基于FPGA的多轴联动插补控制器的设计.pdf

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1、《电气自动化~2013年第35卷第2期电力系统及其自动化PowerSystem＆Automation基于FPGA的多轴联动插补控制器的设计赵伟，黄莹，唐厚君(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240)摘要：介绍了在数字积分(DDA)插补算法的基础上，实现了一种基于FPGA(现场可编程门阵列)的多轴联动插补控制器的设计方案。详细阐述了插补控制器的各个主要模块的实现方法，并通过ModelSim仿真和实践验证表明该控制系统达到了对步进电机的三轴联动控制和实时控制的要求。关键词：数字积分法；FPGA；三轴联动；

2、步进电机；插补DOI：10．3969／j·issn．1000—3886．2013．02．023[中图分类号]TP271．5[文献标志码]A[文章编号]1000—3886(2013)02—0068—03DesignofMulti．axisInterpolationControllerBasedOnFPGAZHA0Wei．HUANGYing．TANGHou-jun(SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering，ShanghaiJiaotongUniversi

3、ty，Shanghai200240，China)Abstract：Thispaperintroducesanewmethodtorealizemulti—axisinterpolationcontrollerbasedonDDA(digitaldifferentialanalyzer)andFPGA(Field—ProgrammableGateArray)。expatiatesindetailtheimplementationmethodofthemajormodulesfortheinterpolationcon

4、troller．ThroughModelSimandpracticeprovethatthissystemhasachievedformulti—axislinkagecontrolofthesteppingmotorandthereal—timecontrolrequirements．Keywords：DDA；FPGA；multi·axislinkage；steppingmotor；interpolationO引言值，就可以完成步进电机的调速。数字运动控制技术发展至今，实现方法主要有软件实现和硬1．2数字积分插补

5、改进方法件实现两种。目前数控系统所使用插补控制器多为软件实现，由1．2．1左移规格化于采用的是串行插补运算，因而运算速度较低，对于高速度、高精直线插补时，被积函数寄存器中存放的最高位为1时称为规度的数控系统，往往不能满足需要，而且不易实现多轴联动。随格化数，规格化数累加两次必有溢出，因此直线插补时将插补数着FPGA器件及其开发技术的日臻成熟，采用FPGA实现运动控据进行左移规格化处理能加快溢出速度，提高切削加工的效率。制的方案显示出巨大的潜力。由于FPGA的设计是并行的、多线实现方法是设计了一个自动左移电路，寄存器

6、中的数字量在时钟程，而且具有在线可编程能力，兼备了速度快和成本低的优点，同信号的控制下实现左移，自动左移电路在左移规格化完成后自动时克服了专用处理器灵活性方面的不足。因此，基于FPGA实现停止。的多轴联动插补控制器具有很高的实用价值，更加适合高速度、1．2．2减小插补误差高精度的工作场合。DDA算法的插补误差较大，大于1个脉冲当量。减少DDA1数字积分插补算法插补误差的措施通常有减小脉冲当量和采用余数寄存器预置数两个方法。减小脉冲当量会降低插补速度，余数寄存器预置简单目前比较成熟的数控插补算法有逐点比较法、最小偏差

7、法和数字积分法等，数字积分法又称数字微分分析器(DistalDiferen—易行。设置余数寄存器预置数常采用半加载的方法。半加载是指在插补运算前余数寄存器中初值不为0，而是预先装入溢出值tialAnalyzer，DDA)。采用该方法进行插补，具有运算速度快，逻的一半。半加载可使直线误差减小到半个脉冲当量以内。辑功能强，脉冲分配均匀等特点，可现实一次、二次甚至高次曲线插补，易于实现多轴联动⋯。2FPGA的模块划分及功能实现1．1数字积分插补算法的原理图1为FPGA内部的模块框图。FPGA内部主要由数据缓冲数字积分插补

8、算法是将函数的积分运算转换成变量的求和模块，控制模块，S加减速模块，梯形加减速模块以及数字积分插运算。如果所选择的脉冲当量足够小，则用求和运算代替积分所补模块构成。下面将介绍各主要模块的具体功能及实现方法。引起的误差可以不超过允许的数值。采用两个寄存器(函数2．1FIFO数据缓冲模块寄存器和累加寄存器)和一个全加器构成数字积分器，将单位周插补过程中需要处理大