曹春臣+何強(qiáng)+孫來(lái)業(yè)

摘 要 本文介紹了一種基于STM32與CPLD的雙軸運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器采用32位微控制器STM32f103VET6完成粗插補(bǔ)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示及數(shù)據(jù)通信；采用高速的CPLD完成精確插補(bǔ)及電機(jī)的高速與高精度控制。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明此控制器控制精度高、速度快、運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，能滿足大多數(shù)雙軸聯(lián)動(dòng)控制場(chǎng)合的需求。

關(guān)鍵詞 插補(bǔ)算法；運(yùn)動(dòng)控制；STM32；CPLD

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）20-0009-02

運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)從單片機(jī)或?qū)Ｓ眯酒ˋSIC）作為核心處理器，發(fā)展到了以DSP/ARM和FPGA作為核心處理器的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。高速、高精度始終是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)追求的目標(biāo)。充分利用高速處理器的計(jì)算能力，進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)多軸插補(bǔ)、誤差補(bǔ)償，使得運(yùn)動(dòng)控制精度更高、速度更快、運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。根據(jù)應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)出智能化的運(yùn)動(dòng)控制器將成為市場(chǎng)應(yīng)用的新方向。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本控制器以ST公司的STM32f103VET6芯片和Altera公司的CPLD芯片EPM570T100為控制核心。利用STM32運(yùn)算速度快處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)粗插補(bǔ)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示及數(shù)據(jù)通信；利用CPLD較強(qiáng)的邏輯處理能力，實(shí)現(xiàn)精確插補(bǔ)及電機(jī)的高速與高精度控制。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

STM32通過(guò)MAX232接口接收上位機(jī)控制指令，或以鍵盤輸入的方式輸入圖形輪廓數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行相關(guān)的算法處理，將計(jì)算所得到的初插補(bǔ)參數(shù)傳送到CPLD，由CPLD進(jìn)行精插補(bǔ)，產(chǎn)生控制兩軸聯(lián)動(dòng)的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）STM32模塊。

STM32F103VET6為32位微控制器，芯片主頻為72 MHz，具有512KBFlash、64KB的SRAM內(nèi)存，支持USB接口、網(wǎng)口、串口等外設(shè)，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供豐富的外圍接口資源支持。

STM32部分需完成接收上位機(jī)的控制指令、按鍵輸入輪廓數(shù)據(jù)、完成粗插補(bǔ)算法，顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，與CPLD通信等功能。所以STM32芯片的外圍電路有LCD顯示模塊，矩陣鍵盤模塊，串口模塊。

2）CPLD模塊。

CPLD模塊的功能主要通過(guò)硬件語(yǔ)言Verilog來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPLD負(fù)責(zé)與STM32通信，并根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖均勻化處理，產(chǎn)生兩軸方向與脈沖控制信號(hào)，最終驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。設(shè)計(jì)的CPLD內(nèi)部架構(gòu)圖如圖2所示。主要由三個(gè)模塊組成：①與STM32通信模塊：包括8*10數(shù)據(jù)寄存器與命令接口；②參數(shù)運(yùn)算寄存器與數(shù)據(jù)控制模塊；③脈沖均勻化處理模塊。

圖2 CPLD內(nèi)部架構(gòu)圖

3）其他電路模塊。

系統(tǒng)其他模塊還有上位機(jī)通信模塊、電源模塊等。由于此控制器采用+5 V供電，而STM32F103VET6芯片、EPM570T100芯片、LCD顯示模塊需要3.3 V電壓供電，因此用LM1117系列芯片轉(zhuǎn)換產(chǎn)生3.3 V電源。通信模塊使用MAX3232電平轉(zhuǎn)換與上位機(jī)通信，通過(guò)串口接收上位機(jī)指令，對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）粗插補(bǔ)算法在STM32中的實(shí)現(xiàn)。

①插補(bǔ)原理。插補(bǔ)算法有很多，根據(jù)微處理器的本身特點(diǎn)，這里采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法。用一系列首尾相連的微小線段來(lái)逼近給定輪廓。每經(jīng)過(guò)一個(gè)插補(bǔ)周期就進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算，求出插補(bǔ)周期內(nèi)各個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)給量，得出下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的指令

位置[1]。

②直線插補(bǔ)的算法實(shí)現(xiàn)。設(shè)插補(bǔ)周期T、輸入進(jìn)給速度為F、加速度為a、當(dāng)前速度為Vi、終點(diǎn)坐標(biāo)為（Xe，Ye）?？傻妹總€(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給步長(zhǎng)△L=ViT，所需運(yùn)動(dòng)的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=，X軸和Y軸的位移增量為△x=△L Xe / L，△y=△L Ye / L。插補(bǔ)第i點(diǎn)的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為X=X+△x；Y=Y+△y。

由此，可以設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)采樣直線插補(bǔ)軟件流程圖，如圖3所示。

圖3 直線插補(bǔ)軟件流程圖

③圓弧插補(bǔ)。要進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，需要先根據(jù)指令中的進(jìn)給速度F，計(jì)算出輪廓步長(zhǎng)L，再進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算。以弦線逼近圓弧，就是以輪廓步長(zhǎng)為圓弧長(zhǎng)相鄰兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)之間的弦長(zhǎng)，由前一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和輪廓步長(zhǎng)，計(jì)算后一插補(bǔ)點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上是求后一插補(bǔ)點(diǎn)到前一插補(bǔ)點(diǎn)兩個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給量△X，△Y。設(shè)S（X，Y）為當(dāng)前點(diǎn)，E（X，Y）為插補(bǔ)后到達(dá)的點(diǎn)，進(jìn)給速度為F，圓半徑為R，則一個(gè)插補(bǔ)周期步長(zhǎng)△L=F*T，由幾何關(guān)系可得，X、Y軸進(jìn)給量為：

△X =

△Y =

其中，令m=、n=，則上式可以化簡(jiǎn)為：

△X=m Y-n X，△Y=m X+n Y

故插補(bǔ)后到達(dá)的點(diǎn)E的坐標(biāo)為X= X+△X，Y= Y-△Y[2]。

由此，可以設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)軟件流程圖，如圖4所示。

圖4 圓插補(bǔ)軟件流程圖

2）STM32與CPLD的通信實(shí)現(xiàn)。

STM32與CPLD的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議時(shí)序圖5所示，

圖5 數(shù)據(jù)通信時(shí)序圖

STM32和CPLD通過(guò)10位數(shù)據(jù)總線data進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由start，EN，clock信號(hào)進(jìn)行命令控制。CPLD每4ms在 start信號(hào)線上產(chǎn)生一個(gè)正脈沖作為STM32中斷信號(hào)，STM32在中斷程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和下一插補(bǔ)周期數(shù)據(jù)計(jì)算。通過(guò)使能信號(hào)EN、時(shí)鐘信號(hào)Clock對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。

3）精插補(bǔ)算法在CPLD中的實(shí)現(xiàn)。

由于在4 ms粗插補(bǔ)周期中各進(jìn)給軸的進(jìn)給量在不斷變化，要保證電機(jī)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，必須使各插補(bǔ)周期中輸出脈沖均勻化。為此我們提出一種簡(jiǎn)單有效的脈沖均勻化插補(bǔ)算法。

設(shè)每個(gè)插補(bǔ)周期T內(nèi)所需要輸出的脈沖數(shù)為X，在插補(bǔ)周期T內(nèi)，CPLD時(shí)鐘產(chǎn)生的脈沖總數(shù)為F，F(xiàn)與X具有以下關(guān)系：

F=A*X+B=A（X–B） + （A+1）B （1）

其中A為F/X的商，B為F/X的余數(shù)。

所代表的物理含義是以CPLD時(shí)鐘為基準(zhǔn)，先以每隔A個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖，共輸出X-B個(gè)脈沖，然后以每隔A+1 個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖，共輸出B個(gè)脈沖。這樣，就完成了在插補(bǔ)周期T內(nèi)，均勻輸出X個(gè)脈沖的任務(wù)。

實(shí)際研究中，設(shè)定插補(bǔ)周期為4 ms與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間一樣，保持在數(shù)據(jù)接收與運(yùn)動(dòng)控制上的一致性。運(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng)時(shí)鐘為500 kHz。在一個(gè)插補(bǔ)周期T=4 ms中，系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖數(shù)F=2000。

在Quartues II9.0中的仿真圖如圖6所示。

圖6 精插補(bǔ)輸出脈沖仿真圖

經(jīng)過(guò)測(cè)試，輸出進(jìn)給脈沖的速率能穩(wěn)步上升至250 kHz。

參考文獻(xiàn)

[1]劉軍.數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京大學(xué)出版社，2013.

[2]李莉.數(shù)控系統(tǒng)中圓弧插補(bǔ)算法的改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009（7）.

[3]王廣炎.張潤(rùn)孝脈沖均勻化查補(bǔ)方法[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2000（3）.endprint

摘 要 本文介紹了一種基于STM32與CPLD的雙軸運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器采用32位微控制器STM32f103VET6完成粗插補(bǔ)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示及數(shù)據(jù)通信；采用高速的CPLD完成精確插補(bǔ)及電機(jī)的高速與高精度控制。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明此控制器控制精度高、速度快、運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，能滿足大多數(shù)雙軸聯(lián)動(dòng)控制場(chǎng)合的需求。

關(guān)鍵詞 插補(bǔ)算法；運(yùn)動(dòng)控制；STM32；CPLD

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）20-0009-02

運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)從單片機(jī)或?qū)Ｓ眯酒ˋSIC）作為核心處理器，發(fā)展到了以DSP/ARM和FPGA作為核心處理器的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。高速、高精度始終是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)追求的目標(biāo)。充分利用高速處理器的計(jì)算能力，進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)多軸插補(bǔ)、誤差補(bǔ)償，使得運(yùn)動(dòng)控制精度更高、速度更快、運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。根據(jù)應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)出智能化的運(yùn)動(dòng)控制器將成為市場(chǎng)應(yīng)用的新方向。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本控制器以ST公司的STM32f103VET6芯片和Altera公司的CPLD芯片EPM570T100為控制核心。利用STM32運(yùn)算速度快處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)粗插補(bǔ)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示及數(shù)據(jù)通信；利用CPLD較強(qiáng)的邏輯處理能力，實(shí)現(xiàn)精確插補(bǔ)及電機(jī)的高速與高精度控制。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

STM32通過(guò)MAX232接口接收上位機(jī)控制指令，或以鍵盤輸入的方式輸入圖形輪廓數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行相關(guān)的算法處理，將計(jì)算所得到的初插補(bǔ)參數(shù)傳送到CPLD，由CPLD進(jìn)行精插補(bǔ)，產(chǎn)生控制兩軸聯(lián)動(dòng)的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）STM32模塊。

STM32F103VET6為32位微控制器，芯片主頻為72 MHz，具有512KBFlash、64KB的SRAM內(nèi)存，支持USB接口、網(wǎng)口、串口等外設(shè)，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供豐富的外圍接口資源支持。

STM32部分需完成接收上位機(jī)的控制指令、按鍵輸入輪廓數(shù)據(jù)、完成粗插補(bǔ)算法，顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，與CPLD通信等功能。所以STM32芯片的外圍電路有LCD顯示模塊，矩陣鍵盤模塊，串口模塊。

2）CPLD模塊。

CPLD模塊的功能主要通過(guò)硬件語(yǔ)言Verilog來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPLD負(fù)責(zé)與STM32通信，并根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖均勻化處理，產(chǎn)生兩軸方向與脈沖控制信號(hào)，最終驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。設(shè)計(jì)的CPLD內(nèi)部架構(gòu)圖如圖2所示。主要由三個(gè)模塊組成：①與STM32通信模塊：包括8*10數(shù)據(jù)寄存器與命令接口；②參數(shù)運(yùn)算寄存器與數(shù)據(jù)控制模塊；③脈沖均勻化處理模塊。

圖2 CPLD內(nèi)部架構(gòu)圖

3）其他電路模塊。

系統(tǒng)其他模塊還有上位機(jī)通信模塊、電源模塊等。由于此控制器采用+5 V供電，而STM32F103VET6芯片、EPM570T100芯片、LCD顯示模塊需要3.3 V電壓供電，因此用LM1117系列芯片轉(zhuǎn)換產(chǎn)生3.3 V電源。通信模塊使用MAX3232電平轉(zhuǎn)換與上位機(jī)通信，通過(guò)串口接收上位機(jī)指令，對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）粗插補(bǔ)算法在STM32中的實(shí)現(xiàn)。

①插補(bǔ)原理。插補(bǔ)算法有很多，根據(jù)微處理器的本身特點(diǎn)，這里采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法。用一系列首尾相連的微小線段來(lái)逼近給定輪廓。每經(jīng)過(guò)一個(gè)插補(bǔ)周期就進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算，求出插補(bǔ)周期內(nèi)各個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)給量，得出下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的指令

位置[1]。

②直線插補(bǔ)的算法實(shí)現(xiàn)。設(shè)插補(bǔ)周期T、輸入進(jìn)給速度為F、加速度為a、當(dāng)前速度為Vi、終點(diǎn)坐標(biāo)為（Xe，Ye）。可得每個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給步長(zhǎng)△L=ViT，所需運(yùn)動(dòng)的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=，X軸和Y軸的位移增量為△x=△L Xe / L，△y=△L Ye / L。插補(bǔ)第i點(diǎn)的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為X=X+△x；Y=Y+△y。

由此，可以設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)采樣直線插補(bǔ)軟件流程圖，如圖3所示。

圖3 直線插補(bǔ)軟件流程圖

③圓弧插補(bǔ)。要進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，需要先根據(jù)指令中的進(jìn)給速度F，計(jì)算出輪廓步長(zhǎng)L，再進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算。以弦線逼近圓弧，就是以輪廓步長(zhǎng)為圓弧長(zhǎng)相鄰兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)之間的弦長(zhǎng)，由前一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和輪廓步長(zhǎng)，計(jì)算后一插補(bǔ)點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上是求后一插補(bǔ)點(diǎn)到前一插補(bǔ)點(diǎn)兩個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給量△X，△Y。設(shè)S（X，Y）為當(dāng)前點(diǎn)，E（X，Y）為插補(bǔ)后到達(dá)的點(diǎn)，進(jìn)給速度為F，圓半徑為R，則一個(gè)插補(bǔ)周期步長(zhǎng)△L=F*T，由幾何關(guān)系可得，X、Y軸進(jìn)給量為：

△X =

△Y =

其中，令m=、n=，則上式可以化簡(jiǎn)為：

△X=m Y-n X，△Y=m X+n Y

故插補(bǔ)后到達(dá)的點(diǎn)E的坐標(biāo)為X= X+△X，Y= Y-△Y[2]。

由此，可以設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)軟件流程圖，如圖4所示。

圖4 圓插補(bǔ)軟件流程圖

2）STM32與CPLD的通信實(shí)現(xiàn)。

STM32與CPLD的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議時(shí)序圖5所示，

圖5 數(shù)據(jù)通信時(shí)序圖

STM32和CPLD通過(guò)10位數(shù)據(jù)總線data進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由start，EN，clock信號(hào)進(jìn)行命令控制。CPLD每4ms在 start信號(hào)線上產(chǎn)生一個(gè)正脈沖作為STM32中斷信號(hào)，STM32在中斷程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和下一插補(bǔ)周期數(shù)據(jù)計(jì)算。通過(guò)使能信號(hào)EN、時(shí)鐘信號(hào)Clock對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。

3）精插補(bǔ)算法在CPLD中的實(shí)現(xiàn)。

由于在4 ms粗插補(bǔ)周期中各進(jìn)給軸的進(jìn)給量在不斷變化，要保證電機(jī)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，必須使各插補(bǔ)周期中輸出脈沖均勻化。為此我們提出一種簡(jiǎn)單有效的脈沖均勻化插補(bǔ)算法。

設(shè)每個(gè)插補(bǔ)周期T內(nèi)所需要輸出的脈沖數(shù)為X，在插補(bǔ)周期T內(nèi)，CPLD時(shí)鐘產(chǎn)生的脈沖總數(shù)為F，F(xiàn)與X具有以下關(guān)系：

F=A*X+B=A（X–B） + （A+1）B （1）

其中A為F/X的商，B為F/X的余數(shù)。

所代表的物理含義是以CPLD時(shí)鐘為基準(zhǔn)，先以每隔A個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖，共輸出X-B個(gè)脈沖，然后以每隔A+1 個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖，共輸出B個(gè)脈沖。這樣，就完成了在插補(bǔ)周期T內(nèi)，均勻輸出X個(gè)脈沖的任務(wù)。

實(shí)際研究中，設(shè)定插補(bǔ)周期為4 ms與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間一樣，保持在數(shù)據(jù)接收與運(yùn)動(dòng)控制上的一致性。運(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng)時(shí)鐘為500 kHz。在一個(gè)插補(bǔ)周期T=4 ms中，系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖數(shù)F=2000。

在Quartues II9.0中的仿真圖如圖6所示。

圖6 精插補(bǔ)輸出脈沖仿真圖

經(jīng)過(guò)測(cè)試，輸出進(jìn)給脈沖的速率能穩(wěn)步上升至250 kHz。

參考文獻(xiàn)

[1]劉軍.數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京大學(xué)出版社，2013.

[2]李莉.數(shù)控系統(tǒng)中圓弧插補(bǔ)算法的改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009（7）.

[3]王廣炎.張潤(rùn)孝脈沖均勻化查補(bǔ)方法[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2000（3）.endprint

摘 要 本文介紹了一種基于STM32與CPLD的雙軸運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器采用32位微控制器STM32f103VET6完成粗插補(bǔ)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示及數(shù)據(jù)通信；采用高速的CPLD完成精確插補(bǔ)及電機(jī)的高速與高精度控制。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明此控制器控制精度高、速度快、運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，能滿足大多數(shù)雙軸聯(lián)動(dòng)控制場(chǎng)合的需求。

關(guān)鍵詞 插補(bǔ)算法；運(yùn)動(dòng)控制；STM32；CPLD

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）20-0009-02

運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)從單片機(jī)或?qū)Ｓ眯酒ˋSIC）作為核心處理器，發(fā)展到了以DSP/ARM和FPGA作為核心處理器的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。高速、高精度始終是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)追求的目標(biāo)。充分利用高速處理器的計(jì)算能力，進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)多軸插補(bǔ)、誤差補(bǔ)償，使得運(yùn)動(dòng)控制精度更高、速度更快、運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。根據(jù)應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)出智能化的運(yùn)動(dòng)控制器將成為市場(chǎng)應(yīng)用的新方向。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本控制器以ST公司的STM32f103VET6芯片和Altera公司的CPLD芯片EPM570T100為控制核心。利用STM32運(yùn)算速度快處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)粗插補(bǔ)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示及數(shù)據(jù)通信；利用CPLD較強(qiáng)的邏輯處理能力，實(shí)現(xiàn)精確插補(bǔ)及電機(jī)的高速與高精度控制。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

STM32通過(guò)MAX232接口接收上位機(jī)控制指令，或以鍵盤輸入的方式輸入圖形輪廓數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行相關(guān)的算法處理，將計(jì)算所得到的初插補(bǔ)參數(shù)傳送到CPLD，由CPLD進(jìn)行精插補(bǔ)，產(chǎn)生控制兩軸聯(lián)動(dòng)的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）STM32模塊。

STM32F103VET6為32位微控制器，芯片主頻為72 MHz，具有512KBFlash、64KB的SRAM內(nèi)存，支持USB接口、網(wǎng)口、串口等外設(shè)，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供豐富的外圍接口資源支持。

STM32部分需完成接收上位機(jī)的控制指令、按鍵輸入輪廓數(shù)據(jù)、完成粗插補(bǔ)算法，顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，與CPLD通信等功能。所以STM32芯片的外圍電路有LCD顯示模塊，矩陣鍵盤模塊，串口模塊。

2）CPLD模塊。

CPLD模塊的功能主要通過(guò)硬件語(yǔ)言Verilog來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPLD負(fù)責(zé)與STM32通信，并根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖均勻化處理，產(chǎn)生兩軸方向與脈沖控制信號(hào)，最終驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。設(shè)計(jì)的CPLD內(nèi)部架構(gòu)圖如圖2所示。主要由三個(gè)模塊組成：①與STM32通信模塊：包括8*10數(shù)據(jù)寄存器與命令接口；②參數(shù)運(yùn)算寄存器與數(shù)據(jù)控制模塊；③脈沖均勻化處理模塊。

圖2 CPLD內(nèi)部架構(gòu)圖

3）其他電路模塊。

系統(tǒng)其他模塊還有上位機(jī)通信模塊、電源模塊等。由于此控制器采用+5 V供電，而STM32F103VET6芯片、EPM570T100芯片、LCD顯示模塊需要3.3 V電壓供電，因此用LM1117系列芯片轉(zhuǎn)換產(chǎn)生3.3 V電源。通信模塊使用MAX3232電平轉(zhuǎn)換與上位機(jī)通信，通過(guò)串口接收上位機(jī)指令，對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）粗插補(bǔ)算法在STM32中的實(shí)現(xiàn)。

①插補(bǔ)原理。插補(bǔ)算法有很多，根據(jù)微處理器的本身特點(diǎn)，這里采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法。用一系列首尾相連的微小線段來(lái)逼近給定輪廓。每經(jīng)過(guò)一個(gè)插補(bǔ)周期就進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算，求出插補(bǔ)周期內(nèi)各個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)給量，得出下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的指令

位置[1]。

②直線插補(bǔ)的算法實(shí)現(xiàn)。設(shè)插補(bǔ)周期T、輸入進(jìn)給速度為F、加速度為a、當(dāng)前速度為Vi、終點(diǎn)坐標(biāo)為（Xe，Ye）?？傻妹總€(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給步長(zhǎng)△L=ViT，所需運(yùn)動(dòng)的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=，X軸和Y軸的位移增量為△x=△L Xe / L，△y=△L Ye / L。插補(bǔ)第i點(diǎn)的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為X=X+△x；Y=Y+△y。

由此，可以設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)采樣直線插補(bǔ)軟件流程圖，如圖3所示。

圖3 直線插補(bǔ)軟件流程圖

③圓弧插補(bǔ)。要進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，需要先根據(jù)指令中的進(jìn)給速度F，計(jì)算出輪廓步長(zhǎng)L，再進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算。以弦線逼近圓弧，就是以輪廓步長(zhǎng)為圓弧長(zhǎng)相鄰兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)之間的弦長(zhǎng)，由前一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和輪廓步長(zhǎng)，計(jì)算后一插補(bǔ)點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上是求后一插補(bǔ)點(diǎn)到前一插補(bǔ)點(diǎn)兩個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給量△X，△Y。設(shè)S（X，Y）為當(dāng)前點(diǎn)，E（X，Y）為插補(bǔ)后到達(dá)的點(diǎn)，進(jìn)給速度為F，圓半徑為R，則一個(gè)插補(bǔ)周期步長(zhǎng)△L=F*T，由幾何關(guān)系可得，X、Y軸進(jìn)給量為：

△X =

△Y =

其中，令m=、n=，則上式可以化簡(jiǎn)為：

△X=m Y-n X，△Y=m X+n Y

故插補(bǔ)后到達(dá)的點(diǎn)E的坐標(biāo)為X= X+△X，Y= Y-△Y[2]。

由此，可以設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)軟件流程圖，如圖4所示。

圖4 圓插補(bǔ)軟件流程圖

2）STM32與CPLD的通信實(shí)現(xiàn)。

STM32與CPLD的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議時(shí)序圖5所示，

圖5 數(shù)據(jù)通信時(shí)序圖

STM32和CPLD通過(guò)10位數(shù)據(jù)總線data進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由start，EN，clock信號(hào)進(jìn)行命令控制。CPLD每4ms在 start信號(hào)線上產(chǎn)生一個(gè)正脈沖作為STM32中斷信號(hào)，STM32在中斷程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和下一插補(bǔ)周期數(shù)據(jù)計(jì)算。通過(guò)使能信號(hào)EN、時(shí)鐘信號(hào)Clock對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。

3）精插補(bǔ)算法在CPLD中的實(shí)現(xiàn)。

由于在4 ms粗插補(bǔ)周期中各進(jìn)給軸的進(jìn)給量在不斷變化，要保證電機(jī)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，必須使各插補(bǔ)周期中輸出脈沖均勻化。為此我們提出一種簡(jiǎn)單有效的脈沖均勻化插補(bǔ)算法。

設(shè)每個(gè)插補(bǔ)周期T內(nèi)所需要輸出的脈沖數(shù)為X，在插補(bǔ)周期T內(nèi)，CPLD時(shí)鐘產(chǎn)生的脈沖總數(shù)為F，F(xiàn)與X具有以下關(guān)系：

F=A*X+B=A（X–B） + （A+1）B （1）

其中A為F/X的商，B為F/X的余數(shù)。

所代表的物理含義是以CPLD時(shí)鐘為基準(zhǔn)，先以每隔A個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖，共輸出X-B個(gè)脈沖，然后以每隔A+1 個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖，共輸出B個(gè)脈沖。這樣，就完成了在插補(bǔ)周期T內(nèi)，均勻輸出X個(gè)脈沖的任務(wù)。

實(shí)際研究中，設(shè)定插補(bǔ)周期為4 ms與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間一樣，保持在數(shù)據(jù)接收與運(yùn)動(dòng)控制上的一致性。運(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng)時(shí)鐘為500 kHz。在一個(gè)插補(bǔ)周期T=4 ms中，系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖數(shù)F=2000。

在Quartues II9.0中的仿真圖如圖6所示。

圖6 精插補(bǔ)輸出脈沖仿真圖

經(jīng)過(guò)測(cè)試，輸出進(jìn)給脈沖的速率能穩(wěn)步上升至250 kHz。

參考文獻(xiàn)

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