廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 欒 偉 易勇帆 王欽若

基于EtherCAT總線的高速高精度多軸伺服運動控制器

廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 欒 偉 易勇帆 王欽若

提出一種基于EtherCAT總線多軸伺服運動控制器。該運動控制器以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完成伺服電機高速高精度的運動控制。該控制器還通過STM32實現(xiàn)了ET1200從站接口、485接口、232接口、AD采樣接口及SPI總線擴展接口等。該控制器具有很強的適用性，既可以用在高速數(shù)控沖床上又可以用在激光切割機中以及其他需要高速高精度定位的數(shù)控設(shè)備上。

EtherCAT；STM32；高速高精度；運動控制器；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、較強的適用性和操作便捷性。當(dāng)前市場上主要的運動控制器有嵌入式控制器和基于PC的控制器。嵌入式器由于運算能力和存儲容量有限，造成升級、擴展困難。本文提出一種上位機為PC機，實時運動控制器為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上完成；生成好的指令再通過EtherCAT實時以太網(wǎng)發(fā)送到運動控制器上執(zhí)行?？刂葡到y(tǒng)具有人機交互性能好、上位機軟件擴展性強、應(yīng)用場合廣、控制器定位速度精度高等優(yōu)點。

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

目前高端市場主要以基于PC的系統(tǒng)為主?；赑C的控制系統(tǒng)又分為兩大類：使用高速現(xiàn)場總線（如EtherCAT或Power-Link）和“PC+運動控制卡”的運動控制系統(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，通訊速率高，發(fā)展前景廣。而PC+運動控制卡式的運動控制系統(tǒng)需要將運動控制卡插入計算機主板，通用的工業(yè)PC機軟硬件不可裁剪，無法降低成本和適應(yīng)特定場合。工業(yè)PC機采用非實時的Windows系統(tǒng)，無法滿足加工需求；PC機容易死機，無法滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。在這種情況下，充分利用PC機作為上位機的易操作性和ARM芯片作為下位機控制芯片的可靠性來設(shè)計本控制系統(tǒng)的架構(gòu)。

通過運行在工控機上的上位機軟件，上位機運行基于PC的QT圖形操作系統(tǒng)，可以設(shè)置運動控制參數(shù)、實時顯示加工進度、系統(tǒng)的運行狀態(tài)。上位機將導(dǎo)入的CAD圖紙讀取后，轉(zhuǎn)化成要加工的點位信息（G代碼）；G代碼通過EtherCAT總線發(fā)送給控制器，控制器收到加工的點位信息后，發(fā)送脈沖/方向控制信號給伺服驅(qū)動器（SC）控制電機（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，緊急停車等）發(fā)送給控制器，起到安全保護的作用。

圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖

3 控制器架構(gòu)設(shè)計

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作為專用的運動控制芯片；主控芯片與專用運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)計圖

4 加減速控制算法設(shè)計

為降低運動控制器在高速點到點之間運動時產(chǎn)生的振動，通過S形加減速算法對伺服電機進行加減速控制，實現(xiàn)高速高精度的點到點定位。

專用運動控制芯片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。

void drive(void) {

//------ X,Y軸S形加減速驅(qū)動 ----

wreg3(0x3, 0x0004) // S形模式

acac(0x3,1010); // K = 1010 ( 加速度 加率 = 619KPPS/SEC2)

acc(0x3,200); // A = 200 (加/減速度 = 250KPPS/SEC)

speed(0x3,4000); // V = 4000 ( 驅(qū)動速度 = 40000PPS)

pulse(0x1,50000); // xP = 50000

pulse(0x2,25000); // yP = 25000

command(0x3,0x21); //－定量脈沖驅(qū)動

wait(0x3);

wreg3(0x3, 0x0000) // S 形加減速模式解除

}

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于EtherCAT總線的高速高精度多軸伺服運動控制器，該控制器采用EtherCAT總線為通訊方式，使用STM32+MCX314為控制核心：一方面EtherCAT總線具有開放程度高、實時性好，技術(shù)成熟；另一方面STM32具有功耗低，性能強，成本低的優(yōu)點，并且 MCX314大大簡化了運動控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和開發(fā)工作，所有實時運動控制可交由運動控制芯片來處理。通過S形加減速算法對伺服電機進行加減速控制，解決了高速高精度的點到點之間的定位問題。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)控沖床運動控制系統(tǒng)上，激光切割機運動控制系統(tǒng)，運行穩(wěn)定且定位速度精度高。

[1]施雨農(nóng),葉春生．基于STM32與MCX314的雙核四軸運動控制器[J]．計算機與數(shù)學(xué)工程,2014,42(3):517-521．

[2]NOVE Inc．MCX314 User’S Manual[M]．Japan:NOVE electronics Press,2011:11-19,108．

[3]趙從富,陳安,胡躍明．基于STM32的點對點運動控制器設(shè)計[J]．計算機測量與控制,2012,20(4):994-1007．

欒偉（1992—），男，湖北荊州人，工學(xué)碩士研究生，現(xiàn)就讀于廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院控制科學(xué)與工程專業(yè)，主要研究方向：現(xiàn)代自動化裝備與控制技術(shù)。

易勇帆（1992—），男，湖北黃岡人，工學(xué)碩士研究生，現(xiàn)就讀于廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院控制科學(xué)與工程專業(yè)，主要研究方向：現(xiàn)代自動化裝備與控制技術(shù)。

王欽若（1958—），男，海南儋縣人，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：機械裝備制造及控制技術(shù)，現(xiàn)代自動化裝備與控制技術(shù)。

項目來源：粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點突破項目“先進數(shù)控裝備和精密注塑設(shè)備”的課題《網(wǎng)絡(luò)化智能型高速數(shù)控板材柔性加工成套設(shè)備》（項目編號：2004A10403019）。