摘 要： 本文以五軸機械手的設計實現為背景，提出了一種基于以Cortex-M4為內核的微處理器STM32F407構成的嵌入式運動控制器。本設計方案引入現場總線的通信方式，利用其高可靠性和高通用性的特點，使得運動控制器具有高開放性和模塊化的特點。文中提供的以CAN總線控制多個私服電機的設計方法，使得硬件電路的設計大大簡化，也使得通信的效率和可靠性大幅提升。測試表明，控制器的性能穩定可靠，能夠滿足機械手控制的需求，同時本設計對工業控制領域有著實際的應用指導意義。
關鍵詞： CAN；多電機系統控制；現場總線
0 引言
現代科學技術的不斷發展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。機械手是近代自動控制領域出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統中的一個重要組成部分。運動控制技術作為其中的核心組成部分，得到長足的發展，目前已成為自動化技術的一個重要分支[1]。隨著現代控制技術的提高，運動控制器的出現在某種意義上滿足了新型數控系統的標準化、開放性的要求，為各種工業設備、國防設備以及智能醫療裝置自動化控制系統的研制和改造提供了一個統一的硬件平臺。運動控制器是運動控制技術中最具代表性的產品，其性能優劣直接關系到生產的效率和質量[2]。在此背景下，本文設計了一種基于STM32F407，采用以太網、CAN總線通信方式的五軸機械手運動控制器。
1 機械手運動控制器總體方案
目前市場上的運動控制器依據不同的原則有不同的分類。按照運動控制器的核心技術方案，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、基于數字信號處理（DSP）型等；按照運動控制器的系統結構，可分為基于總線的運動控制器和獨立應用的運動控制器以及混合型的運動控制器[3]。本設計方案采用基于微控制單元型和現場總線的設計方案，機械手運動控制器的系統結構如圖1所示。
由上圖可以看出該系統主要是由手持器、控制電路、電機驅動器及電機等幾部分組成。本文主要討論其中的控制電路的設計，其運行過程大致是手持器通過以太網接口把相應的動作指令發給控制電路，該過程采用LWIP協議。然后控制電路在接收到指令之后，開始解析指令，再通過CAN接口給伺服電機驅動器發送指令，該過程采用CANopen協議。伺服驅動器在得到指令后開始驅動電機，在電機到達指定位置后停止。在整個系統運行過程中，如何實現對五個電機的實時控制是整個系統的關鍵。為了保證數據在傳輸過程中的可靠性和實時性，系統在設計時采用了CAN接口和以太網接口。
2 運動控制器的硬件電路設計
由于本設計采用現場總線進行通信，所以硬件電路得到很大簡化。本設計主要以STM32F407VGT6為處理中心，通過以太網與手持器通信，以CAN總線與電機驅動器通信。由圖2可以看出，CANopen通信是在控制電路和電機驅動器之間實現的。STM32F407VGT6基于高性能ARM CortexTM-M432位RISC內核，可在高達168 MHz的頻率下工作。Cortex-M4內核采用單一精密浮點單元（FPU），支持所有ARM單一精密數據處理指令和數據類型。該系列還能執行全套DSP指令，執行存儲保護單元（MPU），用以加強應用安全性[4]。以太網采用的是PHY控制器DP83848，DP83848是一個強大的、功能齊全的單端口10/100物理層設備，提供低功耗管理，包括幾個智能功率下降狀態。這些低功耗模式可以提高整體產品的可靠性，減少功耗。CAN的硬件實現包括兩個部分：與OSI模型中數據鏈路層和物理層分別對應的CAN控制器和CAN收發器。本文采用基于Cortex-M4內核的STM32系列芯片作為控制電路的MCU，該芯片內有CAN控制器，并且完全支持CAN 2.0協議。CAN收發器選用CTM1050T，其內部集成了CAN隔離及收發器件，將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，同時具有隔離功能機ESD保護作用。運動控制器硬件結構示意圖如圖2所示[5]。
3 運動控制器程序設計
運動控制器的程序部分主要分為兩個模塊：控制模塊和通信模塊。控制模塊完成系統控制參數的計算和控制量的輸出；通信模塊一方面通過以太網接收手持器發送的動作命令，另一方面根據命令通過CAN總線來控制電機運動。運動控制器程序是整個控制系統的核心，首先調用?滋C/OS-II操作系統中的函數完成任務調度和內存管理，然后根據移植的LWIP協議完成以太網通信，最后是CAN總線和其他I/O的硬件配置。整個程序主要分為三個任務：以太網通信、數據處理和CAN通信。以太網任務主要完成與手持器的通信，接收上面發送的數據與指令，采用查詢方式來完成數據的接收。數據處理任務根據以太網傳送過來的數據和指令選擇不同的數據處理子函數，通過這些子函數來執行相應的動作。CAN通信任務主要是與電機驅動器進行通信，把數據處理任務傳送過來的動作指令轉換成CANopen協議的指令形式進行通信。在這三個任務中，數據處理任務是最為核心部分，其流程圖如圖3所示。
上圖中的模式是指機械手的運動模式，其任務就是根據以太網中的指令來判斷機械手需要在什么模式中運行，然后調用子函數運行以太網傳遞下來的數據，再通過CAN向驅動器發送指令。
4 結束語
本文討論了多軸運動控制器的設計，給出了基于ARM和現場總線相結合的控制方案。現場總線集數字通信、微機技術、網絡技術于一身，從根本上突破了傳統的點對點式的模擬信號或數字-模擬信號控制的局限，為真正的分散式控制集中式管理提供了技術保證。ARM處理器具有高性能、低功耗、體積小等特點，兩者的結合可以縮短研發時間，提高研發效率，應用前景十分廣泛。
參考文獻
[1] 郗志剛，周宏甫.運動控制器的發展與現狀[J].電氣傳動自動化，2005，27（3）：10-14.
[2] 李澄，趙輝，聶保錢.基于CANopen協議實現多電機系統實時控制[J].微電機，2009（9）：53-56.
[3] 張峰.嵌入式多軸運動控制器的研究與開發[D].青島：山東科技大學，2008.
[4] 吳世名.基于ARM的三軸機械手控制系統研究與設計[D].杭州：浙江工業大學，2013
[5] 王峰.基于嵌入式系統的CANopen協議分析研究[D].天津：天津理工大學，2010．