代码收藏家技术教程 2023-02-26

基于STM32 FPGA的多轴运动控制器的设计研究

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
。

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。