周國(guó)維 周小明

【摘?要】以STM32F103作為系統(tǒng)控制板，TC6014芯片作為運(yùn)動(dòng)控制核心而研究設(shè)計(jì)的一種多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。可實(shí)現(xiàn)S型加減速運(yùn)動(dòng)控制，T型加減速運(yùn)動(dòng)控制以及插補(bǔ)算法畫圓，不但具有較高性能，而且開發(fā)周期短，能滿足用戶對(duì)多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的多樣性控制。

【關(guān)鍵詞】運(yùn)動(dòng)控制芯片TC6014;STM32;多軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)

引言

隨著社會(huì)生產(chǎn)需求多元化的發(fā)展，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求也在不斷改變，例如小型化，低成本，短時(shí)加工這些需求?；赑C平臺(tái)的傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器有著高能耗，高成本，大型化等缺點(diǎn)，難以滿足新的需求。

隨著嵌入式在不斷的發(fā)展，ARM微處理器低成本，低功耗，高性能的優(yōu)點(diǎn)讓其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，但以單片機(jī)等微處理器作為控制核心的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)速度慢，精度低等缺點(diǎn)。

為了滿足精密制造對(duì)移植性強(qiáng)，低成本的通用性多軸數(shù)控運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的需求，本文提出一種結(jié)合ARM內(nèi)核與TC6014運(yùn)動(dòng)控制芯片的多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可廣泛應(yīng)用在雕刻機(jī)，貼片機(jī)等數(shù)控加工領(lǐng)域。

1控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要的硬件包括ARM主控制器，運(yùn)動(dòng)芯片，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

1.1MCU與TC6014芯片

硬件電路的主控芯片采用ST公司的32位處理器STM32F103ET6，該處理器內(nèi)部集成了512KB的Flash存儲(chǔ)器和64k的RAM，CPU運(yùn)行速度最高可達(dá)72M頻率，因?yàn)槠涞统杀?，低功耗，開發(fā)方便，被廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

運(yùn)動(dòng)控制核心部分選用國(guó)內(nèi)微芯公司設(shè)計(jì)的一塊性能強(qiáng)大的國(guó)產(chǎn)運(yùn)動(dòng)控制芯片TC6014。該芯片能以多種脈沖輸出控制，包括勻速，S型曲線加減速，T型曲線加減速等輸出控制，以及支持任意兩到三軸的圓弧插補(bǔ)控制。

STM32F103用來存放系統(tǒng)參數(shù)，操作系統(tǒng)代碼和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制程序，可以通過串口和CAN總線與PC通信，得到并處理控制命令和插補(bǔ)參數(shù)。TC6014根據(jù)STM32F103發(fā)過來的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，輸出步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，控制電機(jī)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)或插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，倆者之間通過總線方式（FSMC）連接。

1.2步進(jìn)電機(jī)接口

為了防止工業(yè)生產(chǎn)中復(fù)雜極端的外界環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，需要加上光耦隔離電路作為抗干擾硬件電路。借助光耦隔離器進(jìn)行信號(hào)隔離，使夾雜在芯片輸出電壓變化的干擾量無法達(dá)到光耦隔離的另一側(cè)，起到了抗干擾的保護(hù)主要。X_OUT0引腳連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)A+，A-，B+，B-，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

1.3多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

為了達(dá)到多軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)平穩(wěn)，快速，定位精準(zhǔn)的要求，模型結(jié)構(gòu)采用的是兩自由度的H型雙邊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，通過控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器操縱相連的機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)而完成所預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

傳動(dòng)部件采用經(jīng)典的直線導(dǎo)軌方案，具有傳動(dòng)速度快、傳動(dòng)精度高、故障率低、運(yùn)行穩(wěn)定、噪音較低和抖動(dòng)少等優(yōu)點(diǎn)，符合本文所需的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

TC6014是通過STM32F103通過總線往寄存器賦值來操作，把運(yùn)動(dòng)參數(shù)和命令寫入運(yùn)動(dòng)控制芯片TC6014，TC6014再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

以運(yùn)行兩軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)為例，首先在初始化程序中完成對(duì)STM32的所需GPIO口的配置，然后通過FSMC軟件復(fù)位TC6014，清除所有軸的軟件邏輯位置，回歸原點(diǎn)。接著初始化各軸的初始和驅(qū)動(dòng)速度，加減速度，以及加減速度變化率，設(shè)置運(yùn)行范圍，兩軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的圓心和插補(bǔ)終點(diǎn)。最后ARM發(fā)送運(yùn)動(dòng)參數(shù)和命令，運(yùn)動(dòng)芯片輸出運(yùn)行軌跡對(duì)應(yīng)的脈沖，整體流程。

3.實(shí)驗(yàn)認(rèn)證

用一小段直線或圖形來逼近零件輪廓的方法是為插補(bǔ)。插樸實(shí)質(zhì)上是根據(jù)有限的信息完成“數(shù)據(jù)密化”的工作，在工控系統(tǒng)中廣泛使用，能夠直觀的反應(yīng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度和實(shí)用價(jià)值。

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)平臺(tái)的可靠性和實(shí)用性，把本系統(tǒng)平臺(tái)與一臺(tái)基于STM32芯片的控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試，同時(shí)運(yùn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)一致的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果如圖1所示，左一為本文的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，右一為對(duì)比測(cè)試。

可以看出本文的系統(tǒng)比僅基于STM32芯片控制的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所作的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)更加圓滑，毛刺更少，無明顯鋸齒痕跡，說明本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)更加精細(xì)，插補(bǔ)效果好，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行期間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，傳動(dòng)無停滯，電機(jī)柔性沖擊較少。

4.結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了以STM32F103為控制核心，以TC6014為運(yùn)動(dòng)控制模塊的多軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。設(shè)計(jì)的硬件電路能夠滿足生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜的干擾，軟件實(shí)現(xiàn)邏輯清晰，可靠性高，成本較低。該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)能夠滿足小型數(shù)控平臺(tái)精密加工的需求，具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。

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（作者單位：華南理工大學(xué)廣州學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院）