現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)及其在PLC系統(tǒng)中的應(yīng)用
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1 運(yùn)動(dòng)控制模塊的研制
本設(shè)計(jì)中,運(yùn)動(dòng)控制模塊負(fù)責(zé)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、多軸聯(lián)動(dòng)、G代碼解釋等工作，是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”。因此運(yùn)動(dòng)控制器的性能直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)床的性能。
1.1 總體結(jié)構(gòu)
為實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)控計(jì)算，系統(tǒng)采用雙MCU結(jié)構(gòu)，主控MCU負(fù)責(zé)G代碼讀寫與解釋、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)；NC運(yùn)動(dòng)控制MCU（即運(yùn)動(dòng)控制芯片）作為一個(gè)專用數(shù)字芯片，負(fù)責(zé)三軸電機(jī)的速度控制、定位、多軸直線和圓弧插補(bǔ)等任務(wù)，以保證運(yùn)動(dòng)控制模塊在完成復(fù)雜的工作時(shí)仍能提供良好的性能。運(yùn)動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。
模塊采用SD卡作為G代碼文件的存儲(chǔ)器。SD卡具有大容量、小體積、支持熱插拔等特點(diǎn)，尤其是其兼容SPI總線讀寫，省去了主控制器作為USB盤讀寫的硬件，降低了成本。
運(yùn)動(dòng)控制模塊具有現(xiàn)場(chǎng)總線通信功能，支持RS-485和CAN總線2種現(xiàn)場(chǎng)總線物理層規(guī)范。以可靠性為設(shè)計(jì)原則，總線接口與主控制器進(jìn)行了電氣隔離，并加入保護(hù)元件提高其抗瞬態(tài)干擾能力。圖2、圖3分別是模塊RS-485和CAN總線的隔離接口原理圖。其中使用了TI公司的高速數(shù)字隔離器ISO7221進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的電氣隔離，同時(shí)在接口端設(shè)置了瞬態(tài)抑制二極管（TVS管）進(jìn)行保護(hù)，確保了硬件在各種環(huán)境下的可靠性。
1.2 Cortex-M3與STM32簡(jiǎn)介
ARM Cortex-M3是一種基于ARM7架構(gòu)的最新ARM嵌入式內(nèi)核，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，使用分離的指令和數(shù)據(jù)總線(馮諾伊曼結(jié)構(gòu)下,數(shù)據(jù)和指令共用1條總線）,在成本和功耗方面，Cortex-M3具有相當(dāng)好的性能。
基于Cortex-M3核的STM32F103系列MCU,運(yùn)行于最高72 MHz的總線頻率,可以獲得1.25 DMIPS/MHz的運(yùn)算性能、單周期乘法指令、硬件除法器，帶有容量至少為32 KB的Flash及6 KB的SRAM、2個(gè)12位A/D、7通道DMA、6路16位定時(shí)器及PWM、SPI、I2C、USART、USB、CAN等高性能模塊，并具有最高18 MHz輸出頻率的高速GPIO。在電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用中，可以充分發(fā)揮其先進(jìn)內(nèi)核的性能和豐富的模塊資源特性。
1.3 工作流程
運(yùn)動(dòng)控制器工作流程總體示意圖如圖4所示。
評(píng)論