《武汉工程大学学报》 2015年02期
59-63
出版日期：2015-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
新颖步进电机运动控制器
０ 引 言步进电机作为精度控制单元在工业领域有着广泛的应用，其控制器主要分为基本控制型、经济型和高级控制型．基本控制型主要通过设定步进电机的步进角、细分数、滚珠丝杆的螺距和需要移动的距离实现对应步移距离脉冲数的输出，该型主要实现的是相对坐标的位移控制，一般采用简单的单片机类控制芯片实现［１］，具有简单人机控制，特点是成本低，如简单的数控盒．经济型，既具有基本控制型的功能，同时具有坐标插补和轨迹规划功能，考虑到经济性，其芯片往往由专用控制芯片ＭＣＸ３０２和单片机或数字信号处理芯片（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ，以下简称：ＤＳＰ）或３２位微控制芯片（Ａｃｏｒｎ ＲＩＳＣ Ｍａｃｈｉｎｅ， 以下简称：ＡＲＭ）或现场可编程门阵列控制芯片（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ， 以下简称：ＦＰＧＡ） 构成，少有人机交互控制，主要通过外设部件互联（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ，以下简称：ＰＣＩ）接口实现与工业计算机的互联，特点是性价比高，离不开工业计算机［２－４］．如雷赛公司运动控制卡即属于此类．而高级控制型在实现基本控制型和经济型的基础上还可以实现速度规划和复杂路径轨迹规划，其硬件构成往往由ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＡＲＭ等构成，每个芯片完成不同的功能，通过ＡＲＭ或ＤＳＰ芯片进行协调，同经济型一样基本不带人机控制，主要通过计算机总线与工业计算机相连，特点是功能齐全［３］．如固高公司和美国Ｄｅｌｔａ Ｔａｕ公司的运动控制板卡均属此类．但相对于一些特别应用如泡沫切割机、木材切割机都是需要使用人机界面输入数控Ｇ代码实现简单圆弧和直线的插补运动，且对成本较敏感．对此则基本控制型因功能不足不能满足要求，高级控制型因价格昂贵也无法在此应用．而经济型很少有具备人机控制和Ｇ代码解析的，所以市面上往往使用的是工业计算机和经济型控制板卡这种典型配置方式，成本仍然较高．针对此，笔者提出利用ＡＲＭ芯片和ＦＰＧＡ芯片搭配实现基于人机操控界面的具有圆弧和直线插补的步进电机控制． 其一方面可以利用ＡＲＭ芯片实现上层运动数据的产生，另一方面使用ＦＰＧＡ实现底层运动数据转变为具体轨迹控制脉冲的功能．１ 控制器系统结构控制器主要由两个部分构成，ＡＲＭ和ＦＰＧＡ．其中ＡＲＭ采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３芯片，主要实现人机操控、Ｇ代码解析和路径规划以产生具体运行坐标数据．ＦＰＧＡ采用ＥＰ２Ｃ８芯片，主要实现坐标数据接收、处理和插补计算最后产生轨迹运动脉冲和方向信号以实现对ＸＹ步进电机的控制．具体系统结构框图如图１所示．图１ 系统结构框图Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ图１中薄膜晶体管屏（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，以下简称：ＴＦＴ）和触摸电阻膜完成人机交互实现运动Ｇ代码的指令输入，ＳＴＭ３２控制器实现Ｇ代码的解析和坐标数据的产生，坐标插补单元完成依据运动起始点和终点坐标实现中间轨迹的插补工作并转化成控制步进电机运动的脉冲信号．２ 硬件电路设计本系统在硬件上分为两块电路板：一块是基于ＥＰ２Ｃ８的ＦＰＧＡ单元板，一块是基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３的ＡＲＭ单元板．两块单元板之间通过接插件互联互通．ＡＲＭ单元板，主要由ＳＴＭ３２Ｆ１０３芯片最小系统、ＴＦＴ触摸屏接口电路和ＦＰＧＡ单元板互联接口电路三部分构成．其原理结构框图如图２所示．图２ ＡＲＭ单元板原理结构框图Ｆｉｇ．２ ＡＲＭ ｕｎｉｔ ｂｏａｒｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍＦＰＧＡ单元板，主要由ＥＰ２Ｃ８芯片最小系统、脉冲差分输出单元和ＡＲＭ单元板互联接口电路三部分构成．其原理结构框图如图３所示．图３ ＦＰＧＡ单元板原理结构框图Ｆｉｇ．３ ＦＰＧＡ ｕｎｉｔ ｂｏａｒｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ图４ ＳＴＭ３２单元板实物图Ｆｉｇ．４ Ｒｅａｌ ｐｈｏｔｏｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＴＭ３２ ｕｎｉｔ ｂｏａｒｄ图５ ＦＰＧＡ单元板实物图Ｆｉｇ．５ Ｒｅａｌ ｐｈｏｔｏｓ ｏｆ ｔｈｅ ＦＰＧＡ ｕｎｉｔ ｂｏａｒｄ图６ 整体实物图Ｆｉｇ．６ Ｒｅａｌ ｐｈｏｔｏｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂｏａｒｄｓ两块电路板实物图如图４、图５所示，连接后的实物图如图６所示．３ ＡＲＭ单元软件设计ＡＲＭ单元的软件设计主要由人机交互模块和Ｇ代码解析模块构成．人机交互模块主要完成坐标、速度参数输入，比如输入“Ｘ１００”，表示Ｘ轴在当前坐标下移动１００ ｍｍ．Ｇ代码解析模块主要完成坐标解析和轨迹处理，具体的处理流程如图７所示．其中关键的是进行路径切分和分段．如图８所示，由起点（Ｘｓ，Ｙｓ）经过（Ｘ１，Ｙ１）和（Ｘ２，Ｙ２）点到达终点（Ｘｅ，Ｙｅ）．则需要处理为三段路径，其起止点分别是：第一段路径，直线段为（Ｘｓ，Ｙｓ）到（Ｘ１，Ｙ１）；第二段路径是半径为Ｒ的圆弧路径，起止点为（Ｘ１，Ｙ１）到（Ｘ２，Ｙ２）；第三段路径为直线段为（Ｘ２，Ｙ２）到（Ｘｅ，Ｙｅ）．最后，程序将这三段路径的轨迹特征和起止点发送到ＦＰＧＡ单元中，再进行插补运算得到相应的运动轨迹．图７ Ｇ代码解析模块处理流程Ｆｉｇ．７ Ｇ ｃｏｄｅ ｐａｒｓｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ图８ 路径规划分解示意图Ｆｉｇ．８ Ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ４ ＦＰＧＡ软核设计ＦＰＧＡ单元板中重要的是在ＥＰ２Ｃ８芯片中进行软核设计．其主要由三个部分构成即数据接收缓冲模块、数据缓存模块和ＸＹ轴插补计算模块，其结构框图如图９所示．图９中数据接收缓冲模块主要作用是接收来自ＡＲＭ单元的ＸＹ坐标数据和运动轨迹类型，并将该数据送入数据缓存模块，其时序如图１０所示．数据缓存模块采用的是同步动态随机存储器（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ， 以下简称：ＳＤＲＡＭ）和双口随机存取存储器（Ｒａｎｄｏｍ?鄄Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ，以下简称：ＲＡＭ），其一方面可以用来存储ＡＲＭ单元传送的数据；另一方面可以处理ＡＲＭ单元系统时钟与ＦＰＧＡ中插补模块时钟不同步的问题．ＸＹ轴插补计算模块完成运动轨迹分辨，即根据轨迹类型分别执行直线运动插补或圆弧运动插补，再依据运动起始点至终止点进行相应的插补计算，其功能框图如图１１所示．图９ 软核结构框图Ｆｉｇ．９ ＩＰ ｃｏｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ图１０ 数据接收时序图Ｆｉｇ．１０ Ｄａｔａ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ｔｉｍｉｎｇ ｄｉａｇｒａｍ图１１ 插补计算模块功能框图Ｆｉｇ．１１ Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ图１２ Ｍｏｄｅｌｓｉｍ仿真插补脉冲输出波形Ｆｉｇ．１２ Ｍｏｄｅｌｓｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｍ图１３ Ｍａｔｌａｂ还原仿真轨迹图Ｆｉｇ．１３ Ｍａｔｌａｂ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ图１４ ＸＹ工作台运动轨迹图Ｆｉｇ．１４ Ｔｈｅ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ５ 仿真和实验结果利用Ｍｏｄｅｌｓｉｍ软件模拟ＦＰＧＡ单元接收到ＡＲＭ单元传送来的运动数据进行插补计算，并输出脉冲，如图１２所示．利用ＭＡＴＬＡＢ软件进行数据整合，还原后的轨迹图如图１３所示．由图１３可知，ＦＰＧＡ单元能有效接收数据，并进行插补运算得到运动轨迹，并且误差在１个脉冲以内．图１４是在激光光束照射点位置不变的情况下，控制ＸＹ工作台移动，刻出的运动轨迹，可以看出实际运动轨迹与仿真轨迹相同，说明运行结果满足设计要求．６ 结 语通过ＡＲＭ控制器和ＦＰＧＡ控制器的搭配可以实现具有人机交互和轨迹插补功能的步进电机运动控制器．该控制器具有成本低、人机交互、Ｇ代码解析、控制运动精度高（３２位数据处理）以及具有直线、圆弧插补功能．在泡沫切割和木材切割系统中配合ＸＹ轴电机和运动平台即可实现简单计算机数字控制机床（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ， ＣＮＣ）系统，而无需工业计算机，所以具有较高的工业使用价值．致 谢华中科技大学激光加工国家工程研究中心为本实验提供激光器和ＸＹ移动平台，并为本设计的验证提供了帮助，在此表示衷心的感谢！