基于FPGA的高速五轴步进电机运动控制卡设计.pdf

2012年2月 第40卷第4期 机床与液压 MACHINE T00L HYDRAULICS Feb 2012 Vo1 40 No 4 DoI 10 3969 j issn 1001 3881 2012 04 024 基于FPGA的高速五轴步进电机运动控制卡设计 杨秀增 广西民族师范学院物理与信息技术系 广西崇左532200 摘要 利用现场可编程门列阵设计一款五轴步进电机运动控制卡 采用了NioslI软核CPU FPGA的硬件设计方 案 利用NioslI软核CPU运行控制程序 利用FPGA来实现数字差补算法和细分驱动 采用了数字积分算法和正弦 波脉宽调制细分驱动技术 测试结果表明 该运动控制卡具有电路紧凑 性价比高而速度快 精度高和实时性强优 点 关键词 运动控制卡 五轴步进电机 数字积分算法 正弦波脉宽调制细分 现场可编程门列阵 中图分类号 TP273 文献标识码 B 文章编号 1001 3881 2O12 4 066 3 Design of High speed Motion Control Card for Controlling 5 axis Stepping Motor Based on FPGA YANG Xiuzeng Department of Physics and Information Techology Guangxi Normal University for Nationalities Chongzuo Guangxi 532200 China Abstract A kind of high speed motion control card for controlling 5一axis stepping motor was implemented by FPGA and a kind of design scheme based on NiosII FPGA was proposed The NioslI soft core CPU was used to run controlling program and the algorithm of digital differential and subdivided drive were implemented by FPGA The algorithm of digital differential ana lyzer DDA and technology of SPWM were adopted in the card Testing result shows that the card has the advantages of circuit compact high ratio of price performance high controlling precision and strong real time performance Keywords Motion control card 5一axis stepping motor DDA SPWM drive FPGA 随着现代加工制造业的迅猛发展 普通三轴数控 机床已满足不了人们对加工零件的要求 五轴数控 机床由于能加工异型复杂的零件曲面 在现代加工 制造业中 特别是在航天 航空 军事工业中得到广 泛的应用 因此 研究高精度 高性能的五轴数控机 床已经成为整个机床行业的研究重点 五轴运动控 制卡是五轴数控机床的重要组成部件 是数控机床的 下位控制单元 与Pc机构成主从式控制结构 能 对步进电机进行复杂的逻辑处理 速度控制 联动 控制等 然而 目前的多轴运动控制卡 采用基于 DSP FPGA设计结构 使DSP与FPGA完全分离 设计复杂 开发成本较高 针对以上情况 作者利用一片大模块现场可编程 逻辑门列阵 FPGA 设计了一款基于NioslI与FPGA 的五轴电机运动控制卡 在FPGA内部嵌入了NiosII 软核CPU 并利用这个内嵌的NiosI1软核CPU来运 行一些简单的程序 利用FPGA来实现差补算法和细 分驱动 因此 该运动控制卡在设计结构 系统升 级 实时性等方面具有较好优势 1 运动控制卡总体硬件设计框图及各个模块的功 能 图1为该运动控制卡的硬件设计框图 从结构来 看出 该运动控制卡由一片大规模的现场可编程逻辑 门列阵 双点划线框内 步进电机功率驱动模块和 一些外围的元器件构成 EPCS4 存储器 至PC机 CP2101 昕式芯片 FPGA EpCS 控制器 NioslI 处理器 0 sDRAM SDRAM 控制器r11存储器 圄涠 蚍 H H 步进 电机 功率 驱动 模块 步进 电机 图l 基于FPGA的五轴步进电机运动控制卡设计框图 收稿日期 2011 01 10 基金项目 广西民族师范学院科研资助项目 XYYB2011029 广西壮族自治区教育厅科研资助项目 200911LX474 作者简介 杨秀增 1974一 男 工学硕士研究生 讲师 主要从事嵌入式系统设计与应用和微机测控技术研究 E mail gxsdyan 126 com 68 机床与液压 第40卷 标值 作为该次数字积分器的被积函数 如果某一 轴坐标值越大 意味着该轴的运动距离越远 在单位 时问内 数字积分器产生的步进脉冲越多 状态寄存 器用于寄存控制器当前所处的状态 闲 或 忙 总步进数寄存器用于寄存5个步进电机要走 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位启动信号和5位步进电机的 方向转动控制信号 S0MH 寄存器文件单元 L一 矍 轴坐标寄存器 状态寄存器 速度控制l 32 I l d v 3 二 五轴数字 积分器 EN 十cIr十 32厂 L RDl 尉终 定 兰 i I丝 堂童 上 L l 一 一 一 轴步进脉冲 Y轴步进脉冲 z轴步进脉冲 口轴步进脉冲 d袖步进脉冲 图3插补控制器IP核硬件设计框图 步进脉冲信号 方向控制信号 步进电机 方向控制 一 任务逻辑单元是此IP核的最重要模块 实现5 个步进电机的联动和速度控制功能 包括五轴数字积 分器模块 终点判定模块 可编程分频器和状态机4 个功能模块 五轴数字积分器由5个互相独立的数字积分器 组成 每一个坐标轴对应一个数字积分器 在CLK 时钟的控制下 各轴的数字积分器对各轴的被积函 数 坐标寄存器中的值 进行数字积分运算 产生 各轴步进电机的步进脉冲信号 实现各轴的联动控 制 终点判定模块用于判断该次差补运算是否到达 终点 状态机是协调控制中心 使各个模块之间协 调工作 速度控制模块实质上是一个可编程的分频 控制器 该速度控制器根据速度反馈信号V 自动 加载不同的分频因子 使步进电机在一次差补过程 中 分为步进电机加速 步进电机匀速和步进电机 减速3个阶段 2 3 SPWM细分驱动器设计 为了克服低频振动 噪声大 高频失步和分辨率 低等缺点 有效改善步进电机的运行性能 该控制卡 中采用正弦波脉宽调制 SPWM 细分驱动 图4为 一个二相混合式步进电机的细分驱动器设计原理框 图 包括地址发生器 双口ROM 数据变换器 PI 调节器 PWM调制器和数字变相器等模块 采样绕组 反馈电压 A相 PI调节器 P 1调节器 1 f H PWM 调制 PWM 调制 B相极性信号 采样绕组 反馈电压 图4 SPWM细分驱动器硬件系统原理图 地址发生器实质是个计数器 它能根据方向控制 信号的电平高低对步进脉冲信号进行加或减计数 当 为高电平时 计数器加1 A和B相地址相应都增1 当为低电平时 计数器减1 A和B相地址相应都减 1 但A和B相地址值不相等 它们之间的相位差为 rr 2 为了提高步进电机的细分驱动分辨率 在双口 ROM中 连续存放着一个周期 共1 024点 正弦 波数据 每一点的数据对应着不同的地址 随着地址 的增加 正弦波数据被逐个读出 在双口ROM中存 放非负极性信号 为了得到恒幅均匀的旋转力矩 必 需对双口ROM的数据进行转换 数据变换器就是实 现这个功能 它能根据A相和B相的极性信号 把 一个周期的正弦数据变换成以 轴对称的正弦数据 为了能有效地控制步进电机励磁绕组中的电流 在电 路中设计了PI调节器 PI调节器根据给定的正弦数 据和采样绕组反馈电压信号之间的差值进行PI调节 使系统的动态响应时间变得更快 PWM调制器根据 输入控制信号的值 控制输出信号的占空比 完成 PWM调制 数字变向器 根据A相和B相的极性信 号对PWM输出信号进行变相处理 改变电流方向 当0 叮T时 PWM调制信号从AH输出 当盯 2 r 时 PWM调制信号从AL输出 3系统软件设计 系统软件设计 分为上位机Pc机编程和下位机 下转第71页 一一一一一一一 一