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-axisInterpolatio

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

3、n-overlappingbasicpulses;Measuresofsemi-loadingfortheaccumulator,left-shiftnormalizationfortheintegrandfunctionanddecompositionoftheadjustedspatialspeedvectorweretakentomakecalculationfaster,impulsedistributionmoreuniformandlocationmoreprecise.Thissystemhasachievedthenew-typesp

4、ectrophotometerplatform'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.513160602)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

5、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,

6、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

7、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)、复位信号(reset)、初始速度(initial_speed)、加速度(accelerator)等简单控制信息以及经

8、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

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