基于STM32F429 + ECM-XFU搭建运动控制平台，实现1ms插补周期的24轴EtherCAT控制

笔者最近在做一个运动控制器项目，其最核心的要求是实现24轴的EtherCAT控制。本文记录整个项目的制作过程，笔者才疏学浅，如有错误还请指正。

一、项目整体要求

通过 EtherCAT 总线实现多轴电机运动控制功能，具有功能如下：

• 最多达24轴运动控制，支持国内外主流厂家伺服电机EtherCAT接口控制；
• 支持点动、回零、速度、位置等控制模式；
• 支持各种插补运动算法，可实现多轴联动控制；
• 支特电子凸轮、电子齿轮、位置锁存、同步跟随、虚拟轴等功能。

对控制器底层程序进行封装，实现不同通讯接口与外部设备数据交互，功能如下：

• 通过 EtherCAT 接口实现与伺服电机驱动器通讯并具备多种应用功能调用接口；
• 通过 RS232 或 485 接口实现与触摸屏或其他设备通讯，支持 MODBUS RTU 协议：
• 通过以太网接口实现与示教器、上位机等设备通讯，支特 MODEUS TCP协议;
• 通过 CAN 总线，支持CANopen的IO控制功能。

二、硬件总体设计方案

2.1 最小系统设计

MCU选用STM32F429IGT6，芯片为LQFP-176封装，该芯片的详细介绍可查看以下链接：

STM32F429/439 - 意法半导体STMicroelectronics

考虑到STM32F429自带的2M FLASH不够使用，通过FSMC映射添加NAND FLASH和SDRAM。

NAND FLASH选用MT29F4G08，该芯片具有4GB的储存空间，详见介绍以下链接：

MT29F4G08ABADAH4 Datasheet(PDF) - Micron Technology (alldatasheet.com)

SDRAM选用W9825G6KH-6芯片，该芯片存储容量为256M（16M * 16）、速度为166MHz。详细介绍见以下链接：

W9825G6KH-6_（WINBOND(华邦)）W9825G6KH-6中文资料_PDF手册

同时添加VBAT外围电路、复位电路、SWD调试接口；配置BOOT0和BOOT1为低电平，程序从FLASH启动。相关电路笔者参考了正点原子的设计，在此不展开赘述。

2.2 外围接口设计

以太网选用LAN8720A作为PHY芯片，芯片介绍如下：

LAN8720A-CP-TR_（MICROCHIP(美国微芯)）LAN8720A-CP-TR中文资料_PDF手册

DAC使用DAC8532IDGKR，该芯片为双通道、16位轨到轨工作电压，芯片介绍如下：

DAC8532 datasheet (Rev. B) (ti.com.cn)

DAC使用ADS8684IDBT，该芯片为4 通道16 位、500kSPS，芯片介绍如下：

ADS868x  datasheet (Rev. B) (ti.com.cn)

DI和DO使用STM32的GPIO口。通过使用不同的电路拓扑实现PNP、NPN、干触点信号输入。

通过SPI控制主站芯片ECM-XF，实现24轴的EtherCAT控制。该主站芯片最大可连接128个从站，最快循环周期125us，详细介绍可以查阅以下链接：

Master Chip & Module – 訊成科技股份有限公司 (nextw.com.tw)

RS485、RS232和CAN电路按常规搭建即可。

 2.3 供电方案设计

电源供电满足芯片需求即可，这是本文制作的驱动器的供电方案：

• 外部输入24V电源
• 24V转12V供电
• 24V转±15V供电
• 24V转5V供电
• 5V转3.3V供电

三、可行性验证

为验证可行性，首先使用开发板搭建电路进行验证。使用正点原子的 STM32F429 阿波罗开发板通过 SPI 与 ECM-XFU-SK 开发板通讯，两块板子的介绍可以参考以下链接：

stm32f429阿波罗开发板 — 正点原子资料下载中心 1.0.0 文档

Master Chip & Module – 訊成科技股份有限公司 (nextw.com.tw)

伺服驱动器分别使用了1台英威腾DA200和2台台达A2-E，常规的环形拓扑结构，如下图所示：

四、软件系统框架

 本运动控制器为裸奔系统，主要涉及以下几个内容：

• 实时操作系统（笔者基于定时器中断和轮询实现的裸奔系统）
• 基于 LWIP 协议的以太网通讯
• 基于 FreeModbus 实现 Modbus TCP 和 Modbus RTU
• 基于 CanFestival 实现 CanOpen 通讯

上位机使用C++语言编写函数库，并基于QT制作交互界面。

五、EtherCAT功能的实现

运动控制器设计——基于FreeModbus在STM32F4平台实现ModbusTCP协议_河狸打捞员的博客-优快云博客https://blog.youkuaiyun.com/weixin_48501028/article/details/132472701

EtherCAT运动控制——电子凸轮的实现（原理介绍、附代码）_河狸打捞员的博客-优快云博客https://blog.youkuaiyun.com/weixin_48501028/article/details/132758163?spm=1001.2014.3001.5502

 六、运动控制器功能演示

经过三个多月的加班加点研究，这个运动控制器已初具模型. 界面是简陋了些，不过已经实现了基本的功能。主要包括直线插补，圆弧插补，同步运动，电子齿轮，电子凸轮的功能。之后有时间的话我再细致展开运动控制器的实现过程。 

运行控制器-案例展示