基于DDA插補算法的五軸步進電動機插補控制器IP核設計

楊秀增，黎運宇

(廣西民族師范學院，廣西崇左532200)

0 引 言

插補控制器是數控系統的基本單元，用來完成運動軌跡的擬合［1］。隨著加工零件結構復雜程度的提高，對數控制系統的插補控制器性能提出了更高的要求，不僅要求插補控制器具有高精度、高速度，還要求具有多軸聯動控制功能，比如，對復雜曲面零部件加工，目前廣泛采用具有五軸聯動線性插補功能［2］的插補控制器，但是，目前的數控系統利用軟件插補器［3］，軟件插補器由于用軟件實現插補功能，其性能難以滿足復雜數控系統的要求［3］。

針對以上情況，本文利用現場可編程邏輯門陣列(FPGA)［4］，設計了一款基于數字積分算法(DDA)五軸步進電動機聯動控制的硬件插補控制IP核，由于該插補器控制器全都由硬件來實現，因此，本控制器具有速度快、精度高和實時性強等優點，能應用于多軸復雜的數控系統中。

1 IP核硬件系統框圖及其工作原理

圖1為本設計的硬件系統原理框圖。由圖1可見，本設計包括Avalon接口單元、寄存器文件單元和任務邏輯單元三大部分。

圖1 五軸步進電動機插補控制器IP核硬件原理框圖

Avalon接口單元是本控制IP核的接口電路，負責把用戶任務邏輯單元，按基于Avalon總線通信協議接在Avalon總線上，以便實現用戶任務邏輯單元與NiosII軟核CPU進行通信。

寄存器文件單元由如下九個寄存器組成:

分頻因子寄存器，用于寄存可編程分頻器的分頻因子，其大小能有效地控制插補器的插補速度;X軸坐標寄存器、Y軸坐標寄存器、Z軸坐標寄存器、B軸坐標寄存器和C軸坐標寄存器，分別寄存X軸、Y軸、Z軸、B軸和C軸的終點坐標值，作為數字積分器的被積函數，其值越大，被積函數值越大，意味著該軸的運動距離越遠，在單位時間內，數字積分器產生的步進脈沖越快;狀態寄存器，用于寄存控制器的當前所處的狀態(“閑”或“忙”)，用高或低電平來表示;總步進數寄存器，用于寄存五個步進電動機要走的總步進數;控制寄存器，寄存著各種控制信息，包括1位暫停控制信號、1位起動信號和5位步進電動機的方向轉動控制信號。

任務邏輯單元是本IP核的行為部分［5］，要實現五軸步進電動機的聯動和速度控制功能。五軸數字積分器模塊，由五個相互獨立的數字積分器組成，此模塊能對各軸坐標的值進行數字積分運算，不斷地產生各軸步進電動機的步進脈沖信號，控制著各軸步進電動機的運動速度和聯動功能;終點判定模塊對各軸輸出的步進脈沖進行計數，并且把計數的結果與總步進數寄存器的值進行比較，如相等，表示已到達終點，用over信號通知狀態機表示本次差補結束;狀態機是任務邏輯單元的協調控制中心，能產生各種時序控制信號，使五軸數字積分器和終點判定模塊的協調工作;可編程分頻器可根據分頻因子的值對50 MHz時鐘進行分頻，得到不同頻率的工作時鐘，實現步進電動機的速度控制。

2 IP核硬件系統的FPGA設計

2.1 寄存器文件設計

寄存器文件由九個寄存器組成，寄存著控制信息、狀態信息和各種數據。每個寄存器對應著不同的地址，且讀寫方向和位寬也不盡相同，表1列出這些寄存器的名稱、相對地址、讀寫方向、位寬和功能描述。

表1 寄存器組定義與地址分配

圖2 數字積分器的原理方框圖

2.2 任務邏輯設計

2.2.1 可編程分頻器設計

在本設計中，利用一個可編程分頻器來控制步進電動機的轉動速度。由圖1可知，分頻器的分頻因子變大，50 MHz的系統時鐘被分頻器分頻的頻率變小，數字積分器的工作時鐘變小，數字積分器的運算速度變慢，步進電動機速度變小;相反，分頻器分頻因子變小，分頻器的輸出頻率變大，五軸數字積分器的運算速度變快，步進電動機轉速變快。

2.2.2 五軸數字積分器設計

為了實現五個步進電動機的聯動控制，設計了五軸數字積分器。五軸數字積分器由五個互相獨立的數字積分組成，每一個坐標軸對應一個數字積分器，其原理框圖如圖2所示，坐標值寄存器存放本次直線插補的終點坐標值，作為數字積分器的被積函數。在插補前，clr要對余數寄存器內容清零，插補起動后，在clk時鐘的上升沿控制下，加法器對坐標寄存器的值和余數寄存器的值進行一次加法運算，并把運算結果存放在余數寄存器中。在設計中，余數寄存器最高位作為驅動步進電動機的步進脈沖，每個上升沿表示步進電動機要步進一步，本積分器的Verlogn HDL程序如下:

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

input iclk，iclr，en;

input［15:0］idata;//數據輸入

output step_pulse;//步進脈沖

reg［16:0］sum;//中間寄存器

always@(posedge iclk or posedge iclr)

if(iclr)//高電平，清零

sum=0;

else if(en)//高電平，進行累加

sum=sum+idata;

assign step_pulse=sum［16］;//步進脈沖

endmodule

2.2.3 終點判定模塊設計

終點判定模塊用于判定步進電動機是否運動到終點。插補前，NiosII根據本次差補的終點坐標值和步進電動機的最小步長的值，計算出五個步進電動機的步進數總數，并把這總數寫到總步進數寄存器，插補開始后，終點判定模塊讀取總步進數寄存器的值，并對各軸步進脈沖的上升沿進行計數，當計數的值與讀到時的總步進數相等時，表明步進電動機已到達終點，用over信號通知狀態機停止本次直線插補，本模塊的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;//終點結束輸出

input［31:0］idata;//數據輸入

reg［31:0］mcounter，mreg;//中間寄存器

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為高電平時，讀取數據

else if(mcounter==mreg)

begin end_out=1;mcounter=0;end//如計數與總步進數相等進，結束

else begin mcounter=mcounter+1;over=0;end//否則計數endmodule

2.2.4 狀態機設計

圖3 狀態機的狀態轉換圖

狀態機用于協調五軸數字積分器和終點判定模塊協調工作。圖3為本狀態機的狀態轉換圖，包括“空閑”狀態(s0)、數據初始化狀態(s1)和步進控制狀態(s2)三個狀態。在NiosII沒有起動插補器前，狀態機始終在“空閑”狀態(s0)中等待起動信號(start)到來;一旦start為高電平，表明NiosII起動插補器，狀態機由等待狀態(s0)進入數據初始化狀態(s1)，在狀態中，狀態機對數字積分器的余數寄存器內容清零和用RD信號通知終點判定模塊讀取總步進數寄存器的值，在時鐘控制下，狀態機無條件地進行步進電控制狀態(s2)，在此狀態中，EN為高電平，使五軸數字積分器開始進行積分運算，當over為高電平時，此狀態結束，進入“空閑”狀態s0中。

2.3 Avalon接口設計

在QuartusII 8.0軟件中，SOPC Builder工具提供了6種不同接口類型和信號，設計者可根據設計需要選擇接口，并把任務邏輯各種信號，指定Avalon信號類型，表2為本設計所用到的接口單元信息。

表2 Avalon接口信息表

3 軟件設計

硬件系統工作離不開軟件的支持，硬件系統的設計結構和工作原理決定了軟件的編寫方法［6］。在插補前，讀取狀態寄存器里的值，了解系統工作狀態，如處于“空閑”狀態，NiosII把本次直線插補終點坐標寫到相應的寄存器中，然后，根據空間直線的長度和步進電動機的步距，計算出總的步進脈沖數，并寫入總步進脈沖寄存器中。最后，根據直線插補方向設置好控制寄存器方向控制位后，起動插補器。

4 IP核在五軸步進電動機運動控制卡中應用及其測試

本控制器IP核被成功地應用于如圖4所示的五軸步進電動機運動控制卡中。本運動控制卡在一片FPGA上實現。UART控制器、JTAG控制器、NiosII處理器、EPCS控制器、SDRAM控制、LCD控制器、PIO控制器和Avalon數據總線構成基于NiosII的最小系統;五軸步進電動機插補控制器是通過例化本設計IP核得到的;SPWM細分驅動器實現步進電動機的細分驅動，改善步進電動機的運動性能。加工的數據從上位機的USB口傳送到五軸步進電動機控制卡中，CP2101橋式控制芯片把USB數據流轉換成UART數據流，然后NiosII把這些數據寫到五軸步進電動機插補控制器中。本運動控制卡的具體設計方法，限于篇幅，本文不作介紹。

圖4 基于FPGA的五軸步進電動機運動控制卡設計框圖

5 測試結果

對以上所設計的運動卡進行測試，現場可編程邏輯門陣列選用Altera公司的EP3C25Q240C8N，步進電動機選用Leetro公司生產的二相式步進電動機DM4250C。測試結果表明，本運動控制卡工作穩定，被控制的步進電動機工作平穩，插補運算速度快、控制精度高。圖5為利用QuartusII嵌入式邏輯分析儀(SigalTap II Logic Analyzer)測試五軸數字積分器的輸出信號波形:xp、yp、zp、bp和cp分別是X軸、Y軸、Z軸、B軸和C軸的步進脈沖輸出，信號每一個上升沿表示步進電動機走一步，從圖5可以看出，它們之間的步進數(上升沿數)剛好為2倍關系，說明五軸步進電動機具有良好的聯動關系，有效驗證了本設計的正確性。

圖5 用嵌入式邏輯分析儀分析五軸波形時序圖

6 結 語

插補器聯動控制器是多軸聯動控制卡的重要組成部分，針對目前數控制系統的軟件插補器的運行速度慢和實時性差等缺點，利用現場可編程門陣列設計一款五軸步進電動機插補控制器，實際測試結果表明，本控制器工作穩定，具有速度快、精度高和實時性強等優點，因此，本設計有一定推廣和實用價值。

［1］ 陳黎融，白婕靜，劉繼偉.基于FPGA的數字積分法圓弧插補器的設計與實現［J］.現代制造工程，2008，(2):58-60.

［2］ 劉源，王永章，富宏亞，等.用于五軸聯動數控機床的曲線插補控制策略［J］.計算機集成制造系統，2009，15(4):758-761.

［3］ 于海東.直線插補控制器的FPGA實現［J］.微特電機，2009(1):46-49.

［4］ 李凡，廖勇.基于FPGA數字硬件的無刷直流電動機速度控制系統［J］.微特電機，2010(8):65-68.

［5］ 殷蘇民，楊仁宇.基于Avalon總線的插補器IP核的設計［J］.機械設計與制造，2009(8):198-200.

［6］ 楊秀增.可變波特率和載頻的2FSK數字調制器的FPGA實現［J］.電訊技術，2010，50(5):64-67.