CN111580470A - 基于stm32f4的多功能运动控制方法 - Google Patents

基于stm32f4的多功能运动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于STM32F4的多功能运动控制方法，包括STM32F4控制器、I/O接口和外设连接模块、引脚扩展模块、编码器计数模块、通信模块、电机控制模块；STM32F4控制器分别与I/O接口和外设连接模块和引脚扩展模块、编码器计数模块、通信模块、电机控制模块连接；本发明实现产品标准化，减少开发时间，降低设备及治具开发成本。

Description

基于STM32F4的多功能运动控制方法
技术领域
本发明涉及多功能运动控制器领域，更具体地涉及一种多功能支持多种编程语言的运动控制器。
背景技术
运动控制器就是控制电动机的运行方式的专用控制器:比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制(GMC)。
现阶段运动控制大多是用PLC+驱动器，PLC的英文全称是:Programmable logicController，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子***，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/ 输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。PLC 控制器主要是指数字运算操作电子***的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。此模式的缺点是占用空间大，成本比较高，不利于低成本或者空间有限的夹治具的使用。因此我们开发一款多功能支持多种编程语言的控制器。
发明内容
发明目的：
本发明为了能够实现成本模块较低，集成度高，而提出了一种基于STM32F4的多功能运动控制方法。
本发明所采用的技术方案：
本发明提出了一种基于STM32F4的多功能运动控制方法，包括S TM32F4芯片、I/O接口和外设连接模块、引脚扩展模块、编码器计数模块、通信模块、电机控制模块；STM32F4芯片与外设连接以太网A PI接口实现网络连接通讯，通过JTAC接口连接ST仿真器模拟；为了实现异步传输和减少数据延迟，同样STM32F4芯片的CAN和UART 与外设的API接口相连，实现上位机与芯片之间的通讯传输；多任务并行具体为：正交AB信号，串通通信协议命令解析任务，驱动电机发送脉冲任务以及限位保护任务；通过OS-II模式进行抢占式内核，按任务优先级的高低对任务进行调高传输，而任务的优先级的设置主要按照整个***运行的时序来确定；通过自行排好优先级后，对于***运行时，各任务的优先级固定不变；STM32F4芯片在任务中完成对事件的处理，而各个任务通过外部中断来实现发送。
更进一步，与外设通过PWM脉冲实现电压电流的输入与输出，从而控制制动器以及电阻的阻值释放；通过双脉冲通道进行输入输出，双脉冲通过CW输入一个脉冲，则电机朝CW方向旋转一个指令单位或一个步级；CCW输入一个脉冲，则电机朝CCW方向旋转一个指令单位或一个步级；从而达到控制器的启停。
更进一步，负载传输的均衡性，因而采用PMSM接收控制信号，以及将控制请求通过电压电流释放级IGBT芯片，实现AD数字转换及电压脉冲。采用的PMSM控制脉冲的频率，升速时，使脉冲频率增高，减速时相反。缩短速度转换时间，在PMSM技术上使用建立数据方法，结合加减速曲线各段的频率建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时的周期的初值，从而保证不占用中断时间的前提下保证电机的高速运行。
更进一步，其中特别是较大负载的***必须具有合理的加减速控制器，那是因为运行控制器中的步进电机的加减速控制器与自身的启动频率和运行频率有关，所以为了保证负载均衡，避免“超车”风险，必须加采用一个加减速控制器，实现运动控制器与负载的均衡控制.
更进一步，集成分压电阻，通过控制电流，在电压达到最大极限值时可以有效的规避击穿的风险。
更进一步，还包括V/W的电流测量器，实时的将负载发出来的电流电压进行监测，然后判定是否可以进行启动以及数据的转换，从而达到双保险的效果。总结就是该控制器在控制方面注重对电流电压的控制，只有稳定了电流电压，在运行过程中才不会出现突然断停的情况，保证了运动控制器可以长时间的稳定工作。
更进一步，通过I2C总线双向输出信息，将外界的驱动信号传输到芯片，通过ADC接收转换编码，再STM32F4芯片处理，将信号输送的仿真机。此过程主要采用一个应答的通信方式，将接受的报文分为上行和下行报文格式，所有报文除了起始和结束字符外一律采用ASCII字符，在应答后，对于任何命令在被成功接收后都将返回一个应答报文，从而实现不丢包(不漏传数据)的风险，保证了每个通讯信号都能完整的监听。
更进一步，采用zynq 7000系为平台的控制板卡。
更进一步，通过上电，然后检测是否需要bootloader升级，如果需要升级则执行USB或连网的方式进行应用升级；之后判断是识别 PLC梯形指令还是C代码，如为PLC梯形指令，就需要判断是否支持 PLC梯形指令解析，如果不支持则会状态指示灯报错，支持的话则执行PLC应用程序；如果判断能识别C代码，则会执行C应用程序。
本发明所产生的技术效果：
本发明实现产品标准化，减少开发时间，降低设备及治具开发成本。
附图说明
图1为本发明的核心板模块架构图。
图2为本发明的核心控制器STM32F4的框架图。
图3为本发明核心2路直流电机状态表。
图4为本发明多功能控制器的控制原理图。
图5为本发明在zynq 7000平台上的实例。
图6为本发明实现的逻辑时序图
具体实施方式
实施例
如图1所示，本发明涉及的运动控制器需要将STM32F4控制器分别与I/O接口和外设连接模块和引脚扩展模块、编码器计数模块、通信模块、电机控制模块连接。
如图2所示，本发明是基于STM32F4的多功能运行控制器，所以STM32F4控制器也是本发明的一个核心部件，该款控制器相较于传统的驱动器在各方面都有所升级。
本发明控制器的芯片模块采用先进的Cortex-M4内核，其主要特点是浮点运算能力和增强的DSP处理指令。相较于3代拥有更多的存储空间，其闪存高达1M字节，内嵌SRAM高达196K字节，并带有灵活的外部存储器接口FSMC。本次芯片的改进，使得该控制器具有极致的运行速度，并以168MHZ的高速运行时可达到210DMIPS的处理能力。另外为了配合该多功能运行控制器的通知性以及扩展性，新增了加密处理器，相机接口，OTG接口，使得通信接口速度更快，采样率更高，并还有FIFO的DMA控制器。
如图3所示，本发明的驱动板可驱动2路直流电机，使能端ENA、 ENB为高电平时有效，控制方式及直流电机有多种状态表，若要对直流电机进行PWM调速，需设置IN1和IN2，确定电机的转动方向，然后对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速。注意当使能信号为0时，电机处于自由停止状态；当使能信号为1，且IN1和IN2为00或11 时，电机处于制动状态，阻止电机转动。
本发明涉及SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200。
本发明的控制器主要也采用了当下比较先进的伺服***，通过 STM32F4芯片的以太网接口，对外设连接以太网API接口实现网络连接通讯。
为了实现异步传输和减少数据延迟，同样将芯片的CAN和UART与外设的API接口相连，实现上位机与芯片之间的协调使用，从而实现相关的通讯传输。同时为实现多任务并行，该功能模块具体分解到对以下四个任务的运行：正交AB信号，串通通信协议命令解析任务，驱动电机发送脉冲任务以及限位保护任务。通过OS-II模式进行抢占式内核，按任务优先级的高低对任务进行调高传输，而任务的优先级的设置主要按照整个***运行的时序来确定。通过自行排好优先级后，对于***运行时，各任务的优先级固定不变。CPU对大多数事件的处理都放在任务中完成，而各个任务通过外部中断来实现发送。
在实现通讯连接后，为了可以清楚的看到驱动器运行的状态以及对其操作进行修正，还需要通过控制器上的JTAC接口连接ST仿真器，再连接到上位机上，实现有效的模拟。
在与外设连接好的前提下，需要通过PWM脉冲实现电压电流的输入与输出，从而控制制动器以及电阻的阻值释放。这里实现的脉冲主要是通过双脉冲通道进行输入输出，双脉冲通过CW输入一个脉冲，则电机朝CW方向旋转一个指令单位或一个步级；CCW输入一个脉冲，则电机朝CCW方向旋转一个指令单位或一个步级。从而达到控制器可以有效的启停效果，达到运动控制器多功能灵活启停的特点。
在数据的模块搭建好后，就是考虑负载传输的均衡性，因而采用 PMSM方面接收控制信号，以及将控制请求通过电压电流释放级IGBT 芯片，实现AD数字转换以及相关的电压脉冲。其中特别是较大负载的***必须具有合理的加减速控制器，那是因为运行控制器中的步进电机的加减速控制器与自身的启动频率和运行频率有关，所以为了保证负载均衡，避免“超车”风险，必须加一个加减速控制器，否则该运动控制器的安全就难以得到保证。对于采用的PMSM技术实际是通过控制脉冲的频率，升速时，使脉冲频率增高，减速时相反。为了缩短速度转换时间，该发明特此在PMSM技术上使用建立数据方法，结合加减速曲线各段的频率建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时的周期的初值，从而保证不占用中断时间的前提下保证电机的高速运行。
通过控制好各部分的电流，从而达到不因电流电压不稳而击穿芯片的故障。为此在本控制器上，还集成了一定的分压电阻，在电压达到最大极限值时可以有效的规避击穿的风险。
在完成分压后，同时为控制器配备了V/W的电流测量器，实时的将负载发出来的电流电压进行监测，然后判定是否可以进行启动以及数据的转换，从而达到双保险的效果。总结就是该控制器在控制方面注重对电流电压的控制，只有稳定了电流电压，在运行过程中才不会出现突然断停的情况，保证了运动控制器可以长时间的稳定工作。
完成这些基础工作后，通过I2C总线双向输出信息，将外界的驱动信号传输到芯片，通过ADC接收转换编码，再于芯片处理，将信号输送的仿真机上进行功能的展现。此过程主要采用一个应答的通信方式，将接受的报文分为上行和下行报文格式，所有报文除了起始和结束字符外一律采用ASCII字符，在应答后，对于任何命令在被成功接收后都将返回一个应答报文，从而实现不丢包(不漏传数据)的风险，保证了每个通讯信号都能完整的监听。
如图5所示，本发明以zynq 7000系为平台的控制板卡进行实例开发应用。其具体架构包括(1)***器件：三轴电机，显示屏，温控器控制温度等。(2)具体操作：电机，显示器，温控器等接入控制器对应接口后，通过在自己开发的上位机软件上添加某些参数或者选择复选框等，点击确定后就可以生成对应的配置文件，并烧入控制卡中，从而就可以实现***器件的功能(电机运动，显示器显示数据，温控器的数据接入等)。
本发明中的控制器涉及的I2C总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控(multi-master)接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。在它的协议体系中，传输数据时都会带上目的设备的设备地址，因此可以实现设备组网。如果用通用IO口模拟I2C总线，并实现双向传输，则需一个输入口 (SDA)，另外还需一个输出口(SCL)。
本发明中主要应用一种UART的异步收发传输器，是电脑硬件的一部分。将资料由串行通信与并行通信间作传输转换，作为并行输入成为串行输出的芯片，通常集成于其他通讯接口的连结上。具体实物表现为独立的模块化芯片，或作为集成于微处理器中的周边设备。一般和RS-232C规格的，类似Maxim的MAX232之类的标准信号幅度变换芯片进行搭配，作为连接外部设备的接口。
如图6所示，该产品的时序逻辑为通过上电，然后检测是否需要 bootloader升级，如果需要升级则执行USB或连网的方式进行应用升级。之后判断是识别PLC梯形指令还是C代码，如为PLC梯形指令，就需要判断是否支持PLC梯形指令解析，如果不支持则会状态指示灯报错，支持的话则执行PLC应用程序。如果判断能识别C代码，则会执行C应用程序。
I/O接口和外设连接模块，通过三个芯片的2位RISC内核与 72MHz的工作频率，以及对CAN接口的加固使得该发明的控制器有了丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设引脚扩展模块包括：LQFP64、LQFP48和TFBGA64，发挥该芯片在工作环境以及电压上的优势；这三种增强型芯片可适用于-40C～+105C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，通过这类一系列优点使得该发明的控制器处于省电模式保证低功耗应用的要求。采用的编码器计数模块进行计数，对电机控制模块的限位信号进行判断，产生电机控制信号，同时提供与PC机的通信接口。还包括UART的异步收发传输器与STM32F4控制器相连。电机控制模块，使用磁栅、光栅和旋转编码器来反馈由电机驱动的机械结构的位置。

Claims (10)

1.一种基于STM32F4的多功能运动控制方法，其特征在于：
包括STM32F4芯片、I/O接口和外设连接模块、引脚扩展模块、编码器计数模块、通信模块、电机控制模块；STM32F4芯片与外设连接以太网API接口实现网络连接通讯，通过JTAC接口连接ST仿真器模拟；STM32F4芯片的CAN和UART与外设的API接口相连，实现上位机与芯片之间的通讯传输；
多任务并行具体为：正交AB信号，串通通信协议命令解析任务，驱动电机发送脉冲任务以及限位保护任务；通过OS-II模式进行抢占式内核，按任务优先级的高低对任务进行调高传输，任务的优先级的设置依据***运行的时序；通过优先级后，对于***运行时，各任务的优先级固定不变；STM32F4芯片在任务中完成对事件的处理，而各个任务通过外部中断来实现发送。
2.根据权利要求1所述的基于STM32F4的多功能运动控制方法，其特征在于：采用PMSM接收控制信号，以及将控制请求通过电压电流释放级IGBT芯片，实现AD数字转换及电压脉冲；采用的PMSM控制脉冲的频率，升速时，使脉冲频率增高，减速时相反；缩短速度转换时间，在PMSM技术上使用建立数据方法，结合加减速曲线各段的频率建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时的周期的初值，从而保证不占用中断时间的前提下保证电机的高速运行。
3.根据权利要求2所述的基于STM32F4的多功能运动控制方法，其特征在于：通过I2C总线双向输出信息，将外界的驱动信号传输到芯片，通过ADC接收转换编码，再STM32F4芯片处理，将信号输送的仿真机；采用应答的通信方式，将接受的报文分为上行和下行报文格式，所有报文除了起始和结束字符外一律采用ASCII字符，在应答后，对于任何命令在被成功接收后都将返回一个应答报文。
4.根据权利要求1所述的基于STM32F4的多功能运动控制方法，其特征在于：通过上电，检测是否需要bootloader升级，如果需要升级则执行USB或连网的方式进行应用升级。
5.根据权利要求4所述的基于STM32F4的多功能运动控制方法，其特征在于：判断是识别PLC梯形指令还是C代码，如为PLC梯形指令，就需要判断是否支持PLC梯形指令解析，如果不支持则会状态指示灯报错，支持的话则执行PLC应用程序；如果判断能识别C代码，则会执行C应用程序。
6.根据权利要求1所述的基于STM32F4的多功能运动控制方法，其特征在于：与外设通过PWM脉冲实现电压电流的输入与输出，从而控制制动器以及电阻的阻值释放；通过双脉冲通道进行输入输出，双脉冲通过CW输入一个脉冲，则电机朝CW方向旋转一个指令单位或一个步级；CCW输入一个脉冲，则电机朝CCW方向旋转一个指令单位或一个步级；从而达到控制器的启停。
7.根据权利要求1所述的基于STM32F4的多功能运动控制方法，其特征在于：还包括运动控制器与负载的均衡控制的加减速控制器。
8.根据权利要求1所述的基于STM32F4的多功能运动控制方法，其特征在于：还包括集成分压电阻。
9.根据权利要求1所述的基于STM32F4的多功能运动控制方法，其特征在于：还包括V/W的电流测量器，实时的将负载发出来的电流电压进行监测，判定是否可以进行启动以及数据的转换。
10.根据权利要求1所述的基于STM32F4的多功能运动控制方法，其特征在于：采用zynq7000系为平台的控制板卡。
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