基于EtherCAT總線的高速高精度多軸伺服運動控制器

廣東工業大學自動化學院 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

廣東工業大學自動化學院 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為核心完成數據通信、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控制。該控制器還通過STM32實現了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控設備上。

EtherCAT；STM32；高速高精度；運動控制器；數控系統

1 引言

現代數控系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的控制系統架構。將CAD文件的導入，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實時以太網發送到運動控制器上執行。控制系統具有人機交互性能好、上位機軟件擴展性強、應用場合廣、控制器定位速度精度高等優點。

2 控制系統架構設計

目前高端市場主要以基于PC的系統為主。基于PC的控制系統又分為兩大類：使用高速現場總線（如EtherCAT或Power-Link）和“PC+運動控制卡”的運動控制系統。使用高速現場總線的控制器，總線協議開放，通用性強，通訊速率高，發展前景廣。而PC+運動控制卡式的運動控制系統需要將運動控制卡插入計算機主板，通用的工業PC機軟硬件不可裁剪，無法降低成本和適應特定場合。工業PC機采用非實時的Windows系統，無法滿足加工需求；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計本控制系統的架構。

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，可以設置運動控制參數、實時顯示加工進度、系統的運行狀態。上位機將導入的CAD圖紙讀取后，轉化成要加工的點位信息（G代碼）；G代碼通過EtherCAT總線發送給控制器，控制器收到加工的點位信息后，發送脈沖/方向控制信號給伺服驅動器（SC）控制電機（SM）走相應的規劃軌跡。32路的I/O將采集的開關信號（如限位，安全防護，緊急停車等）發送給控制器，起到安全保護的作用。

圖1 控制系統架構設計圖

3 控制器架構設計

控制器架構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，對其讀寫命令和數據。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 控制器架構設計圖

4 加減速控制算法設計

為降低運動控制器在高速點到點之間運動時產生的振動，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0,0,1即可設置為對稱S形加減速驅動（范例程序如下）；S形加減速驅動參數可設定加速度增加率JK，加速度AC，初速度SV，驅動速度DV，移動脈沖數TP。

void drive(void) {

//------ X,Y軸S形加減速驅動 ----

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 ( 驅動速度 = 40000PPS)

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

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

command(0x3,0x21); //－定量脈沖驅動

wait(0x3);

wreg3(0x3, 0x0000) // S 形加減速模式解除

}

5 結語

本文設計了一種基于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，技術成熟；另一方面STM32具有功耗低，性能強，成本低的優點，并且 MCX314大大簡化了運動控制系統的軟硬件結構和開發工作，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。該控制器已經做出了產品并小批量量產，目前主要配套用在數控沖床運動控制系統上，激光切割機運動控制系統，運行穩定且定位速度精度高。

[1]施雨農,葉春生．基于STM32與MCX314的雙核四軸運動控制器[J]．計算機與數學工程,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，工學碩士研究生，現就讀于廣東工業大學自動化學院控制科學與工程專業，主要研究方向：現代自動化裝備與控制技術。

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

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

項目來源：粵港關鍵領域重點突破項目“先進數控裝備和精密注塑設備”的課題《網絡化智能型高速數控板材柔性加工成套設備》（項目編號：2004A10403019）。