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基於Ether CAT總線的高速高精度多軸（zhóu）伺服運動控製器

2017-11-30 來源：廣（guǎng）東工業大學自動化學院作者：欒偉易（yì）勇帆王（wáng）欽若

【摘要】提出一種基於（yú）Ether CAT總線（xiàn）多軸伺服運動控製器。該運動控製器以STM32F427ZET6為核心完成數（shù）據（jù）通信、路徑規劃及數據處理；采用MCX314完成伺服電機高速高精度的運動（dòng）控製。該（gāi）控製器還（hái）通過STM32實現了ET1200從（cóng）站接口、485接口（kǒu）、232接口、AD采樣（yàng）接口及SPI總線擴展接口等。該控製器具有很強的適用性，既可以用在高速數控衝床上又可以用在激光切割機中以及其（qí）他需要高速高精度定位（wèi）的數控設備上。

【關鍵詞（cí）】Ether CAT；STM32；高速高精度（dù）；運動控製器；數控係統

1 、引言

現代數控係統要求高速高精度定位、較強的適用性和操作便捷性。當前市場上主要的運動控（kòng）製器有嵌入式控製器和（hé）基於PC的控製器。嵌入式（shì）器由於運算能力和存儲容量（liàng）有限，造成升級、擴展困難。本文提出一種上位機（jī）為PC機，實時運（yùn）動控製器為STM32和MCX314的控製係統架構。將CAD文件（jiàn）的導入，G代（dài）碼解釋，加工路（lù）徑生成等放在上位機上完成；生成好的指（zhǐ）令再通過Ether CAT實時以太網發送到運動控製器上執行。控製係統具有人機交互性能好、上位機軟件擴展性強、應用場合廣、控製器定位速度精度（dù）高等優點。

2 、控製係統架構設（shè）計

目前高端市場主要以基於PC的係統為主。基於PC的控製係統又（yòu）分為（wéi）兩大類：使用高速（sù）現場總線（如Ether CAT或Power-Link）和“PC+運（yùn）動控製卡”的運動控製係統。使用高速現場（chǎng）總（zǒng）線的控製器，總線協議開放，通用（yòng）性強，通訊速率高，發展（zhǎn）前景廣。而PC+運動（dòng）控（kòng）製卡式的運（yùn）動控製係統需要將運動控製卡插入計算（suàn）機主（zhǔ）板，通用的工業PC機軟硬件不可裁剪，無法降低成本和適（shì）應特定場合。工業PC機采用非實時的Windows係統（tǒng），無法滿（mǎn）足加工需求；PC機容易死機，無法滿足工業現場的要求。在這種情況（kuàng）下，充分利用PC機作（zuò）為上位機的（de）易操作性和ARM芯片作為下位機控（kòng）製芯片（piàn）的可靠性來設計本控製係統（tǒng）的架構。通過運行在（zài）工控機上（shàng）的上位機軟件，上位機運行基於PC的QT圖形操作係統，可以設置運動控製（zhì）參數、實時顯（xiǎn）示加工進度、係統的運行（háng）狀態。上位機將導入的CAD圖紙讀取後，轉化成要加（jiā）工（gōng）的點位信息（G代碼）；G代碼通過Ether CAT總線發送給控製器，控製器（qì）收到加工的（de）點位信（xìn）息後，發送脈衝/方向控製信號給伺服驅動（dòng）器（SC）控製電機（SM）走相應的規劃軌跡。

32路的I/O將采集的開關信號（hào）（如限位，安全防護，緊急停車等）發送給控製（zhì）器，起到安全保護的作用。

圖1 控製係統架構設計圖（tú）

3 、控製器架構設計

控製器架構由主板和接（jiē）口板組成，主板上主要有STM32F427作為主控芯片，MCX314和MCX501作為專用的運動控製芯片；主控芯片與專（zhuān）用運動控製（zhì）芯片之間通過FSMC總線連接，對其讀寫命令和數據。主控（kòng）板和接口板通過（guò）接插件進行（háng）連接。接口板上主要分布ET1200從站通訊（xùn）模塊電路，電源轉換模塊電路，信號隔離模塊電路（高速磁耦隔離和（hé）低速光耦隔（gé）離），AD7606采樣模塊電路，232/485通訊模（mó）塊電路等。

圖2 控製器架構（gòu）設計圖

4、加減速控製算法設計

為降低運動控製器在高速點到（dào）點之（zhī）間運動時產生的振動，通過S形加減速算法對（duì）伺服電機進行（háng）加減速控製，實現高速高精（jīng）度的點到點定位。專用運動控製芯片（piàn）MCX314可以便捷地通過配置寄存器參數來生成需要的S形加減速曲線。例如，通過模式設定，將MCX314的WR3寄存器D2~D0位置為（wéi）0,0,1即可設置為對稱S形加減（jiǎn）速驅動（範例程序如下）；S形加減速驅動參數可設定加速度（dù）增加率（lǜ）JK，加速度（dù）AC，初速度SV，驅動速（sù）度DV，移動脈衝數TP。

5 、結語

本文（wén）設計了（le）一種（zhǒng）基於Ether CAT總線的高（gāo）速高精度多軸伺服運動控製器，該控製（zhì）器采用Ether CAT總線為通訊方式，使用STM32+MCX314為控製核心：一方麵Ether CAT總線具（jù）有開放程度高、實時性好，技（jì）術成熟（shú）；另一方麵STM32具有功耗（hào）低，性能強，成本低的優點，並且 MCX314大大簡化了運動控製係統的軟（ruǎn）硬件結構和開發（fā）工作，所有實時運動控製（zhì）可交由運（yùn）動控製芯片（piàn）來處理。通過（guò）S形加減速算法對伺服（fú）電機進行加（jiā）減速控製，解決了高速高精度的點到點之間的（de）定位問題。該控（kòng）製器已經做出（chū）了產品並小批量量產，目前（qián）主要配套用（yòng）在數控衝（chōng）床運動控製係統上，激光切割機運動控製係統，運行穩定且定位速度精度高。

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