新穎步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器

王振

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

新穎步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器

王振

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

針對(duì)市面常見(jiàn)控制器功能無(wú)法完全支撐及價(jià)格昂貴等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新穎的低成本運(yùn)動(dòng)控制器．該控制器主要由32位微控制芯片和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列芯片兩種芯片構(gòu)成．32位微控制芯片主要控制上層的數(shù)據(jù)生成，完成人機(jī)交互、G代碼解析和路徑分解，最終產(chǎn)生路徑起止點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和軌跡類(lèi)型供下層處理．現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列芯片依據(jù)上層發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行底層路徑插補(bǔ)，并最終輸出控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)．仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該控制器可以較好實(shí)現(xiàn)設(shè)定的路徑軌跡，且運(yùn)行精度小于1個(gè)脈沖，滿(mǎn)足實(shí)際切割機(jī)的功能需求且成本較低．

運(yùn)動(dòng)控制器；32位微控制芯片；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列芯片；G代碼解析；路徑插補(bǔ)

0 引言

步進(jìn)電機(jī)作為精度控制單元在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其控制器主要分為基本控制型、經(jīng)濟(jì)型和高級(jí)控制型．基本控制型主要通過(guò)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角、細(xì)分?jǐn)?shù)、滾珠絲桿的螺距和需要移動(dòng)的距離實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)步移距離脈沖數(shù)的輸出，該型主要實(shí)現(xiàn)的是相對(duì)坐標(biāo)的位移控制，一般采用簡(jiǎn)單的單片機(jī)類(lèi)控制芯片實(shí)現(xiàn)［1］，具有簡(jiǎn)單人機(jī)控制，特點(diǎn)是成本低，如簡(jiǎn)單的數(shù)控盒．經(jīng)濟(jì)型，既具有基本控制型的功能，同時(shí)具有坐標(biāo)插補(bǔ)和軌跡規(guī)劃功能，考慮到經(jīng)濟(jì)性，其芯片往往由專(zhuān)用控制芯片MCX302和單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理芯片（Digital Signal Process，以下簡(jiǎn)稱(chēng)：DSP）或32位微控制芯片（Acorn RISC Machine，以下簡(jiǎn)稱(chēng)：ARM）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列控制芯片（Field－Programmable Gate Array，以下簡(jiǎn)稱(chēng)：FPGA）構(gòu)成，少有人機(jī)交互控制，主要通過(guò)外設(shè)部件互聯(lián)（Peripheral Component Interconnect，以下簡(jiǎn)稱(chēng)：PCI）接口實(shí)現(xiàn)與工業(yè)計(jì)算機(jī)的互聯(lián)，特點(diǎn)是性?xún)r(jià)比高，離不開(kāi)工業(yè)計(jì)算機(jī)［2－4］．如雷賽公司運(yùn)動(dòng)控制卡即屬于此類(lèi)．而高級(jí)控制型在實(shí)現(xiàn)基本控制型和經(jīng)濟(jì)型的基礎(chǔ)上還可以實(shí)現(xiàn)速度規(guī)劃和復(fù)雜路徑軌跡規(guī)劃，其硬件構(gòu)成往往由DSP、FPGA、ARM等構(gòu)成，每個(gè)芯片完成不同的功能，通過(guò)ARM或DSP芯片進(jìn)行協(xié)調(diào)，同經(jīng)濟(jì)型一樣基本不帶人機(jī)控制，主要通過(guò)計(jì)算機(jī)總線與工業(yè)計(jì)算機(jī)相連，特點(diǎn)是功能齊全［3］．如固高公司和美國(guó)Delta Tau公司的運(yùn)動(dòng)控制板卡均屬此類(lèi)．

但相對(duì)于一些特別應(yīng)用如泡沫切割機(jī)、木材切割機(jī)都是需要使用人機(jī)界面輸入數(shù)控G代碼實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單圓弧和直線的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，且對(duì)成本較敏感．對(duì)此則基本控制型因功能不足不能滿(mǎn)足要求，高級(jí)控制型因價(jià)格昂貴也無(wú)法在此應(yīng)用．而經(jīng)濟(jì)型很少有具備人機(jī)控制和G代碼解析的，所以市面上往往使用的是工業(yè)計(jì)算機(jī)和經(jīng)濟(jì)型控制板卡這種典型配置方式，成本仍然較高．

針對(duì)此，筆者提出利用ARM芯片和FPGA芯片搭配實(shí)現(xiàn)基于人機(jī)操控界面的具有圓弧和直線插補(bǔ)的步進(jìn)電機(jī)控制．其一方面可以利用ARM芯片實(shí)現(xiàn)上層運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，另一方面使用FPGA實(shí)現(xiàn)底層運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w軌跡控制脈沖的功能．

1 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器主要由兩個(gè)部分構(gòu)成，ARM和FPGA．其中ARM采用STM32F103芯片，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)操控、G代碼解析和路徑規(guī)劃以產(chǎn)生具體運(yùn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)．FPGA采用EP2C8芯片，主要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)接收、處理和插補(bǔ)計(jì)算最后產(chǎn)生軌跡運(yùn)動(dòng)脈沖和方向信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)XY步進(jìn)電機(jī)的控制．具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The system structure diagram

圖1中薄膜晶體管屏（Thin Film Transistor，以下簡(jiǎn)稱(chēng)：TFT）和觸摸電阻膜完成人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)G代碼的指令輸入，STM32控制器實(shí)現(xiàn)G代碼的解析和坐標(biāo)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，坐標(biāo)插補(bǔ)單元完成依據(jù)運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)中間軌跡的插補(bǔ)工作并轉(zhuǎn)化成控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的脈沖信號(hào)．

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在硬件上分為兩塊電路板：一塊是基于EP2C8的FPGA單元板，一塊是基于STM32F103的ARM單元板．兩塊單元板之間通過(guò)接插件互聯(lián)互通．

ARM單元板，主要由STM32F103芯片最小系統(tǒng)、TFT觸摸屏接口電路和FPGA單元板互聯(lián)接口電路三部分構(gòu)成．其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示．

圖2 ARM單元板原理結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 ARM unit board structure diagram

FPGA單元板，主要由EP2C8芯片最小系統(tǒng)、脈沖差分輸出單元和ARM單元板互聯(lián)接口電路三部分構(gòu)成．其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示．

圖3 FPGA單元板原理結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 FPGA unit board structure diagram

兩塊電路板實(shí)物圖如圖4、圖5所示，連接后的實(shí)物圖如圖6所示．

圖4 STM32單元板實(shí)物圖Fig.4 Real photos of the STM32 unit board

圖5 FPGA單元板實(shí)物圖Fig.5 Real photos of the FPGA unit board

圖6 整體實(shí)物圖Fig.6 Real photos of the system boards

3 ARM單元軟件設(shè)計(jì)

ARM單元的軟件設(shè)計(jì)主要由人機(jī)交互模塊和G代碼解析模塊構(gòu)成．人機(jī)交互模塊主要完成坐標(biāo)、速度參數(shù)輸入，比如輸入“X100”，表示X軸在當(dāng)前坐標(biāo)下移動(dòng)100 mm．G代碼解析模塊主要完成坐標(biāo)解析和軌跡處理，具體的處理流程如圖7所示．其中關(guān)鍵的是進(jìn)行路徑切分和分段．如圖8所示，由起點(diǎn)（Xs，Ys）經(jīng)過(guò)（X1，Y1）和（X2，Y2）點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)（Xe，Ye）．則需要處理為三段路徑，其起止點(diǎn)分別是：第一段路徑，直線段為（Xs，Ys）到（X1，Y1）；第二段路徑是半徑為R的圓弧路徑，起止點(diǎn)為（X1，Y1）到（X2，Y2）；第三段路徑為直線段為（X2，Y2）到（Xe，Ye）．最后，程序?qū)⑦@三段路徑的軌跡特征和起止點(diǎn)發(fā)送到FPGA單元中，再進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算得到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡．

圖7 G代碼解析模塊處理流程Fig.7 G code parsing module process

圖8 路徑規(guī)劃分解示意圖Fig.8 Path planning decomposition diagram

4 FPGA軟核設(shè)計(jì)

FPGA單元板中重要的是在EP2C8芯片中進(jìn)行軟核設(shè)計(jì)．其主要由三個(gè)部分構(gòu)成即數(shù)據(jù)接收緩沖模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊和XY軸插補(bǔ)計(jì)算模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示．圖9中數(shù)據(jù)接收緩沖模塊主要作用是接收來(lái)自ARM單元的XY坐標(biāo)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)軌跡類(lèi)型，并將該數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩存模塊，其時(shí)序如圖10所示．?dāng)?shù)據(jù)緩存模塊采用的是同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，以下簡(jiǎn)稱(chēng)：SDRAM）和雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random-Access Memory，以下簡(jiǎn)稱(chēng)：RAM），其一方面可以用來(lái)存儲(chǔ)ARM單元傳送的數(shù)據(jù)；另一方面可以處理ARM單元系統(tǒng)時(shí)鐘與FPGA中插補(bǔ)模塊時(shí)鐘不同步的問(wèn)題．XY軸插補(bǔ)計(jì)算模塊完成運(yùn)動(dòng)軌跡分辨，即根據(jù)軌跡類(lèi)型分別執(zhí)行直線運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)或圓弧運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)，再依據(jù)運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)至終止點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的插補(bǔ)計(jì)算，其功能框圖如圖11所示．

圖9 軟核結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 IP core structure diagram

圖10 數(shù)據(jù)接收時(shí)序圖Fig.10 Data reception timing diagram

圖11 插補(bǔ)計(jì)算模塊功能框圖Fig.11 Interpolation function block diagram

5 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用Modelsim軟件模擬FPGA單元接收到ARM單元傳送來(lái)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，并輸出脈沖，如圖12所示．利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，還原后的軌跡圖如圖13所示．由圖13可知，F(xiàn)PGA單元能有效接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算得到運(yùn)動(dòng)軌跡，并且誤差在1個(gè)脈沖以?xún)?nèi)．圖14是在激光光束照射點(diǎn)位置不變的情況下，控制XY工作臺(tái)移動(dòng)，刻出的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以看出實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與仿真軌跡相同，說(shuō)明運(yùn)行結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求．

圖12 Modelsim仿真插補(bǔ)脈沖輸出波形Fig.12 Modelsim simulation waveform

圖13 Matlab還原仿真軌跡圖Fig.13 Matlab simulation trajectory

圖14 XY工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.14 The workbench trajectory

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ARM控制器和FPGA控制器的搭配可以實(shí)現(xiàn)具有人機(jī)交互和軌跡插補(bǔ)功能的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器．該控制器具有成本低、人機(jī)交互、G代碼解析、控制運(yùn)動(dòng)精度高（32位數(shù)據(jù)處理）以及具有直線、圓弧插補(bǔ)功能．在泡沫切割和木材切割系統(tǒng)中配合XY軸電機(jī)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（Computer numerical control，CNC）系統(tǒng)，而無(wú)需工業(yè)計(jì)算機(jī)，所以具有較高的工業(yè)使用價(jià)值．

致謝

華中科技大學(xué)激光加工國(guó)家工程研究中心為本實(shí)驗(yàn)提供激光器和XY移動(dòng)平臺(tái)，并為本設(shè)計(jì)的驗(yàn)證提供了幫助，在此表示衷心的感謝！

［1］黃詩(shī)涌，王曉初，廖永進(jìn)，等．一種高性能的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（16）：38－39．

HUANG Shi－yong，WANG Xiao－chu，LIAO Yong－jin，et al．A high performance control system of stepping motor［J］．Microcomputer Information，2006，22（16）：38－39．（in Chinese）

［2］敬嵐，朱海君，張碩成，等．步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［J］．核技術(shù)，2005，28（6）：479－482．

JING Lan，ZHU Hai－jun，ZHANG Shuo－cheng，et al．Design and application of the control system of 5－phase stepping motor［J］．Nuclear Techniques，2005，28（6）：479－482．（in Chinese）

［3］張寶發(fā)，趙輝，岳有軍．基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2010（8）：63－65.

ZHANG Bao－fa，ZHAO Hui，YUE You－jun．Designing of stepper motor control system based on DSP［J］．Instrument Technique and Sensor，2010（8）：63－65．（in Chinese）

［4］Wang Z．A novel dual－galvanometers control card［J］．Applied Mechanics and Materials，2013，331：299－302．

Novel stepper motor motion controller

WANG Zhen
School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Aimed at the reducing cost and improving function of common controller，a low cost stepper motor motion controller was presented．The controller consists of a 32－bit microcontrollers chip and a Field－programmable gate array chip．The former chip is mainly employed in controlling the upper data generation，such as the G code parsing and path decomposition．The latter chip is used to accept data from the upper and execute the path interpolation，realizing the pulse and direction signals output．The results of the simulation and experiment show that the controller can better realize the set path trajectory，and running accuracy is less than one pulse．So the function and cost requirements of the actual cutting machine can be fulfilled by this controller．

motion controller；32－bit microcontrollers；field－programmable gate array；G code parsing；path decomposition

TP391

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.02.013

1674-2869（2015）02-0059-05

本文編輯：苗變

2014－12－26

王振（1978－），男，湖北仙桃人，講師．研究方向：激光數(shù)字控制應(yīng)用技術(shù)．