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。