基于Ether CAT总线的高速高精度多轴伺服运动控制器

　　现代数控系统要求高速高精度定位、较强的适用性和操作便捷性。当前市场上主要的运动控制器有嵌入式控制器和基于PC的控制器。嵌入式器由于运算能力和存储容量有限，造成升级、扩展困难。本文提出一种上位机为PC机，实时运动控制器为STM32和MCX314的控制系统架构。将CAD文件的导入，G代码解释，加工路径生成等放在上位机上完成;生成好的指令再通过Ether CAT实时以太网发送到运动控制器上执行。控制系统具有人机交互性能好、上位机软件扩展性强、应用场合广、控制器定位速度精度高等优点。

　　2 、控制系统架构设计

　　目前高端市场主要以基于PC的系统为主。基于PC的控制系统又分为两大类：使用高速现场总线(如Ether CAT或Power-Link)和“PC+运动控制卡”的运动控制系统。使用高速现场总线的控制器，总线协议开放，通用性强，通讯速率高，发展前景广。而PC+运动控制卡式的运动控制系统需要将运动控制卡插入计算机主板，通用的工业PC机软硬件不可裁剪，无法降低成本和适应特定场合。工业PC机采用非实时的Windows系统，无法满足加工需求;PC机容易死机，无法满足工业现场的要求。在这种情况下，充分利用PC机作为上位机的易操作性和ARM芯片作为下位机控制芯片的可靠性来设计本控制系统的架构。通过运行在工控机上的上位机软件，上位机运行基于PC的QT图形操作系统，可以设置运动控制参数、实时显示加工进度、系统的运行状态。上位机将导入的CAD图纸读取后，转化成要加工的点位信息(G代码);G代码通过Ether CAT总线发送给控制器，控制器收到加工的点位信息后，发送脉冲/方向控制信号给伺服驱动器(SC)控制电机(SM)走相应的规划轨迹。

　　32路的I/O将采集的开关信号(如限位，安全防护，紧急停车等)发送给控制器，起到安全保护的作用。

　　图1 控制系统架构设计图

　　3 、控制器架构设计

　　控制器架构由主板和接口板组成，主板上主要有STM32F427作为主控芯片，MCX314和MCX501作为专用的运动控制芯片;主控芯片与专用运动控制芯片之间通过FSMC总线连接，对其读写命令和数据。主控板和接口板通过接插件进行连接。接口板上主要分布ET1200从站通讯模块电路，电源转换模块电路，信号隔离模块电路(高速磁耦隔离和低速光耦隔离)，AD7606采样模块电路，232/485通讯模块电路等。

　　图2 控制器架构设计图

　　4、加减速控制算法设计

　　为降低运动控制器在高速点到点之间运动时产生的振动，通过S形加减速算法对伺服电机进行加减速控制，实现高速高精度的点到点定位。专用运动控制芯片MCX314可以便捷地通过配置寄存器参数来生成需要的S形加减速曲线。例如，通过模式设定，将MCX314的WR3寄存器D2~D0位置为0,0,1即可设置为对称S形加减速驱动(范例程序如下);S形加减速驱动参数可设定加速度增加率JK，加速度AC，初速度SV，驱动速度DV，移动脉冲数TP。

　　5 、结语

　　本文设计了一种基于Ether CAT总线的高速高精度多轴伺服运动控制器，该控制器采用Ether CAT总线为通讯方式，使用STM32+MCX314为控制核心：一方面Ether CAT总线具有开放程度高、实时性好，技术成熟;另一方面STM32具有功耗低，性能强，成本低的优点，并且 MCX314大大简化了运动控制系统的软硬件结构和开发工作，所有实时运动控制可交由运动控制芯片来处理。通过S形加减速算法对伺服电机进行加减速控制，解决了高速高精度的点到点之间的定位问题。该控制器已经做出了产品并小批量量产，目前主要配套用在数控冲床运动控制系统上，激光切割机运动控制系统，运行稳定且定位速度精度高。

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