
， 并日益朝著開放式方向發(fā)展［3－4］
。
以單片機為核心的運動控制器運算速度慢、
控制精度低
，
一般用于低 速、
運動軌跡簡單的場合
;
以專用芯片為核心的運動 控制器只是發(fā)出脈沖信號，
無法接收反饋信號
，
處于開環(huán)狀態(tài)，
不能滿足多軸聯(lián)動和高速
、
高精度的軌跡 插補要求［5－7］
。
基于
PC
的以
FPGA
、
ARM
、
DSP
為核心處理器的運動控制器，
如固高科技
GH-800
，
數(shù)據(jù)處理速度快、
實時性高
，
可完成多軸協(xié)同控制
、
復雜軌跡運動和加減速。 以 STM32
為主控器
、
FPGA
為輔助控制器
，搭建硬件平臺及進行外圍電路設(shè)計。利用 STM32 豐富的外設(shè)資源，完成運動軌跡規(guī)劃、人機交互、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交互等控制; 利用 FPGA 豐富的邏輯資源，實現(xiàn)各個運動軸脈沖并行輸出、輸入信號和原點位置的檢測、輸出開關(guān)量控制等功能?？刂破髟O(shè)計中引入S 形加減速算法，可有效避免實際運行過程中的過沖、失步及振蕩等現(xiàn)象。該運動控制器硬件結(jié)構(gòu)簡單，在保證精度、實時性、可靠性的前提下，能有效縮短研發(fā)周期。
1
運動控制器結(jié)構(gòu)
運動控制器采用
STM32+FPGA
的硬件結(jié)構(gòu)形式
，主控制芯片選用 ST
公司的
STM32F4xx
，
輔助控制芯片選擇 Altera
公司的
EP2
系列芯片
。
主要模塊包括數(shù)據(jù)存儲 模 塊、
外部輸入檢測模塊
、
電 機 驅(qū) 動 模塊、
接口模塊
、
人機交互模塊等
，
其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示
。
主控制器以
STM32
為核心
，
將電機運行過程中的數(shù)據(jù)存入外部存儲器，
使用觸摸屏和按鍵相結(jié)合的方式實現(xiàn)人機交互;
觸摸屏作為上位機
，
通過串口與 STM32 通信
，
可對整個系統(tǒng)進行調(diào)試
，
按鍵通過
I/O 接口與 FPGA
相連
。
主控制器處理外部數(shù)據(jù)存儲器的插補信息后，
經(jīng)總線發(fā)送給
FPGA
，
FPGA
接到控制指令或插補數(shù)據(jù)后進行插補運算，
然后通過隔離電路將信號發(fā)送到各個電機驅(qū)動器，
對各軸電機進行驅(qū)動，
完成目標運動軌跡.
STM32
與
FPGA
的通信接口
STM32
與
FPGA
之間可以通過可變靜態(tài)存儲控制器 (
Flexible Static Memory Controller
，
FSMC
)
進行通信，
如圖
4
所 示
。
根 據(jù)
FSMC
的 功 能 特 性
，
設(shè) 定STM32 的地址線和數(shù)據(jù)線寬度為
16
位
，
STM32
片選選中 FPGA
進行數(shù)據(jù)讀寫
，
FPGA
通過中斷反饋數(shù)據(jù)處理情況。
STM32
芯片的配置
STM32
芯片外圍硬件看門狗能有效監(jiān)控
CPU
的運行情況。
STM32
需要配置
2
個外部晶振
:
一個頻率為 32. 768 kHz
，
主要給芯片內(nèi)部時鐘部件提供低速
、 高精度的時鐘;
另一個頻率為
25 MHz
，
產(chǎn)生主時鐘
，通過分頻、
倍頻模塊后供給各個模塊
［4，6］
。
2. 2
FPGA
模塊電路設(shè)計
FPGA
主要負責插補算法信息的處理
、
脈沖信號的輸出、
開關(guān)量的輸入和輸出
、
接收編碼器的差分信 號等。
(
1
)
差分輸入接口電路
U6
為四路差動信號接收器
，
用來接收編碼器輸出的差分信號，
將電機的位置信息反饋給
FPGA
。
接口電路如圖 5
所示
3
運動控制器軟件設(shè)計
通過觸摸屏
(
HMI
)
發(fā)送指令給
STM32
，
STM32 接收到指令后通過動態(tài)鏈表的形式將指令存儲于外部存儲器;
實時讀取存儲器
，
將運動軸的位置信息
、
速度信息返回給觸摸屏顯示，
同時將指令信息和插補算法數(shù)據(jù)，
由
FSMC
傳到
FPGA
處理
;
最后由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖指令給電機驅(qū)動器，
驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動
。
運動控制器軟件設(shè)計框圖如圖 8
所示
。
4
S
形速度規(guī)劃算法的實現(xiàn)
S
形加減速可充分發(fā)揮電機性能
，
因其在加減速階段速度曲線呈 S
形而得名
。
令加速度的導數(shù)為常 數(shù)，
改變其 大 小
，
可最大限度減小系統(tǒng)沖擊
［10－11］
。 整個加減速過程由 7
個部分構(gòu)成
［12－13］
，
如圖
9
所示
。 圖中:
l
為運動的位移
，
v
為速度
，
a
為加速度，j 為
加加速度
，
A
表示勻加速階段的加速度值
，
M
表示勻減速階段的加速度值，
T
i
(
i
= 1
，
2
，
3
，．．．．．．，
7
)
為各階段的運行時間，
τ
i
(
i
= 1
，
2
，
3
，
．．．．．．
，
7
)
為以各個起點作為 0
點的時刻
，
t
i
(
i
= 1
，
2
，
3
，
．．．．．．
，
7
) 為各個過渡點時刻。
實際應(yīng)用時
，
m
1
～
m
4
的各階段
都需要判斷減速點
，
一般情況下
，
從
0
加速到最大速度和從最大速度減速到 0
所用的時間相同
，
即
T
1
= T3
、
T
5
=
T
7
。
?
結(jié)合圖
10
所示的流程
，
算法實現(xiàn)過程如下
:
步驟
1
，
初始化相關(guān)的參數(shù)
，
包括初始速度
、
目標速度 (
最大運行速度
)
、
加加速度
j
、
最大加速度
A
。
步驟
2
，
計算減速距離
d
ec
，
將
d
ec
與剩余距離
L
s 比較，
其中
L
s
=
L
e
－
L
c
，
L
e
表示指定目標位置值
、
L
c 表示當前位置值。
步驟
3
，
若
L
s
＞
d
ec
則減速
，
否則加速或者勻 速 ( 此時如果到達最大速度則勻速
，
未到達則加速
)
。
步驟
4
，
根據(jù)步驟
3
的判斷
，
重新計算
a
v
、
v
v
、jv 并輸出。
步驟
5
，
當
L
c
=
L
e
時
，
到達終點
，
運動停止
，
否則重復步驟 2～ 5
。
文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-795671.html
文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-795671.html
6
結(jié)束語
本文作者提出了一種以
STM32
為主控制器
、
FPGA 為輔助控制器的運動控制器設(shè)計方案
，
完成了控制器硬件平臺及外圍電路設(shè)計，
將
S
形加減速控制算法融入到運動控制器中，
有效避免了運動時由于速度突變引起的過沖、
抖動等現(xiàn)象
，
提高了控制精度
。
對運動控制器進行測試，
結(jié)果表明
:
以
STM32+FPGA
為硬件架構(gòu)的運動控制器實時性好、
可靠性高
，
能滿足工業(yè)運動控制的要求。
信邁支持STM+FPGA運動控制器、ethercat總線定制。
到了這里，關(guān)于基于 STM32+FPGA 的多軸運動控制器的設(shè)計的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
