基于DDA插补算法的五轴步进电动机插补控制器IP核设计

2011-11-20杨秀增黎运宇

微特电机 2011年9期

杨秀增，黎运宇

(广西民族师范学院，广西崇左532200)

0 引言

插补控制器是数控系统的基本单元，用来完成运动轨迹的拟合［1］。随着加工零件结构复杂程度的提高，对数控制系统的插补控制器性能提出了更高的要求，不仅要求插补控制器具有高精度、高速度，还要求具有多轴联动控制功能，比如，对复杂曲面零部件加工，目前广泛采用具有五轴联动线性插补功能［2］的插补控制器，但是，目前的数控系统利用软件插补器［3］，软件插补器由于用软件实现插补功能，其性能难以满足复杂数控系统的要求［3］。

针对以上情况，本文利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)［4］，设计了一款基于数字积分算法(DDA)五轴步进电动机联动控制的硬件插补控制IP核，由于该插补器控制器全都由硬件来实现，因此，本控制器具有速度快、精度高和实时性强等优点，能应用于多轴复杂的数控系统中。

1 IP核硬件系统框图及其工作原理

图1为本设计的硬件系统原理框图。由图1可见，本设计包括Avalon接口单元、寄存器文件单元和任务逻辑单元三大部分。

图1 五轴步进电动机插补控制器IP核硬件原理框图

Avalon接口单元是本控制IP核的接口电路，负责把用户任务逻辑单元，按基于Avalon总线通信协议接在Avalon总线上，以便实现用户任务逻辑单元与NiosII软核CPU进行通信。

寄存器文件单元由如下九个寄存器组成:

分频因子寄存器，用于寄存可编程分频器的分频因子，其大小能有效地控制插补器的插补速度;X轴坐标寄存器、Y轴坐标寄存器、Z轴坐标寄存器、B轴坐标寄存器和C轴坐标寄存器，分别寄存X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴的终点坐标值，作为数字积分器的被积函数，其值越大，被积函数值越大，意味着该轴的运动距离越远，在单位时间内，数字积分器产生的步进脉冲越快;状态寄存器，用于寄存控制器的当前所处的状态(“闲”或“忙”)，用高或低电平来表示;总步进数寄存器，用于寄存五个步进电动机要走的总步进数;控制寄存器，寄存着各种控制信息，包括1位暂停控制信号、1位起动信号和5位步进电动机的方向转动控制信号。

任务逻辑单元是本IP核的行为部分［5］，要实现五轴步进电动机的联动和速度控制功能。五轴数字积分器模块，由五个相互独立的数字积分器组成，此模块能对各轴坐标的值进行数字积分运算，不断地产生各轴步进电动机的步进脉冲信号，控制着各轴步进电动机的运动速度和联动功能;终点判定模块对各轴输出的步进脉冲进行计数，并且把计数的结果与总步进数寄存器的值进行比较，如相等，表示已到达终点，用over信号通知状态机表示本次差补结束;状态机是任务逻辑单元的协调控制中心，能产生各种时序控制信号，使五轴数字积分器和终点判定模块的协调工作;可编程分频器可根据分频因子的值对50 MHz时钟进行分频，得到不同频率的工作时钟，实现步进电动机的速度控制。

2 IP核硬件系统的FPGA设计

2.1 寄存器文件设计

寄存器文件由九个寄存器组成，寄存着控制信息、状态信息和各种数据。每个寄存器对应着不同的地址，且读写方向和位宽也不尽相同，表1列出这些寄存器的名称、相对地址、读写方向、位宽和功能描述。

表1 寄存器组定义与地址分配

图2 数字积分器的原理方框图

2.2 任务逻辑设计

2.2.1 可编程分频器设计

在本设计中，利用一个可编程分频器来控制步进电动机的转动速度。由图1可知，分频器的分频因子变大，50 MHz的系统时钟被分频器分频的频率变小，数字积分器的工作时钟变小，数字积分器的运算速度变慢，步进电动机速度变小;相反，分频器分频因子变小，分频器的输出频率变大，五轴数字积分器的运算速度变快，步进电动机转速变快。

2.2.2 五轴数字积分器设计

为了实现五个步进电动机的联动控制，设计了五轴数字积分器。五轴数字积分器由五个互相独立的数字积分组成，每一个坐标轴对应一个数字积分器，其原理框图如图2所示，坐标值寄存器存放本次直线插补的终点坐标值，作为数字积分器的被积函数。在插补前，clr要对余数寄存器内容清零，插补起动后，在clk时钟的上升沿控制下，加法器对坐标寄存器的值和余数寄存器的值进行一次加法运算，并把运算结果存放在余数寄存器中。在设计中，余数寄存器最高位作为驱动步进电动机的步进脉冲，每个上升沿表示步进电动机要步进一步，本积分器的Verlogn HDL程序如下:

module Digital_integrator(iclk，iclr，idata，step_pulse，en);

input iclk，iclr，en;

input［15:0］idata;//数据输入

output step_pulse;//步进脉冲

reg［16:0］sum;//中间寄存器

always@(posedge iclk or posedge iclr)

if(iclr)//高电平，清零

sum=0;

else if(en)//高电平，进行累加

sum=sum+idata;

assign step_pulse=sum［16］;//步进脉冲

endmodule

2.2.3 终点判定模块设计

终点判定模块用于判定步进电动机是否运动到终点。插补前，NiosII根据本次差补的终点坐标值和步进电动机的最小步长的值，计算出五个步进电动机的步进数总数，并把这总数写到总步进数寄存器，插补开始后，终点判定模块读取总步进数寄存器的值，并对各轴步进脉冲的上升沿进行计数，当计数的值与读到时的总步进数相等时，表明步进电动机已到达终点，用over信号通知状态机停止本次直线插补，本模块的Verlogn HDL程序如下:

module end_test(x_p，y_p，_p，b_p，c_p，over，idata，RD);

input x_p，y_p，z_p，b_p，c_p，RD;

output reg over;//终点结束输出

input［31:0］idata;//数据输入

reg［31:0］mcounter，mreg;//中间寄存器

wire dclk;

assign dclk=x_p||y_p||z_p||b_p||c_p;always@(posedge dclk or posedge RD)if(RD)begin mreg=idata;over=0;end//RD为高电平时，读取数据

else if(mcounter==mreg)

begin end_out=1;mcounter=0;end//如计数与总步进数相等进，结束

else begin mcounter=mcounter+1;over=0;end//否则计数endmodule

2.2.4 状态机设计

图3 状态机的状态转换图

状态机用于协调五轴数字积分器和终点判定模块协调工作。图3为本状态机的状态转换图，包括“空闲”状态(s0)、数据初始化状态(s1)和步进控制状态(s2)三个状态。在NiosII没有起动插补器前，状态机始终在“空闲”状态(s0)中等待起动信号(start)到来;一旦start为高电平，表明NiosII起动插补器，状态机由等待状态(s0)进入数据初始化状态(s1)，在状态中，状态机对数字积分器的余数寄存器内容清零和用RD信号通知终点判定模块读取总步进数寄存器的值，在时钟控制下，状态机无条件地进行步进电控制状态(s2)，在此状态中，EN为高电平，使五轴数字积分器开始进行积分运算，当over为高电平时，此状态结束，进入“空闲”状态s0中。

2.3 Avalon接口设计

在QuartusII 8.0软件中，SOPC Builder工具提供了6种不同接口类型和信号，设计者可根据设计需要选择接口，并把任务逻辑各种信号，指定Avalon信号类型，表2为本设计所用到的接口单元信息。

表2 Avalon接口信息表

3 软件设计

硬件系统工作离不开软件的支持，硬件系统的设计结构和工作原理决定了软件的编写方法［6］。在插补前，读取状态寄存器里的值，了解系统工作状态，如处于“空闲”状态，NiosII把本次直线插补终点坐标写到相应的寄存器中，然后，根据空间直线的长度和步进电动机的步距，计算出总的步进脉冲数，并写入总步进脉冲寄存器中。最后，根据直线插补方向设置好控制寄存器方向控制位后，起动插补器。

4 IP核在五轴步进电动机运动控制卡中应用及其测试

本控制器IP核被成功地应用于如图4所示的五轴步进电动机运动控制卡中。本运动控制卡在一片FPGA上实现。UART控制器、JTAG控制器、NiosII处理器、EPCS控制器、SDRAM控制、LCD控制器、PIO控制器和Avalon数据总线构成基于NiosII的最小系统;五轴步进电动机插补控制器是通过例化本设计IP核得到的;SPWM细分驱动器实现步进电动机的细分驱动，改善步进电动机的运动性能。加工的数据从上位机的USB口传送到五轴步进电动机控制卡中，CP2101桥式控制芯片把USB数据流转换成UART数据流，然后NiosII把这些数据写到五轴步进电动机插补控制器中。本运动控制卡的具体设计方法，限于篇幅，本文不作介绍。

图4 基于FPGA的五轴步进电动机运动控制卡设计框图

5 测试结果

对以上所设计的运动卡进行测试，现场可编程逻辑门阵列选用Altera公司的EP3C25Q240C8N，步进电动机选用Leetro公司生产的二相式步进电动机DM4250C。测试结果表明，本运动控制卡工作稳定，被控制的步进电动机工作平稳，插补运算速度快、控制精度高。图5为利用QuartusII嵌入式逻辑分析仪(SigalTap II Logic Analyzer)测试五轴数字积分器的输出信号波形:xp、yp、zp、bp和cp分别是X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴的步进脉冲输出，信号每一个上升沿表示步进电动机走一步，从图5可以看出，它们之间的步进数(上升沿数)刚好为2倍关系，说明五轴步进电动机具有良好的联动关系，有效验证了本设计的正确性。