基于fpga多轴差补控制器设计与实现

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1、基于FPGA多轴差补控制器设计与实现马刚，曾平，吴自力（西安电子科技大学计算机外部设备研究所，陕西西安710071）摘要：介绍了一种基于FPGA实现多轴联动插补控制器的设计方案。通过将多种互不重叠的基脉冲叠加，实现速度的连续可调；采用累加器的半加载、被积函数的左移规格化以及空间矢量速度的调速再分解等方式，使得插补运算速度更快，脉冲分配更均匀，定位更准确。该系统达到了新型分光测色平台对步进电机高速高精度的控制要求。关键词：FPGA；速度控制；插补运算；多轴联动DesignandImplementationofMulti-axisInte

2、rpolationControllerBassedonFPGAMAGang,ZENGPing,WUZi-li(ResearchInst.ofcomputerPeripherals,XidianUniversity,Xi’an710071)Abstract:Adesignplanformulti-axissynchronizationinterpolationcontrollerbasedonFPGAisintroduced.Thecontinuousadjustmentofspeedcanberealizedthroughvariou

3、soverlappingofnon-overlappingbasicpulses;Measuresofsemi-loadingfortheaccumulator,left-shiftnormalizationfortheintegrandfunctionanddecompositionoftheadjustedspatialspeedvectorweretakentomakecalculationfaster,impulsedistributionmoreuniformandlocationmoreprecise.Thissystem

4、hasachievedthenew-typespectrophotometerplatform'scontrolrequirementonhigh-speedandhighprecisionofsteppingmotor.keywords:FPGA;speedcontrol;interpolation;computation;multi-axissynchronization1引言作者简介：马刚，男，1980年生，山东青岛人，硕士研究生，主要研究方向：高性能输入输出设备与色彩管理。项目来源：国家部委“十一五”预研项目（No.51316

5、0602）众所周知在连续轨迹控制中，我们不仅关心测量头到达目标点的精度，而且必须保证测量头能沿着我们所希望的轨迹,按规定的速度实现平稳而正确的运动。连续轨迹控制比较复杂，它需要通过插补运算，进行多轴脉冲的同时分配，进行协调控制，才能实现精确的空间轨迹跟踪。插补控制器的作用是完成运动轨迹的拟合，是一种计算机数控系统的基本单元。目前的数控系统中多采用软件插补器，虽然软件插补器具有很多的优点，但是由于其插补运算的串行性，使得运算速度较低，相比于硬件插补器的并行运算速度，有很大的局限性。特别是难以满足高速度、高精度控制系统的要求。传统上多采用

6、单片机来控制步进电机，由于单片机资源有限，通常会采用查表法来实现脉冲间隔的调配，以达到变速控制的目的。查表法虽然控制简单，但是缺乏灵活性，每次速度和加速度的变化都要修改表中的延迟时间，难以满足用户对速度实时控制的要求。本系统是基于FPGA（FieldProgrammableGateArray）用硬件描述语言Verilog实现的多轴联动数字积分（DDA）直线插补器。克服了单片机控制中，串行运算速度慢，修改延时表的灵活性差等不足。但是在数字插补控制系统中，对于速度的调节，往往采用计数器或锁相环技术进行脉冲频率的控制。其不足是只能进行整数倍

7、分之一的分频，不能进行任意连续的分频控制。为此笔者通过设置多路不相重叠的基脉冲，并根据所需要的速度选择合适的几路脉冲进行叠加，得到任意频率的速度脉冲，提高了灵活性。在DDA直线插补器部分，采用累加器的的“半加载”、电机运行步数的“左移规格化”、引进“虚轴”对空间矢量速度进行调速再分解等措施，对现有的硬件实现多轴联动的方式进行了优化,从而进一步提高了插补精度、运算速度及有效的降低了噪声。1插补控制器的结构本系统主要包括三部分见图1：输入输出端口模块、电机的速度控制模块和多轴插补控制模块。系统的输入端口信息包括系统时钟（clock）、复位

8、信号（reset）、初始速度（initial_speed）、加速度(accelerator)等简单控制信息以及经上层软件处理后的信息，如L轴（虚轴）电机的步数(l_steps)、X轴电机的步数(x_steps)、Y轴电机