摘要：運用低功耗COrtex—M3微控制器STM32F103VBT6和FPGA芯片設(shè)計一種基于CAN總線的運動控制器。介紹系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、主要硬件設(shè)計和軟件結(jié)構(gòu)。利用FPGA高速處理能力實現(xiàn)控制算法，與外界通信采用STM32和CAN總線技術(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，另外，將設(shè)計好的FPGA程序或是C程序進(jìn)行封裝，系統(tǒng)的可移植性強。

　　關(guān)鍵詞：STM32；FPGA；CAN總線；運動控制

　　如今，運動控制正朝著高速度、高精度、開放式的方向發(fā)展，從而對執(zhí)行部件提出了更高的要求。過去的運動控制器主要是基于單片機或者PLC加上分立數(shù)字電路設(shè)計，受制于器件本身的性能，導(dǎo)致電路執(zhí)行速度慢、體積龐大、集成程度低，升級難度大。而采用微處理器、DSP、FPGA等現(xiàn)代手段構(gòu)成的只能控制系統(tǒng)是新一代運動控制發(fā)展的方向。本文對基于FPGA的嵌入式運動控制器進(jìn)行了研究，并應(yīng)用了CAN總線，使硬件接口簡單、實時性強、靈活度高，有很強的實用價值。

　　1 總體方案設(shè)計策略

　　本系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體體公司生產(chǎn)的基于Cortex—M3處理器STM32F103VBT6芯片核心進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)的存儲以及鍵盤掃描和LCD顯示，它集成了CAN、SPI、USB、USART控制器，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，簡化的系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，豐富的函數(shù)庫大大縮短了用戶的開發(fā)周期。而FPGA作為系統(tǒng)主要的執(zhí)行機構(gòu)，利用其高速性進(jìn)行算法實現(xiàn)、速度控制和位置控制，系統(tǒng)的整體構(gòu)造如圖1所示。

　　2 運動控制器的功能模塊設(shè)計

　　為了滿足整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，運動控制主要由通信和數(shù)據(jù)處理兩部分構(gòu)成，通信和數(shù)據(jù)存儲由STM32負(fù)責(zé)進(jìn)行，出于數(shù)據(jù)運算的復(fù)雜性和實時性，F(xiàn)PGA處理算法的實現(xiàn)。本設(shè)計相對龐大，模塊不一一介紹。

　　2．1 CAN通信模塊的設(shè)計

　　2．1．1 硬件設(shè)計

　　bxCAN是STM32內(nèi)置的CAN控制器，支持2．0A和2．0B CAN協(xié)議，波特率最高可達(dá)可達(dá)到1 Mbit／s，包含3個發(fā)送郵箱，3級深度的2個接收FIFO，14個可變位寬的過濾器組，支持時間觸發(fā)通信模式，它的設(shè)計目標(biāo)是以最小的CPU負(fù)荷來高效處理大量收到的報文，它也支持報文發(fā)送的優(yōu)先級要求(優(yōu)先級特性可軟件配置)。CAN硬件設(shè)計如圖2所示。

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　　以CTM8251作為收發(fā)芯片，它不僅能完成收發(fā)功能，還具有DC2500V的隔離功能，使系統(tǒng)與外界隔離開來，簡化了CAN外圍的硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的性價比，圖中120 Ω的電阻為可選用的終端匹配電阻，假如網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在一對匹配電阻，則該電阻可以不使用，其中B82790是個共模扼流線圈，作用是抑制共模干擾平衡差分信號的傳輸；本設(shè)計中采用比較常用的撥碼開關(guān)電路設(shè)置CAN網(wǎng)絡(luò)的ID地址和波特率；LED作為通信狀態(tài)指示。

　　2．1．2 軟件設(shè)計

　　針對STM32對外設(shè)的設(shè)置，我們只需要對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲镁湍軡M足設(shè)計的要求，軟件部分主要任務(wù)只要進(jìn)行CAN初始化和數(shù)據(jù)發(fā)送即可。本設(shè)計初始化模塊中只需要對CAN工作方式進(jìn)行配置，而不需要對過濾器進(jìn)行特殊的配置，部分初始化程序如下：

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　　工作方式配置中最主要的是波特率的配置，本設(shè)計中采用AHB1作為CAN時鐘為36 MHz，所以要得到1 Mbit／s的波特率進(jìn)行了以上的設(shè)置，即SJW=tq，BS1=3tq，BS2=5tq，CAN_Prescaler=4，所以波特率的計算如下：

  　2．2 FPGA電路的設(shè)計

　　FPGA電路主要實現(xiàn)運動控制的相關(guān)算法，包括加減速算法、檢測裝置算法、插補算法等算法的實現(xiàn)，是整個設(shè)計的關(guān)鍵部分，硬件設(shè)計主要包括FPGA的供電電路、時鐘電路和配置電路，都是相對比較常規(guī)的電路，在這里不做介紹，文中主要介紹相關(guān)算法的實現(xiàn)。

　　2．2．1 加減速模塊

　　為了在電機啟動時為了在電機啟動時，避免電機在運行以及換速的過程中產(chǎn)生沖擊、超程、失步和振蕩等一些我們不想見到的現(xiàn)象。為了使執(zhí)行機構(gòu)能夠平穩(wěn)和準(zhǔn)確的定位，這就要求電機在開機到電機的速度達(dá)到給定的進(jìn)給速度的過程中有一個加減速的過程，使其能夠平滑的過渡。避免速度的突變給電機帶來損傷。

　　S型曲線加減速是比較理想的控制加減速方法，但如何保證構(gòu)造的曲線平滑、精確成為很多算法工程師研究的重點。如圖3所示，在加速的過程中，有3個不同的加速度區(qū)域。在開始階段，加速度是按線性方式以一定的加速度率K從0增加到固定的加速度值A(chǔ)。也就是說，這時驅(qū)動速度在a區(qū)域是按拋物線的方式增長；接著在b區(qū)域中，驅(qū)動速度是以一個恒定的加速度增長；最后，在c區(qū)域中，加速度則按照加速度率K線性減少到0。這樣，S曲線的加速度過程就可以看作是由a，b，c 3個區(qū)域構(gòu)成的。在減速的過程中，同加速過程一樣，d，e，f區(qū)域中也是按拋物線的方式減速。

　　基于此本設(shè)計構(gòu)造的速度、加速度、時間的對應(yīng)函數(shù)如下：

　　S加減速在FPGA中的實現(xiàn)，如圖4所示。在已知給定加速度A、加速度率K、初速度V0、以及進(jìn)給速度V和總的pwm脈沖數(shù)的情況下，就可以得到S加減速曲線。

　　　圖5為本設(shè)計在Quartus II中的仿真波形，為了加快仿真的速度，特意在仿真而前對某些參數(shù)進(jìn)行了修改。

　　本系統(tǒng)的加減速模塊的構(gòu)造滿足速度和加速度曲線的構(gòu)造滿足速度變化平穩(wěn)，加速連續(xù)等條件，起始和終止速度與要求速度一致，加速度為0，加速度率K可以根據(jù)實際需要隨時調(diào)整，通用性很好。

　　2．2．2 光電編碼器模塊

　　本系統(tǒng)采用的閉環(huán)控制，反饋信號的精度直接影響定位、測速，在此采用增量是編碼器進(jìn)行定位控制，增量式編碼器主要是利用兩個相差90度的方波信號A和B，和零位脈沖信號Z進(jìn)行角位移和方向判斷(如圖6所示)，從而達(dá)到了檢測位置的目的，此外，我們將A或B信號四倍頻，則計數(shù)脈沖的周期將減小到T／4，從而使角位移測量精度提高4倍。四倍頻后的編碼器信號，需經(jīng)計數(shù)器計數(shù)后，才能轉(zhuǎn)化為相對位置。由兩個與非門、一個非門邏輯、D觸發(fā)器組成傳統(tǒng)的波形轉(zhuǎn)換電路，通過它來將A相、B相脈沖轉(zhuǎn)換成正向計數(shù)信號dz、反向計數(shù)信號df和方向(dir)信號，通過正反方向的數(shù)字信號加減完成最終的計數(shù)，最終的仿真數(shù)據(jù)如圖7所示。

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　　3 結(jié)束語

　　本課題研究是基于某品牌雕刻機控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行的總結(jié)，旨在建立一種通用的運動控制器，通過該運動控制器以及系統(tǒng)其它部分的協(xié)同工作，整個控制系統(tǒng)實時性、可靠性好，滿足了控制要求。通信非常穩(wěn)定，相關(guān)算法還有待優(yōu)化。