CN108062049A - 一种基于stm32的嵌入式多轴运动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，包括多总线通信的MCU主板、运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路、STM32F407芯片，运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路、STM32F407芯片集中布置在MCU主板上，运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路与STM32F407芯片连接，STM32F407芯片内置u/COSⅢ实时多任务管理系统。本发明的控制系统可以实现六轴的运动控制；实现平滑和快速的运动过渡；采用性能高CPU芯片；具有良好的兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化控制技术领域，具体地说涉及一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统。
背景技术
现代制造业中，多轴运动控制系统在多轴联动数控机床、复合加工数控机床、多自由度工业机器人、医疗设备等机电设备中得到广泛应用。随着社会进步和计算机技术、自动化技术、信号处理技术、智能控制技术、电力电子技术等技术的高速发展，生产制造对机电设备的效率和性能要求越来越高，因而也对多轴运动控制系统的控制性能提出越来越高的要求。
多轴运动控制系统中的一个运动轴由一个驱动器带动一个电机进行驱动，其数量从三轴到十几轴、甚至几十轴不等。随着运动轴数增加，系统的非线性、耦合性更加复杂，各个运动轴之间的动态响应不一致和参数不匹配等问题更加突出。要使这些非线性、强耦合的多轴运动控制系统按给定命令完成期望运动，往往需要辅以高性能、高鲁棒性的复杂控制算法，因而多轴运动控制系统需要完成大量复杂算法计算、数据传输和及其他实时处理等任务，这对相应系统硬件的存储空间、实时性、多任务处理能力提出更高要求。
现有多轴运动控制系统的主要解决方案是，运动控制器接受主机发送来的运动控制指令，并把运动控制器当前的状态及数据送给主机；运动控制器由IO模块、DSP芯片及通信接口电路组成，执行速度梯形图的计算和数字滤波，产生速度曲线，不论是位置控制还是速度控制都需要有速度曲线发生器产生梯形速度分布图。主要提供以下8项主要功能：1、提供四路PWM控制信号；2、四轴位置、速度、加速度控制；3、可编程数字PID滤波，点到点位置控制；4、单轴最小伺服采样周期为100ms；5、32位长度的位置寄存器；6、硬件检测INDEX信号；7、硬件检测HOME信号；8、可编程梯形曲线、速度跟踪和电子齿轮式运动控制方式。
该主要缺点体现在：1、运动控制指令标准化程度低，通用性差、不利于控制器在不同应用领域的推广；2、执行速度梯形图的计算和数字滤波，运动过程中会出现速度振荡；3、多采用标准的ISA和PC/104总线接口。4、总线通信接口少或没有，与其它设备实现信息的互联互通手段有限。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，可以实现六轴的运动控制；实现平滑和快速的运动过渡；采用性能高CPU芯片；具有良好的兼容性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，包括MCU主板、运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路、STM32F407芯片，所述MCU主板为多总线通信的MCU主板，所述运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路、STM32F407芯片集中布置在MCU主板上，所述运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路与STM32F407芯片连接，所述STM32F407芯片内置u/COSⅢ实时多任务管理系统；开关量接口电路外挂不少于32个IO从设备，所述CAN接口电路外挂32轴数字伺服，RS485接口电路外接128个ModBus RTU从设备，网络接口电路使多个控制器互联形成局域网；RS232接口电路外接LCD显示终端。
本发明的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，采用了模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的应用接口，为系统提供了强大通信功能，具有良好的兼容性，可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点，即系统具有内部开放化和各部件之间的开放化显著特征。
作为对上述技术方案的改进，所述运动控制器为STM32F407微控制器。
作为对上述技术方案的改进，所述u/COSⅢ实时多任务管理系统包括多任务调度模块、G代码文件模块、XYZ参数输入模块、控制信号输入模块、CNC参数输入模块、C码编译器、插补编译器、速度规划器、位置控制模块、HMI交互层应用接口模块、数据处理层应用接口模块，所述G代码文件模块、XYZ参数输入模块、控制信号输入模块、CNC参数输入模块分别与多任务调度模块、HMI交互层应用接口模块分别连接，所述C码编译器、插补编译器、速度规划器、位置控制模块分别与多任务调度模块、数据处理层应用接口模块分别连接。
所述u/COSⅢ实时多任务管理系统是一个典型而又复杂的实时系统u/COSⅢ，其中u/COSⅢ为实时多任务管理系统，负责CNC系统的任务调度和管理。多轴运动控制系统将任务划分为8个，根据任务的重要性设定不同的优先级。HMI交互层提供各类参数的输入界面，同时可以自动生成G代码文件，完成G代码文件编辑、管理工作。数据处理层所涉及的主要问题就是数控系统里各种控制任务的调度，例如运动控制、插补器、解释器、速度规划器、位置控制等数控系统里面的事务性处理任务。
本发明的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统：
1、符合NIST Gcode标准规范Gcode编译器
本专利的多轴运动控制系统可以实现从USB端口接受标准的Gcode代码，并在控制器上将其编释、解析，用于描述数控设备的理想化动作，建立这些动作的数学模型，并将其转化为数控设备在物理上可实现的运动顺序，通过向伺服电机发送一致的高频脉冲来执行这些动作。
2、恒定3阶S曲线加速度规划及加速度前瞻控制技术
本专利可以实现加速度规划，从而最大程度的减少机械共振，减小冲击，同时采用STM32F407内核强大和及时的处理能力做到加速度前瞻控制，该控制可以预处理部分即将要执行运动，明确规定运动的转弯速度和平滑的加速轮廓，以确保在物理可能范围内，动作的准确执行。
3、强大且通用的多功能硬件平台
本专利采用了模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的应用接口，为系统提供了强大通信功能，具有良好的兼容性，可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点，即系统具有内部开放化和各部件之间的开放化显著特征。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，1、具有STM32F407微控制器的集成运动控制系统，支持4路PWM输出，16路数字输入和24路数字输出；2、支持EtherNET、ModBuus TCP、ModBuus RTU、CanOpen总线通信协议，具有良好的兼容性；3、可以实现从USB端口接受标准的Gcode代码，并在控制器上将其编释，实现运动控制，从而使本专利的控制器适用范围更广；4、可实现六轴控制(XYZ+ABC旋转轴)映射，实现多品种机床设备的控制系统的开发；5、为了实现平滑和快速的运动转换，采用恒定3阶S曲线加速度规划，速度分布是在加速期间斜坡到目标速度的S曲线，在减速阶段相反；这意味着用本专利开发的数控设备可以在运动转换期间更容易地控制电机，从而在更快的加速和减速下运行；因为冲击是衡量数控设备在速度变化过程中撞击的一个指标，所以本专利可以实现加加速度项的控制，最大程度的减少机械共振，从而减小冲击；而现有的运动控制器，其加速和减速时的速度分布在时间上看起来像一个纯梯形，移动以零速度开始，然后速度以直线向目标速度倾斜，然后以直线减速回零，这就极不利于减小冲击；6、现有运动控制器多为笛卡尔运动控制，本专利将电机配置与轴配置分离，运行XYZ和ABC旋转轴的六轴控制，以便用于非笛卡尔机器上，因为它们被独立配置并且映射到一起，控制器相较以往增加了较多的参数，并提供了一组配置，机器状态和配置状态查询的助记符；7、本专利的控制器提供了一组从命令提示符，可用于帮助提示。
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，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的试验筒组件的结构示意图。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1-2所示，本发明的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，包括MCU主板、运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路、STM32F407芯片，所述MCU主板为多总线通信的MCU主板，所述运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路、STM32F407芯片集中布置在MCU主板上，所述运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路与STM32F407芯片连接，所述STM32F407芯片内置u/COSⅢ实时多任务管理系统；开关量接口电路外挂不少于32个IO从设备，所述CAN接口电路外挂32轴数字伺服，RS485接口电路外接128个ModBus RTU从设备，网络接口电路使多个控制器互联形成局域网；RS232接口电路外接LCD显示终端。
本发明的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，采用了模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的应用接口，为系统提供了强大通信功能，具有良好的兼容性，可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点，即系统具有内部开放化和各部件之间的开放化显著特征。
作为对上述技术方案的改进，所述运动控制器为STM32F407微控制器。
作为对上述技术方案的改进，所述u/COSⅢ实时多任务管理系统包括多任务调度模块、G代码文件模块、XYZ参数输入模块、控制信号输入模块、CNC参数输入模块、C码编译器、插补编译器、速度规划器、位置控制模块、HMI交互层应用接口模块、数据处理层应用接口模块，所述G代码文件模块、XYZ参数输入模块、控制信号输入模块、CNC参数输入模块分别与多任务调度模块、HMI交互层应用接口模块分别连接，所述C码编译器、插补编译器、速度规划器、位置控制模块分别与多任务调度模块、数据处理层应用接口模块分别连接。
所述u/COSⅢ实时多任务管理系统是一个典型而又复杂的实时系统u/COSⅢ，其中u/COSⅢ为实时多任务管理系统，负责CNC系统的任务调度和管理。多轴运动控制系统将任务划分为8个，根据任务的重要性设定不同的优先级。HMI交互层提供各类参数的输入界面，同时可以自动生成G代码文件，完成G代码文件编辑、管理工作。数据处理层所涉及的主要问题就是数控系统里各种控制任务的调度，例如运动控制、插补器、解释器、速度规划器、位置控制等数控系统里面的事务性处理任务。
本发明的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统：
1、符合NIST Gcode标准规范Gcode编译器
本专利的多轴运动控制系统可以实现从USB端口接受标准的Gcode代码，并在控制器上将其编释、解析，用于描述数控设备的理想化动作，建立这些动作的数学模型，并将其转化为数控设备在物理上可实现的运动顺序，通过向伺服电机发送一致的高频脉冲来执行这些动作。
2、恒定3阶S曲线加速度规划及加速度前瞻控制技术
本专利可以实现加速度规划，从而最大程度的减少机械共振，减小冲击，同时采用STM32F407内核强大和及时的处理能力做到加速度前瞻控制，该控制可以预处理部分即将要执行运动，明确规定运动的转弯速度和平滑的加速轮廓，以确保在物理可能范围内，动作的准确执行。
3、强大且通用的多功能硬件平台
本专利采用了模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的应用接口，为系统提供了强大通信功能，具有良好的兼容性，可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点，即系统具有内部开放化和各部件之间的开放化显著特征。
本发明的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，1、具有STM32F407微控制器的集成运动控制系统，支持4路PWM输出，16路数字输入和24路数字输出；2、支持EtherNET、ModBuus TCP、ModBuus RTU、CanOpen总线通信协议，具有良好的兼容性；3、可以实现从USB端口接受标准的Gcode代码，并在控制器上将其编释，实现运动控制，从而使本专利的控制器适用范围更广；4、可实现六轴控制(XYZ+ABC旋转轴)映射，实现多品种机床设备的控制系统的开发；5、为了实现平滑和快速的运动转换，采用恒定3阶S曲线加速度规划，速度分布是在加速期间斜坡到目标速度的S曲线，在减速阶段相反；这意味着用本专利开发的数控设备可以在运动转换期间更容易地控制电机，从而在更快的加速和减速下运行；因为冲击是衡量数控设备在速度变化过程中撞击的一个指标，所以本专利可以实现加加速度项的控制，最大程度的减少机械共振，从而减小冲击；而现有的运动控制器，其加速和减速时的速度分布在时间上看起来像一个纯梯形，移动以零速度开始，然后速度以直线向目标速度倾斜，然后以直线减速回零，这就极不利于减小冲击；6、现有运动控制器多为笛卡尔运动控制，本专利将电机配置与轴配置分离，运行XYZ和ABC旋转轴的六轴控制，以便用于非笛卡尔机器上，因为它们被独立配置并且映射到一起，控制器相较以往增加了较多的参数，并提供了一组配置，机器状态和配置状态查询的助记符；7、本专利的控制器提供了一组从命令提示符，可用于帮助提示。
Claims (3)
1.一种基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：包括MCU主板、运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路、STM32F407芯片，所述MCU主板为多总线通信的MCU主板，所述运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路、STM32F407芯片集中布置在MCU主板上，所述运动控制器、开关量接口电路，CAN接口电路、RS232接口电路，RS485接口电路，网络接口电路与STM32F407芯片连接，所述STM32F407芯片内置u/COSⅢ实时多任务管理系统；开关量接口电路外挂不少于32个IO从设备，所述CAN接口电路外挂32轴数字伺服，RS485接口电路外接128个ModBus RTU从设备，网络接口电路使多个控制器互联形成局域网；RS232接口电路外接LCD显示终端。
2.根据权利要求1所述的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述运动控制器为STM32F407微控制器。
3.根据权利要求1所述的基于STM32的嵌入式多轴运动控制系统，其特征在于：所述u/COSⅢ实时多任务管理系统包括多任务调度模块、G代码文件模块、XYZ参数输入模块、控制信号输入模块、CNC参数输入模块、C码编译器、插补编译器、速度规划器、位置控制模块、HMI交互层应用接口模块、数据处理层应用接口模块，所述G代码文件模块、XYZ参数输入模块、控制信号输入模块、CNC参数输入模块分别与多任务调度模块、HMI交互层应用接口模块分别连接，所述C码编译器、插补编译器、速度规划器、位置控制模块分别与多任务调度模块、数据处理层应用接口模块分别连接。
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