基于Ether CAT總線的高速高精度多軸伺服運(yùn)動控制器
2017-11-30 來源：廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 作者： 欒 偉 易勇帆 王欽若
【摘要】提出一種基于Ether CAT總線多軸伺服運(yùn)動控制器。該運(yùn)動控制器以STM32F427ZET6為核心完成數(shù)據(jù)通信、路徑規(guī)劃及數(shù)據(jù)處理；采用MCX314完成伺服電機(jī)高速高精度的運(yùn)動控制。該控制器還通過STM32實(shí)現(xiàn)了ET1200從站接口、485接口、232接口、AD采樣接口及SPI總線擴(kuò)展接口等。該控制器具有很強(qiáng)的適用性，既可以用在高速數(shù)控沖床上又可以用在激光切割機(jī)中以及其他需要高速高精度定位的數(shù)控設(shè)備上。
【關(guān)鍵詞】Ether CAT；STM32；高速高精度；運(yùn)動控制器；數(shù)控系統(tǒng)
1 、引言
現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)要求高速高精度定位、較強(qiáng)的適用性和操作便捷性。當(dāng)前市場上主要的運(yùn)動控制器有嵌入式控制器和基于PC的控制器。嵌入式器由于運(yùn)算能力和存儲容量有限，造成升級、擴(kuò)展困難。本文提出一種上位機(jī)為PC機(jī)，實(shí)時運(yùn)動控制器為STM32和MCX314的控制系統(tǒng)架構(gòu)。將CAD文件的導(dǎo)入，G代碼解釋，加工路徑生成等放在上位機(jī)上完成；生成好的指令再通過Ether CAT實(shí)時以太網(wǎng)發(fā)送到運(yùn)動控制器上執(zhí)行。控制系統(tǒng)具有人機(jī)交互性能好、上位機(jī)軟件擴(kuò)展性強(qiáng)、應(yīng)用場合廣、控制器定位速度精度高等優(yōu)點(diǎn)。
2 、控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
目前高端市場主要以基于PC的系統(tǒng)為主。基于PC的控制系統(tǒng)又分為兩大類：使用高速現(xiàn)場總線（如Ether CAT或Power-Link）和“PC+運(yùn)動控制卡”的運(yùn)動控制系統(tǒng)。使用高速現(xiàn)場總線的控制器，總線協(xié)議開放，通用性強(qiáng)，通訊速率高，發(fā)展前景廣。而PC+運(yùn)動控制卡式的運(yùn)動控制系統(tǒng)需要將運(yùn)動控制卡插入計(jì)算機(jī)主板，通用的工業(yè)PC機(jī)軟硬件不可裁剪，無法降低成本和適應(yīng)特定場合。工業(yè)PC機(jī)采用非實(shí)時的Windows系統(tǒng)，無法滿足加工需求；PC機(jī)容易死機(jī)，無法滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。在這種情況下，充分利用PC機(jī)作為上位機(jī)的易操作性和ARM芯片作為下位機(jī)控制芯片的可靠性來設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)的架構(gòu)。通過運(yùn)行在工控機(jī)上的上位機(jī)軟件，上位機(jī)運(yùn)行基于PC的QT圖形操作系統(tǒng)，可以設(shè)置運(yùn)動控制參數(shù)、實(shí)時顯示加工進(jìn)度、系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)將導(dǎo)入的CAD圖紙讀取后，轉(zhuǎn)化成要加工的點(diǎn)位信息（G代碼）；G代碼通過Ether CAT總線發(fā)送給控制器，控制器收到加工的點(diǎn)位信息后，發(fā)送脈沖/方向控制信號給伺服驅(qū)動器（SC）控制電機(jī)（SM）走相應(yīng)的規(guī)劃軌跡。
32路的I/O將采集的開關(guān)信號（如限位，安全防護(hù)，緊急停車等）發(fā)送給控制器，起到安全保護(hù)的作用。
圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖
3 、控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)
控制器架構(gòu)由主板和接口板組成，主板上主要有STM32F427作為主控芯片，MCX314和MCX501作為專用的運(yùn)動控制芯片；主控芯片與專用運(yùn)動控制芯片之間通過FSMC總線連接，對其讀寫命令和數(shù)據(jù)。主控板和接口板通過接插件進(jìn)行連接。接口板上主要分布ET1200從站通訊模塊電路，電源轉(zhuǎn)換模塊電路，信號隔離模塊電路（高速磁耦隔離和低速光耦隔離），AD7606采樣模塊電路，232/485通訊模塊電路等。
圖2 控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)圖
4、加減速控制算法設(shè)計(jì)
為降低運(yùn)動控制器在高速點(diǎn)到點(diǎn)之間運(yùn)動時產(chǎn)生的振動，通過S形加減速算法對伺服電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)現(xiàn)高速高精度的點(diǎn)到點(diǎn)定位。專用運(yùn)動控制芯片MCX314可以便捷地通過配置寄存器參數(shù)來生成需要的S形加減速曲線。例如，通過模式設(shè)定，將MCX314的WR3寄存器D2~D0位置為0,0,1即可設(shè)置為對稱S形加減速驅(qū)動（范例程序如下）；S形加減速驅(qū)動參數(shù)可設(shè)定加速度增加率JK，加速度AC，初速度SV，驅(qū)動速度DV，移動脈沖數(shù)TP。
5 、 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)了一種基于Ether CAT總線的高速高精度多軸伺服運(yùn)動控制器，該控制器采用Ether CAT總線為通訊方式，使用STM32+MCX314為控制核心：一方面Ether CAT總線具有開放程度高、實(shí)時性好，技術(shù)成熟；另一方面STM32具有功耗低，性能強(qiáng)，成本低的優(yōu)點(diǎn)，并且 MCX314大大簡化了運(yùn)動控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和開發(fā)工作，所有實(shí)時運(yùn)動控制可交由運(yùn)動控制芯片來處理。通過S形加減速算法對伺服電機(jī)進(jìn)行加減速控制，解決了高速高精度的點(diǎn)到點(diǎn)之間的定位問題。該控制器已經(jīng)做出了產(chǎn)品并小批量量產(chǎn)，目前主要配套用在數(shù)控沖床運(yùn)動控制系統(tǒng)上，激光切割機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定且定位速度精度高。
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