基于TC6014芯片的多轴运动平台研究

周国维 周小明

【摘 要】以STM32F103作为系统控制板，TC6014芯片作为运动控制核心而研究设计的一种多轴运动平台。可实现S型加减速运动控制，T型加减速运动控制以及插补算法画圆，不但具有较高性能，而且开发周期短，能滿足用户对多轴运动平台的多样性控制。

【关键词】运动控制芯片TC6014;STM32;多轴运动控制平台

引言

随着社会生产需求多元化的发展，对运动控制系统的要求也在不断改变，例如小型化，低成本，短时加工这些需求。基于PC平台的传统运动控制器有着高能耗，高成本，大型化等缺点，难以满足新的需求。

随着嵌入式在不断的发展，ARM微处理器低成本，低功耗，高性能的优点让其在工业控制领域得到广泛的发展和应用，但以单片机等微处理器作为控制核心的运动系统平台会出现速度慢，精度低等缺点。

为了满足精密制造对移植性强，低成本的通用性多轴数控运动平台的需求，本文提出一种结合ARM内核与TC6014运动控制芯片的多轴运动平台，可广泛应用在雕刻机，贴片机等数控加工领域。

1控制系统硬件平台设计

设计的多轴运动平台主要的硬件包括ARM主控制器，运动芯片，步进电机驱动器，步进电机和运动平台。

1.1MCU与TC6014芯片

硬件电路的主控芯片采用ST公司的32位处理器STM32F103ET6，该处理器内部集成了512KB的Flash存储器和64k的RAM，CPU运行速度最高可达72M频率，因为其低成本，低功耗，开发方便，被广泛运用于工业控制领域。

运动控制核心部分选用国内微芯公司设计的一块性能强大的国产运动控制芯片TC6014。该芯片能以多种脉冲输出控制，包括匀速，S型曲线加减速，T型曲线加减速等输出控制，以及支持任意两到三轴的圆弧插补控制。

STM32F103用来存放系统参数，操作系统代码和运动控制系统控制程序，可以通过串口和CAN总线与PC通信，得到并处理控制命令和插补参数。TC6014根据STM32F103发过来的运动参数，输出步进电机的脉冲信号，控制电机进行直线运动或插补运动，俩者之间通过总线方式（FSMC）连接。

1.2步进电机接口

为了防止工业生产中复杂极端的外界环境对系统的影响，需要加上光耦隔离电路作为抗干扰硬件电路。借助光耦隔离器进行信号隔离，使夹杂在芯片输出电压变化的干扰量无法达到光耦隔离的另一侧，起到了抗干扰的保护主要。X_OUT0引脚连接步进电机驱动器，把脉冲信号转化为差分信号A+，A-，B+，B-，驱动步进电机。

1.3多轴运动平台结构模型

为了达到多轴运动控制平台平稳，快速，定位精准的要求，模型结构采用的是两自由度的H型双边驱动机构运动模型，通过控制电机的驱动器操纵相连的机械结构，进而完成所预定的运动轨迹。

传动部件采用经典的直线导轨方案，具有传动速度快、传动精度高、故障率低、运行稳定、噪音较低和抖动少等优点，符合本文所需的传动结构。

2.控制系统软件设计

TC6014是通过STM32F103通过总线往寄存器赋值来操作，把运动参数和命令写入运动控制芯片TC6014，TC6014再进行运动控制。

以运行两轴插补运动为例，首先在初始化程序中完成对STM32的所需GPIO口的配置，然后通过FSMC软件复位TC6014，清除所有轴的软件逻辑位置，回归原点。接着初始化各轴的初始和驱动速度，加减速度，以及加减速度变化率，设置运行范围，两轴插补运动的圆心和插补终点。最后ARM发送运动参数和命令，运动芯片输出运行轨迹对应的脉冲，整体流程。

3.实验认证

用一小段直线或图形来逼近零件轮廓的方法是为插补。插朴实质上是根据有限的信息完成“数据密化”的工作，在工控系统中广泛使用，能够直观的反应一个运动控制平台的运动精度和实用价值。

为了验证本系统平台的可靠性和实用性，把本系统平台与一台基于STM32芯片的控制运动平台进行运动测试，同时运行运动参数一致的圆弧插补运动，结果如图1所示，左一为本文的设计系统，右一为对比测试。

可以看出本文的系统比仅基于STM32芯片控制的运动平台所作的插补运动更加圆滑，毛刺更少，无明显锯齿痕迹，说明本文设计的控制系统更加精细，插补效果好，同时系统运行期间结构稳定，传动无停滞，电机柔性冲击较少。

4.结语

本文设计了以STM32F103为控制核心，以TC6014为运动控制模块的多轴运动控制平台。设计的硬件电路能够满足生产环境复杂的干扰，软件实现逻辑清晰，可靠性高，成本较低。该运动平台能够满足小型数控平台精密加工的需求，具有广泛的应用市场。

参考文献：

[1]于桂贤，张礼勇，林海军，等.基于DSP的多轴运动控制系统研究[J].防爆电机，2009.

[2]徐喆，肖世德，叶美松，等.基于STM32多轴运动控制平台的设计与实现[J].煤矿机械，2017（02）：105-107.

（作者单位：华南理工大学广州学院计算机工程学院）