摘  要： 本文以五軸機(jī)械手的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為背景，提出了一種基于以Cortex-M4為內(nèi)核的微處理器STM32F407構(gòu)成的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。本設(shè)計(jì)方案引入現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式，利用其高可靠性和高通用性的特點(diǎn)，使得運(yùn)動(dòng)控制器具有高開放性和模塊化的特點(diǎn)。文中提供的以CAN總線控制多個(gè)私服電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，使得硬件電路的設(shè)計(jì)大大簡化，也使得通信的效率和可靠性大幅提升。測(cè)試表明，控制器的性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足機(jī)械手控制的需求，同時(shí)本設(shè)計(jì)對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域有著實(shí)際的應(yīng)用指導(dǎo)意義。

　　關(guān)鍵詞： CAN；多電機(jī)系統(tǒng)控制；現(xiàn)場(chǎng)總線

0 引言

　　現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為其中的核心組成部分，得到長足的發(fā)展，目前已成為自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要分支[1]。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的提高，運(yùn)動(dòng)控制器的出現(xiàn)在某種意義上滿足了新型數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、開放性的要求，為各種工業(yè)設(shè)備、國防設(shè)備以及智能醫(yī)療裝置自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研制和改造提供了一個(gè)統(tǒng)一的硬件平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)中最具代表性的產(chǎn)品，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到生產(chǎn)的效率和質(zhì)量[2]。在此背景下，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F407，采用以太網(wǎng)、CAN總線通信方式的五軸機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制器。

1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制器總體方案

　　目前市場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)控制器依據(jù)不同的原則有不同的分類。按照運(yùn)動(dòng)控制器的核心技術(shù)方案，主要有基于模擬電路型、基于微控制單元型、基于可編程邏輯（FPGA/CLPD）型、基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）型等；按照運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可分為基于總線的運(yùn)動(dòng)控制器和獨(dú)立應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制器以及混合型的運(yùn)動(dòng)控制器[3]。本設(shè)計(jì)方案采用基于微控制單元型和現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)方案，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　由上圖可以看出該系統(tǒng)主要是由手持器、控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)等幾部分組成。本文主要討論其中的控制電路的設(shè)計(jì)，其運(yùn)行過程大致是手持器通過以太網(wǎng)接口把相應(yīng)的動(dòng)作指令發(fā)給控制電路，該過程采用LWIP協(xié)議。然后控制電路在接收到指令之后，開始解析指令，再通過CAN接口給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令，該過程采用CANopen協(xié)議。伺服驅(qū)動(dòng)器在得到指令后開始驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在電機(jī)到達(dá)指定位置后停止。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)五個(gè)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的可靠性和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用了CAN接口和以太網(wǎng)接口。

2 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

　　由于本設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信，所以硬件電路得到很大簡化。本設(shè)計(jì)主要以STM32F407VGT6為處理中心，通過以太網(wǎng)與手持器通信，以CAN總線與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信。由圖2可以看出，CANopen通信是在控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間實(shí)現(xiàn)的。STM32F407VGT6基于高性能ARM CortexTM-M432位RISC內(nèi)核，可在高達(dá)168 MHz的頻率下工作。Cortex-M4內(nèi)核采用單一精密浮點(diǎn)單元（FPU），支持所有ARM單一精密數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型。該系列還能執(zhí)行全套DSP指令，執(zhí)行存儲(chǔ)保護(hù)單元（MPU），用以加強(qiáng)應(yīng)用安全性[4]。以太網(wǎng)采用的是PHY控制器DP83848，DP83848是一個(gè)強(qiáng)大的、功能齊全的單端口10/100物理層設(shè)備，提供低功耗管理，包括幾個(gè)智能功率下降狀態(tài)。這些低功耗模式可以提高整體產(chǎn)品的可靠性，減少功耗。CAN的硬件實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)部分：與OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層分別對(duì)應(yīng)的CAN控制器和CAN收發(fā)器。本文采用基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32系列芯片作為控制電路的MCU，該芯片內(nèi)有CAN控制器，并且完全支持CAN 2.0協(xié)議。CAN收發(fā)器選用CTM1050T，其內(nèi)部集成了CAN隔離及收發(fā)器件，將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，同時(shí)具有隔離功能機(jī)ESD保護(hù)作用。運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[5]。

3 運(yùn)動(dòng)控制器程序設(shè)計(jì)

　　運(yùn)動(dòng)控制器的程序部分主要分為兩個(gè)模塊：控制模塊和通信模塊?？刂颇K完成系統(tǒng)控制參數(shù)的計(jì)算和控制量的輸出；通信模塊一方面通過以太網(wǎng)接收手持器發(fā)送的動(dòng)作命令，另一方面根據(jù)命令通過CAN總線來控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，首先調(diào)用?滋C/OS-II操作系統(tǒng)中的函數(shù)完成任務(wù)調(diào)度和內(nèi)存管理，然后根據(jù)移植的LWIP協(xié)議完成以太網(wǎng)通信，最后是CAN總線和其他I/O的硬件配置。整個(gè)程序主要分為三個(gè)任務(wù)：以太網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)處理和CAN通信。以太網(wǎng)任務(wù)主要完成與手持器的通信，接收上面發(fā)送的數(shù)據(jù)與指令，采用查詢方式來完成數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)處理任務(wù)根據(jù)以太網(wǎng)傳送過來的數(shù)據(jù)和指令選擇不同的數(shù)據(jù)處理子函數(shù)，通過這些子函數(shù)來執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。CAN通信任務(wù)主要是與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信，把數(shù)據(jù)處理任務(wù)傳送過來的動(dòng)作指令轉(zhuǎn)換成CANopen協(xié)議的指令形式進(jìn)行通信。在這三個(gè)任務(wù)中，數(shù)據(jù)處理任務(wù)是最為核心部分，其流程圖如圖3所示。

　　上圖中的模式是指機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)模式，其任務(wù)就是根據(jù)以太網(wǎng)中的指令來判斷機(jī)械手需要在什么模式中運(yùn)行，然后調(diào)用子函數(shù)運(yùn)行以太網(wǎng)傳遞下來的數(shù)據(jù)，再通過CAN向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令。

4 結(jié)束語

　　本文討論了多軸運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)，給出了基于ARM和現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合的控制方案。現(xiàn)場(chǎng)總線集數(shù)字通信、微機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，從根本上突破了傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的模擬信號(hào)或數(shù)字-模擬信號(hào)控制的局限，為真正的分散式控制集中式管理提供了技術(shù)保證。ARM處理器具有高性能、低功耗、體積小等特點(diǎn)，兩者的結(jié)合可以縮短研發(fā)時(shí)間，提高研發(fā)效率，應(yīng)用前景十分廣泛。

　　參考文獻(xiàn)

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