CN111506021A - 一种基于stm32的嵌入式多轴运动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，涉及多轴控制技术领域，其中控制系统包括主控单元、从控单元、D/A转换单元或模拟信号调理电路、A/D转换单元或数字信号调理电路、CAN通信模块和I/O控制单元。其中：所述主控单元通过所述CAN总线或者USB串行总线与所述从控单元连接。本发明利用STM32+多单片机组合的多维体系结构，运用集中控制及分层处理的结构思想，充分利用STM32系列的强大数据处理能力及其具有移植嵌入式系统的特性，并结合先进控制策略实现多轴伺服电机高精度实时控制，运动控制器分为主控单元和从控单元。本发明的控制器可实现高于130轴电机控制，单轴控制周期达100μs，本发明能够至少实现4轴插补运算和控制或板间至少8轴插补运算和控制。
Description
技术领域
本发明多轴控制技术领域，且更具体地涉及一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统。
背景技术
随着计算机技术、信息技术和电子技术的飞速发展，运动控制技术得到了快速的发展，运动控制技术在现代工业自动化技术中广泛应用，并承担着复杂的任务。虽然运动控制的发展并不是很久，但是随着制造业对加工速度和精度要求的不断提高，运动控制产品的市场需求就会快速的增长，运动控制技术也随之得到了极为迅速的发展，产品种类和应用范围也会不断的扩大。特别是电子自动化等高科技术的发展，给运动控制提供了更大的发展空间和更加广阔的市场。
现有技术中，多采用微处理器或是DSP技术来完成，虽然这类产品的功能比较完善，但是要求开发者有较高的技能，且价格比较高。现有技术中也多采用DSP或FPGA为控制核心的数控系统，虽具有较高的实时性，但控制轴数目少、扩展性差、成本高，且难以实现多轴插补联动，因此，现有技术中难以实现数控技术对高精度实时多轴伺服运动控制系统的需求。
发明内容
针对现有技术的不足本发明公开了一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，利用STM32+多单片机的多维体系结构，运用集中控制及分层处理的结构思想，充分利用STM32系列的强大数据处理能力及其具有移植嵌入式系统的特性，并结合先进控制策略实现多轴伺服电机高精度实时控制，运动控制器分为主控单元和从控单元。
本发明采用以下技术方案：
一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其中所述系统包括：
主控单元；其包含微处理器，所述微处理器为STM32F103VE芯片，所述STM32F103VE芯片至少连接有通信模块、存储模块、计算模块、人机交互单元、电源、CAN控制器和USB串行总线；其中所述电源电路主要由LM 2596和LM 117组成，输出电压为5V和3.3V，所述存储模块至少包括SDRAM存储器和Flash存储器，其中所述SDRAM存储器采用2片HY57561620 SDRAM芯片，存储容量大于等于64兆位，所述Flash存储器采用K9F1208 Flash芯片，存储容量大于64兆位；所述计算模块为插补计算单元；所述人机交互单元设置有与外界进行信息交换的数据接口；
从控单元；其至少包含5片单片机，通过所述单片机控制，实现板内至少4轴插补运算和控制或板间至少8轴插补运算和控制；主从单片机分别采用以M icrochip公司和Atmel公司的单片机，并且所述主从单片机采用CAN总线通信，通信速率大于等于1Mbps；
D/A转换单元或模拟信号调理电路；其中所述D/A转换单元内至少包含DAC7311转换器和基准电压转换芯片，所述基准电压转换芯片设置有SPI串行线口，用的外部基准源为AD421，并且所述DAC7311转换器还连接有运算放大器OP727；其中所述模拟信号调理电路包括LM324差分运算放大器电路和OP07运算放大器，所述LM324差分运算放大器电路的输出端与所述OP07运算放大器的输入端连接，并且所述LM324差分运算放大器电路至少为2级运算放大电路；
A/D转换单元或数字信号调理电路；其中A/D转换单元至少包含MAX125芯片，所述MAX125芯片内含有逐次逼近型A/D转换电路，所述逐次逼近型A/D转换电路的转换时间小于4μs，转换速率为250kS/s，电压输出范围介于-5V和+5V之间，采用的外部基准源为AD421，并且所述A/D转换单元还连接有运算放大器OP747；所述数字信号调理电路为基于四通道运算放大器TL084的放大电路；
CAN通信模块；其内设置有CAN驱动模块和系统总线接口，所述CAN驱动模块采用的芯片为PCA 82C250，用于实现输入输出信号与CAN总线之间的电平转换，所述系统总线接口为PIC系列的系统总线接口或USB串行总线；
I/O控制单元；其内设置有I/O路径控制器；其中：
所述主控单元通过所述CAN总线或者USB串行总线与所述从控单元连接。
进一步地，所述数据接口为JTAG接口、RS485接口、RS232接口、CAN接口或I/O接口。
进一步地，所述主单片机芯片采用16位PIC24FJ64G A 008。
进一步地，所述从单片机芯片采用选择Atm el公司的8位高档微处理器A Tmega64，所述微处理器A Tm ega64为基于AVRRISC结构和H arw ard体系，片内自带64KByte的Flash和4KB yte的EPROM。
进一步地，所述从控单元的数量大于35。
进一步地，所述主控单元和从控单元驱动的伺服电机数量大于130台。
一种应用上述的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统中的主控单元进行工作的方法，包括以下步骤：
(1)开始，数据初始化，分别初始化寄存器、中断设置、存储器、通信端口；
(2)同步主从单片机信号；
(3)打开全局中断；
(4)判断路径规划指令是否到达？如果不到达，则重新打开全局中断，如果到达，则对各轴信息进行采集；
(5)利用粗插补算法进行计算，以掌控轴的运动状态；
(6)分配指令，
(7)从控单元启动控制程序；
(8)控制命令与上位机通信。
进一步地，所述粗插补算法为数据采样插补，其中所述数据采样插补方法为：在插补计算过程中，定时地对轴位置检测进行采样，采样数据与插补程序所产生的指令数据相比较以后，得到位置偏差，经伺服驱动控制伺服电动机。
进一步地，所述从控单元的控制方法为：
(1)开始，数据初始化，分别初始化寄存器、中断设置或通信端口；
(2)打开全局中断；
(3)判断指令是否到达主控单元？如果到达主控单元，则进行下一步操作，如果没有到达主控单元，则返回步骤(2)，重新打开全局中断；
(4)获取轴信息；
(5)进行细插补算法计算；
(6)至少计算轴的速度或位置；
(7)判断是否进行总线驱动指令？如果是，则进行步骤(8)CAN总线通信，如果不是，则进行步骤(9)脉冲输出；
(8)CAN总线通信；
(9)脉冲输出。
进一步地，所述细插补算法为轴直线的脉冲插补，所述轴直线的脉冲插补的方法为：在插补计算过程中不断地向各个坐标轴发出相互协调的进给制脉冲，驱动各坐标轴进给电动机的运动。
本发明利用STM32+多单片机组合的多维体系结构，运用集中控制及分层处理的结构思想，充分利用STM32系列的强大数据处理能力及其具有移植嵌入式系统的特性，并结合先进控制策略实现多轴伺服电机高精度实时控制，运动控制器分为主控单元和从控单元。本发明的控制器可实现高于130轴电机控制，单轴控制周期达100μs
STM32的中断能力强、中断延时短、中断响应快。本发明通过粗插补算法和细插补算法实现了轴控制的位置、速度、加速度等方面的控制。本发明至少包含5片单片机，通过所述单片机控制，实现板内至少4轴插补运算和控制或板间至少8轴插补运算和控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统架构示意图；
图2为本发明一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统中模拟信息调理电路示意图；
图3为本发明一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统中CAN通信接口电路；
图4为本发明一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统中USB通信接口电路；
图5为本发明一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统中模拟信号调理电路；
图6为本发明一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统中主控单元中工作流程示意图；
图7为本发明一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统中从控单元中工作流程示意图；
图8为本发明一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统中插补方法实施例示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其中所述系统包括：
主控单元；其包含微处理器，所述微处理器为STM32F103VE芯片，所述STM32F103VE芯片至少连接有通信模块、存储模块、计算模块、人机交互单元、电源、CAN控制器和USB串行总线；其中所述电源电路主要由LM 2596和LM 117组成，输出电压为5V和3.3V，所述存储模块至少包括SDRAM存储器和Flash存储器，其中所述SDRAM存储器采用2片HY57561620 SDRAM芯片，存储容量大于等于64兆位，所述Flash存储器采用K9F1208 Flash芯片，存储容量大于64兆位；所述计算模块为插补计算单元；所述人机交互单元设置有与外界进行信息交换的数据接口；
从控单元；其至少包含5片单片机，通过所述单片机控制，实现板内至少4轴插补运算和控制或板间至少8轴插补运算和控制；主从单片机分别采用以M icrochip公司和Atmel公司的单片机，并且所述主从单片机采用CAN总线通信，通信速率大于等于1Mbps；
D/A转换单元或模拟信号调理电路；其中所述D/A转换单元内至少包含DAC7311转换器和基准电压转换芯片，所述基准电压转换芯片设置有SPI串行线口，用的外部基准源为AD421，并且所述DAC7311转换器还连接有运算放大器OP727；其中所述模拟信号调理电路包括LM324差分运算放大器电路和OP07运算放大器，所述LM324差分运算放大器电路的输出端与所述OP07运算放大器的输入端连接，并且所述LM324差分运算放大器电路至少为2级运算放大电路，如图2所示；
A/D转换单元或数字信号调理电路；其中A/D转换单元至少包含MAX125芯片，所述MAX125芯片内含有逐次逼近型A/D转换电路，所述逐次逼近型A/D转换电路的转换时间小于4μs，转换速率为250kS/s，电压输出范围介于-5V和+5V之间，采用的外部基准源为AD421，并且所述A/D转换单元还连接有运算放大器OP747；所述数字信号调理电路为基于四通道运算放大器TL084的放大电路；
CAN通信模块；其内设置有CAN驱动模块和系统总线接口，所述CAN驱动模块采用的芯片为PCA 82C250，用于实现输入输出信号与CAN总线之间的电平转换，所述系统总线接口为PIC系列的系统总线接口或USB串行总线；
I/O控制单元；其内设置有I/O路径控制器；其中：
所述主控单元通过所述CAN总线或者USB串行总线与所述从控单元连接。
在本发明中，所述数据接口为JTAG接口、RS485接口、RS232接口、CAN接口或I/O接口。
在本发明中，所述主单片机芯片采用16位PIC24FJ64G A 008。
在本发明中，所述从单片机芯片采用选择Atm el公司的8位高档微处理器A Tmega64，所述微处理器A Tm ega64为基于AVRRISC结构和H arw ard体系，片内自带64KByte的Flash和4KB yte的EPROM。
在本发明中，所述从控单元的数量大于35。
在本发明中，所述主控单元和从控单元驱动的伺服电机数量大于130台。
在上述实施例中，具体如图5所示，在模拟信号调理电路中，首先经过现场大功率PT和CT变换成为0V～100V和0A～5A的交流电量，然后再经过二次PT和CT变换成为0V～5V的电压信号，再经过滤波处理以消除高次谐波和噪声信号再进行功率放大。
如图3所示，CAN通信接口硬件电路由TMS320F2812、CAN总线收发器SN75LBC031构成，引脚CANRX和引脚CANTX是DSP的内部CAN控制模块的接收、发送端，其内部CAN控制器完全符合CAN2.OB规范、ISOII898-1标准。总线数据传输速率可以达到1Mb/s，保证系统内部总线可靠、高速地进行数据通信。
如图4所示，USB通信接口电路主要由TMS320F2812和CH375构成，引脚RXD和TXD是DSP内部的SCI模块的接收、发送引脚：引脚CS和INT连接到DSP的GPIO接口，用作轴控制器件的控制线；XPI是USB端口，它包括一对5V的电源线和一对数据信号线，该总线可提供500mA的电流驱动能力。系统设计中，使CH375工作于串口方式，从而减少器件外围的PCB布线，提高系统的抗干扰能力。
如图5所示，为了尽量恢复原始的模拟信号，满足不同的测量要求，需对模拟信号进行相应调理，使送入ADS8507的输入信号既不超过其输入阈值，又保证一定的幅度，提高A/D转换精度。该系统利用TL084完成模拟信号的放大、滤波，其中Uin为输入的模拟信号，Uout为通过模拟信号调理电路后的输出信号。该输出信号通过可编程的放大器PGA204处理后，送给ADS8507完成A/D转换操作。
实施例2
在实施例1的基础上，如图6，一种应用上述的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统中的主控单元进行工作的方法，应用程序通过驱动程序与USB设备接口进行通信，由系统产生USB数据的传送动作，固件程序则响应各种来自系统的USB标准请求，完成各种数据与指令的交换和事件处理。从控单元中主单片机用于接收主控指令，实现4轴插补，分配各轴控制参数，并依据主控要求，实时传送四轴驱动信息，工作频率为32MHz，分步骤为：
(1)开始，数据初始化，分别初始化寄存器、中断设置、存储器、通信端口；
(2)同步主从单片机信号；
(3)打开全局中断；
(4)判断路径规划指令是否到达？如果不到达，则重新打开全局中断，如果到达，则对各轴信息进行采集；
(5)利用粗插补算法进行计算，以掌控轴的运动状态；
(6)分配指令，
(7)从控单元启动控制程序；
(8)控制命令与上位机通信。
在本发明中，所述粗插补算法为数据采样插补，其中所述数据采样插补方法为：在插补计算过程中，定时地对轴位置检测进行采样，采样数据与插补程序所产生的指令数据相比较以后，得到位置偏差，经伺服驱动控制伺服电动机。
如图7所示，在本发明中，所述从控单元控制时，从控单元从单片机用于实现高速模拟量信息采集、数字量信息采集、细插补运算解码、脉冲输出控制信息及总线输出控制信息等。其中，细插补结果计算信息包括最大速度、最大加速度、加速度、位置距离等。从单片机工作频率为24MHz，采用CAN总线实现外界数据与指令的通信。分步骤为：
(1)开始，数据初始化，分别初始化寄存器、中断设置或通信端口；
(2)打开全局中断；
(3)判断指令是否到达主控单元？如果到达主控单元，则进行下一步操作，如果没有到达主控单元，则返回步骤(2)，重新打开全局中断；
(4)获取轴信息；
(5)进行细插补算法计算；
(6)至少计算轴的速度或位置；
(7)判断是否进行总线驱动指令？如果是，则进行步骤(8)CAN总线通信，如果不是，则进行步骤(9)脉冲输出；
(8)CAN总线通信；
(9)脉冲输出。
在本发明中，所述细插补算法为轴直线的脉冲插补，所述轴直线的脉冲插补的方法为：在插补计算过程中不断地向各个坐标轴发出相互协调的进给制脉冲，驱动各坐标轴进给电动机的运动。
在上述实施例中，粗插补算法包括直线插补、圆弧插补等，下面一个实施例进行说明。
如图8所示，
设插补直线段为OA，起点为原点0，终点为A(xe，ye)，直线OA与X轴的夹角为α。每采样Tsms中断一次，进行一次插补运算，每Tcms时间中断一次进行伺服系统控制，且规定Ts＝2Tc；
(1)假设进给速度为F，计算每个插补周期Ts的轮廓步长ΔL＝FTs；
(2)计算每个插补周期的各坐标进给量Δx＝ΔL cosα，Δy＝ΔL sinα；
这个过程成为插补运算的预处理，每个插补周期Ts均计算一次。每进行一次插补计算，输出一组段值Δx、Δy，设xr、yr为程序段中插补剩余量，其初始值分别为xr＝xe；yr＝ye，此时计算步骤(3)插补剩余量；
(3)计算出插补剩余量xr＝xe-Δx，yr＝ye-Δy；
直到|xr|＜|Δx|，|yr|＜|Δy|同时成立时，即为本程序段插补结束。其直线插补流程图如下，其中(xr，yr)表示每个插补点的坐标，(x0，y0)为起点坐标。直线插补的终点判别比较简单，只用比较寄存器xr、yr和Δx、Δy中的值即可。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述系统包括：
主控单元；其包含微处理器，所述微处理器为STM32F103VE芯片，所述STM32F103VE芯片至少连接有通信模块、存储模块、计算模块、人机交互单元、电源、CAN控制器和USB串行总线；其中所述电源电路主要由LM 2596和LM 117组成，输出电压为5V和3.3V，所述存储模块至少包括SDRAM存储器和Flash存储器，其中所述SDRAM存储器采用2片HY57561620SDRAM芯片，存储容量大于等于64兆位所述Flash存储器采用K9F1208 Flash芯片，存储容量大于64兆位；所述计算模块为插补计算单元；所述人机交互单元设置有与外界进行信息交换的数据接口；
从控单元；其至少包含5片单片机，通过所述单片机控制，实现板内至少4轴插补运算和控制或板间至少8轴插补运算和控制；主从单片机分别采用以M icrochip公司和Atm el公司的单片机，并且所述主从单片机采用CAN总线通信，通信速率大于等于1Mbps；
D/A转换单元或模拟信号调理电路；其中所述D/A转换单元内至少包含DAC7311转换器和基准电压转换芯片，所述基准电压转换芯片设置有SPI串行线口，用的外部基准源为AD421，并且所述DAC7311转换器还连接有运算放大器OP727；其中所述模拟信号调理电路包括LM324差分运算放大器电路和OP07运算放大器，所述LM324差分运算放大器电路的输出端与所述OP07运算放大器的输入端连接，并且所述LM324差分运算放大器电路至少为2级运算放大电路；
A/D转换单元或数字信号调理电路；其中A/D转换单元至少包含MAX125芯片所述MAX125芯片内含有逐次逼近型A/D转换电路，所述逐次逼近型A/D转换电路的转换时间小于4μs，转换速率为250kS/s，电压输出范围介于-5V和+5V之间，采用的外部基准源为AD421，并且所述A/D转换单元还连接有运算放大器OP747；所述数字信号调理电路为基于四通道运算放大器TL084的放大电路；
CAN通信模块；其内设置有CAN驱动模块和系统总线接口，所述CAN驱动模块采用的芯片为PCA 82C250，用于实现输入输出信号与CAN总线之间的电平转换，所述系统总线接口为PIC系列的系统总线接口或USB串行总线；
I/O控制单元；其内设置有I/O路径控制器；其中：
所述主控单元通过所述CAN总线或者USB串行总线与所述从控单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述数据接口为JTAG接口、RS485接口、RS232接口、CAN接口或I/O接口。
3.根据权利要求1所述的一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述主单片机芯片采用16位PIC24FJ64G A 008。
4.根据权利要求1所述的一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述从单片机芯片采用选择Atm el公司的8位高档微处理器A Tm ega64，所述微处理器A Tmega64为基于AVRRISC结构和H arw ard体系，片内自带64KByte的Flash和4KByte的EPROM。
5.根据权利要求1所述的一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述从控单元的数量大于35。
6.根据权利要求1所述的一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述主控单元和从控单元驱动的伺服电机数量大于130台。
7.一种应用权利要求1-6中任意一项所述的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统中的主控单元进行工作的方法，包括以下步骤：
(1)开始，数据初始化，分别初始化寄存器、中断设置、存储器、通信端口；
(2)同步主从单片机信号；
(3)打开全局中断；
(4)判断路径规划指令是否到达？如果不到达，则重新打开全局中断，如果到达，则对各轴信息进行采集；
(5)利用粗插补算法进行计算，以掌控轴的运动状态；
(6)分配指令，
(7)从控单元启动控制程序；
(8)控制命令与上位机通信。
8.根据权利要求7所述的一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述粗插补算法为数据采样插补，其中所述数据采样插补方法为：在插补计算过程中，定时地对轴位置检测进行采样，采样数据与插补程序所产生的指令数据相比较以后，得到位置偏差，经伺服驱动控制伺服电动机。
9.根据权利要求7所述的一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述从控单元的控制方法为：
(1)开始，数据初始化，分别初始化寄存器、中断设置或通信端口；
(2)打开全局中断；
(3)判断指令是否到达主控单元？如果到达主控单元，则进行下一步操作，如果没有到达主控单元，则返回步骤(2)，重新打开全局中断；
(4)获取轴信息；
(5)进行细插补算法计算；
(6)至少计算轴的速度或位置；
(7)判断是否进行总线驱动指令？如果是，则进行步骤(8)CAN总线通信，如果不是，则进行步骤(9)脉冲输出；
(8)CAN总线通信；
(9)脉冲输出。
10.根据权利要求9所述的一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述细插补算法为轴直线的脉冲插补，所述轴直线的脉冲插补的方法为在插补计算过程中不断地向各个坐标轴发出相互协调的进给制脉冲，驱动各坐标轴进给电动机的运动。
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| CN202010401137.3A CN111506021A (zh) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | 一种基于stm32的嵌入式多轴运动控制系统 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112511395A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-03-16 | 云浮中科石材创新科技有限公司 | 一种驱控一体化控制系统 |
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