基于TC6014芯片的多軸運動平臺研究獲獎科研報告

基于TC6014芯片的多軸運動平臺研究獲獎科研報告【摘

要】以STM32F103作為系統(tǒng)控制板，TC6014芯片作為運動控制核心而研究設(shè)計的一種多軸運動平臺?？蓪崿F(xiàn)S型加減速運動控制，T型加減速運動控制以及插補算法畫圓，不但具有較高性能，而且開發(fā)周期短，能滿足用戶對多軸運動平臺的多樣性控制。

【關(guān)鍵詞】運動控制芯片TC6014;STM32;多軸運動控制平臺

引言

隨著社會生產(chǎn)需求多元化的發(fā)展，對運動控制系統(tǒng)的要求也在不斷改變，例如小型化，低成本，短時加工這些需求?；赑C平臺的傳統(tǒng)運動控制器有著高能耗，高成本，大型化等缺點，難以滿足新的需求。

隨著嵌入式在不斷的發(fā)展，ARM微處理器低成本，低功耗，高性能的優(yōu)點讓其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，但以單片機等微處理器作為控制核心的運動系統(tǒng)平臺會出現(xiàn)速度慢，精度低等缺點。

為了滿足精密制造對移植性強，低成本的通用性多軸數(shù)控運動平臺的需求，本文提出一種結(jié)合ARM內(nèi)核與TC6014運動控制芯片的多軸運動平臺，可廣泛應(yīng)用在雕刻機，貼片機等數(shù)控加工領(lǐng)域。

1控制系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

設(shè)計的多軸運動平臺主要的硬件包括ARM主控制器，運動芯片，步進電機驅(qū)動器，步進電機和運動平臺。

1.1MCU與TC6014芯片

硬件電路的主控芯片采用ST公司的32位處理器STM32F103ET6，該處理器內(nèi)部集成了512KB的Flash存儲器和64k的RAM，CPU運行速度最高可達72M頻率，因為其低成本，低功耗，開發(fā)方便，被廣泛運用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

運動控制核心部分選用國內(nèi)微芯公司設(shè)計的一塊性能強大的國產(chǎn)運動控制芯片TC6014。該芯片能以多種脈沖輸出控制，包括勻速，S型曲線加減速，T型曲線加減速等輸出控制，以及支持任意兩到三軸的圓弧插補控制。

STM32F103用來存放系統(tǒng)參數(shù)，操作系統(tǒng)代碼和運動控制系統(tǒng)控制程序，可以通過串口和CAN總線與PC通信，得到并處理控制命令和插補參數(shù)。TC6014根據(jù)STM32F103發(fā)過來的運動參數(shù)，輸出步進電機的脈沖信號，控制電機進行直線運動或插補運動，倆者之間通過總線方式（FSMC）連接。

1.2步進電機接口

為了防止工業(yè)生產(chǎn)中復(fù)雜極端的外界環(huán)境對系統(tǒng)的影響，需要加上光耦隔離電路作為抗干擾硬件電路。借助光耦隔離器進行信號隔離，使夾雜在芯片輸出電壓變化的干擾量無法達到光耦隔離的另一側(cè)，起到了抗干擾的保護主要。X_OUT0引腳連接步進電機驅(qū)動器，把脈沖信號轉(zhuǎn)化為差分信號A+，A-，B+，B-，驅(qū)動步進電機。

1.3多軸運動平臺結(jié)構(gòu)模型

為了達到多軸運動控制平臺平穩(wěn)，快速，定位精準的要求，模型結(jié)構(gòu)采用的是兩自由度的H型雙邊驅(qū)動機構(gòu)運動模型，通過控制電機的驅(qū)動器操縱相連的機械結(jié)構(gòu)，進而完成所預(yù)定的運動軌跡。

傳動部件采用經(jīng)典的直線導(dǎo)軌方案，具有傳動速度快、傳動精度高、故障率低、運行穩(wěn)定、噪音較低和抖動少等優(yōu)點，符合本文所需的傳動結(jié)構(gòu)。

2.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

TC6014是通過STM32F103通過總線往寄存器賦值來操作，把運動參數(shù)和命令寫入運動控制芯片TC6014，TC6014再進行運動控制。

以運行兩軸插補運動為例，首先在初始化程序中完成對STM32的所需GPIO口的配置，然后通過FSMC軟件復(fù)位TC6014，清除所有軸的軟件邏輯位置，回歸原點。接著初始化各軸的初始和驅(qū)動速度，加減速度，以及加減速度變化率，設(shè)置運行范圍，兩軸插補運動的圓心和插補終點。最后ARM發(fā)送運動參數(shù)和命令，運動芯片輸出運行軌跡對應(yīng)的脈沖，整體流程。

3.實驗認證

用一小段直線或圖形來逼近零件輪廓的方法是為插補。插樸實質(zhì)上是根據(jù)有限的信息完成“數(shù)據(jù)密化”的工作，在工控系統(tǒng)中廣泛使用，能夠直觀的反應(yīng)一個運動控制平臺的運動精度和實用價值。

為了驗證本系統(tǒng)平臺的可靠性和實用性，把本系統(tǒng)平臺與一臺基于STM32芯片的控制運動平臺進行運動測試，同時運行運動參數(shù)一致的圓弧插補運動，結(jié)果如圖1所示，左一為本文的設(shè)計系統(tǒng)，右一為對比測試。

可以看出本文的系統(tǒng)比僅基于STM32芯片控制的運動平臺所作的插補運動更加圓滑，毛刺更少，無明顯鋸齒痕跡，說明本文設(shè)計的控制系統(tǒng)更加精細，插補效果好，同時系統(tǒng)運行期間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，傳動無停滯，電機柔性沖擊較少。

4.結(jié)語

本文設(shè)計了以STM32F103為控制核心，以TC