基于 STM32+FPGA 的多轴运动控制器的设计

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，Ti ( i = 1，2，3，．．．．．．，7) 为各阶段的运行时间，τi ( i = 1，2，3，

．．．．．．，7) 为以各个起点作为 0 点的时刻，ti ( i = 1，2，3，

．．．．．．，7) 为各个过渡点时刻。实际应用时，m1 ～ m4 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 T1 = T3、T5 = T7。

 

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 dec，将 dec与剩余距离 Ls 比较，其中 Ls = Le －Lc，Le 表示指定目标位置值、Lc 表示当前位置值。

步骤 3，若 Ls ＞ dec 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 av、vv、jv 并输出。

步骤 5，当 Lc = Le 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。

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