基于 STM32+FPGA 的多轴运动控制器的设计

Posted 2023-03-03 深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

运动控制器是数控机床 、 高端机器人等自动化设备控制系统的核心 。 为保证控制器的实用性 、 实时性和稳定 性， 提出一种以 STM32 为主控制器 、 FPGA 为辅助控制器的多轴运动控制器设计方案 。 给出了运动控制器的硬件电路设计 ， 将 S 形加减速算法融入运动控制器 ， 提高了控制精度 ， 可有效避免过冲 、 振荡等现象的发生 。 在三维点胶机平台上对运动 控制器的性能进行了测试， 结果表明 : 点胶机各轴能按照设定的轨迹运动 ， 运行平稳且实时性高 ， 具备良好的应用前景 。 运动控制器性能的好坏直接对自动化系统整体性能的 发 挥 起 决 定 性 作 用［1－2］ 。 克 莱 斯 勒 、 西 门 子 、 FANUC、 MAZAK 占据我国 90% 左右的工业用运动控 制器市场。 随着运动控制技术的发展 ， FPGA 、 ARM 、 DSP、 专用芯片等逐渐成为运动控制器的核心部件 ， 并日益朝着开放式方向发展［3－4］ 。 以单片机为核心的运动控制器运算速度慢、 控制精度低 ， 一般用于低 速、 运动轨迹简单的场合 ; 以专用芯片为核心的运动 控制器只是发出脉冲信号， 无法接收反馈信号 ， 处于开环状态， 不能满足多轴联动和高速 、 高精度的轨迹 插补要求［5－7］ 。 基于 PC 的以 FPGA 、 ARM 、 DSP 为核心处理器的运动控制器， 如固高科技 GH-800 ， 数据处理速度快、 实时性高 ， 可完成多轴协同控制 、 复杂轨迹运动和加减速。 以 STM32 为主控器 、 FPGA 为辅助控制器 ，搭建硬件平台及进行外围电路设计。利用 STM32 丰富的外设资源，完成运动轨迹规划、人机交互、数据存储、数据交互等控制; 利用 FPGA 丰富的逻辑资源，实现各个运动轴脉冲并行输出、输入信号和原点位置的检测、输出开关量控制等功能。控制器设计中引入S 形加减速算法，可有效避免实际运行过程中的过冲、失步及振荡等现象。该运动控制器硬件结构简单，在保证精度、实时性、可靠性的前提下，能有效缩短研发周期。 1 运动控制器结构 运动控制器采用 STM32+FPGA 的硬件结构形式 ，主控制芯片选用 ST 公司的 STM32F4xx ， 辅助控制芯片选择 Altera 公司的 EP2 系列芯片 。 主要模块包括数据存储 模 块、 外部输入检测模块 、 电 机 驱 动 模块、 接口模块 、 人机交互模块等 ， 其结构框图如图1 所示 。

主控制器以 STM32 为核心 ， 将电机运行过程中的数据存入外部存储器， 使用触摸屏和按键相结合的方式实现人机交互; 触摸屏作为上位机 ， 通过串口与 STM32 通信 ， 可对整个系统进行调试 ， 按键通过 I/O 接口与 FPGA 相连 。 主控制器处理外部数据存储器的插补信息后， 经总线发送给 FPGA ， FPGA 接到控制指令或插补数据后进行插补运算， 然后通过隔离电路将信号发送到各个电机驱动器， 对各轴电机进行驱动， 完成目标运动轨迹. STM32 与 FPGA 的通信接口 STM32 与 FPGA 之间可以通过可变静态存储控制器 ( Flexible Static Memory Controller ， FSMC ) 进行通信， 如图 4 所 示 。 根 据 FSMC 的 功 能 特 性 ， 设 定STM32 的地址线和数据线宽度为 16 位 ， STM32 片选选中 FPGA 进行数据读写 ， FPGA 通过中断反馈数据处理情况。 STM32 芯片的配置 STM32 芯片外围硬件看门狗能有效监控 CPU 的运行情况。 STM32 需要配置 2 个外部晶振 : 一个频率为 32. 768 kHz ， 主要给芯片内部时钟部件提供低速 、 高精度的时钟; 另一个频率为 25 MHz ， 产生主时钟 ，通过分频、 倍频模块后供给各个模块 ［4，6］ 。 2. 2 FPGA 模块电路设计 FPGA 主要负责插补算法信息的处理 、 脉冲信号的输出、 开关量的输入和输出 、 接收编码器的差分信 号等。 ( 1 ) 差分输入接口电路 U6 为四路差动信号接收器 ， 用来接收编码器输出的差分信号， 将电机的位置信息反馈给 FPGA 。 接口电路如图 5 所示

3 运动控制器软件设计 通过触摸屏 ( HMI ) 发送指令给 STM32 ， STM32 接收到指令后通过动态链表的形式将指令存储于外部存储器; 实时读取存储器 ， 将运动轴的位置信息 、 速度信息返回给触摸屏显示， 同时将指令信息和插补算法数据， 由 FSMC 传到 FPGA 处理 ; 最后由脉冲发生器产生脉冲指令给电机驱动器， 驱动电机转动 。 运动控制器软件设计框图如图 8 所示 。 4 S 形速度规划算法的实现 S 形加减速可充分发挥电机性能 ， 因其在加减速阶段速度曲线呈 S 形而得名 。 令加速度的导数为常 数， 改变其 大 小 ， 可最大限度减小系统冲击 ［10－11］ 。 整个加减速过程由 7 个部分构成 ［12－13］ ， 如图 9 所示 。 图中: l 为运动的位移 ， v 为速度 ， a 为加速度，j 为 加加速度 ， A 表示匀加速阶段的加速度值 ， M 表示匀减速阶段的加速度值， T i ( i = 1 ， 2 ， 3 ，．．．．．．， 7 ) 为各阶段的运行时间， τ i ( i = 1 ， 2 ， 3 ， ．．．．．． ， 7 ) 为以各个起点作为 0 点的时刻 ， t i ( i = 1 ， 2 ， 3 ， ．．．．．． ， 7 ) 为各个过渡点时刻。 实际应用时 ， m 1 ～ m 4 的各阶段 都需要判断减速点 ， 一般情况下 ， 从 0 加速到最大速度和从最大速度减速到 0 所用的时间相同 ， 即 T 1 = T3 、 T 5 = T 7 。

 

结合图 10 所示的流程 ， 算法实现过程如下 : 步骤 1 ， 初始化相关的参数 ， 包括初始速度 、 目标速度 ( 最大运行速度 ) 、 加加速度 j 、 最大加速度 A 。 步骤 2 ， 计算减速距离 d ec ， 将 d ec 与剩余距离 L s 比较， 其中 L s = L e － L c ， L e 表示指定目标位置值 、 L c 表示当前位置值。 步骤 3 ， 若 L s ＞ d ec 则减速 ， 否则加速或者匀 速 ( 此时如果到达最大速度则匀速 ， 未到达则加速 ) 。 步骤 4 ， 根据步骤 3 的判断 ， 重新计算 a v 、 v v 、jv 并输出。 步骤 5 ， 当 L c = L e 时 ， 到达终点 ， 运动停止 ， 否则重复步骤 2～ 5 。

6 结束语 本文作者提出了一种以 STM32 为主控制器 、 FPGA 为辅助控制器的运动控制器设计方案 ， 完成了控制器硬件平台及外围电路设计， 将 S 形加减速控制算法融入到运动控制器中， 有效避免了运动时由于速度突变引起的过冲、 抖动等现象 ， 提高了控制精度 。 对运动控制器进行测试， 结果表明 : 以 STM32+FPGA 为硬件架构的运动控制器实时性好、 可靠性高 ， 能满足工业运动控制的要求。 信迈支持STM+FPGA运动控制器、ethercat总线定制。