CN101299589B - 基于dds技术的步进电机运动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于DDS技术的步进电机运动控制器，是在FPGA芯片中，建立微处理器接口和X、Y、轴的初始速度寄存器、驱动速度寄存器、加速度寄存器、减速度寄存器、加/减速度变化率寄存器、运行步长寄存器、正向软限位寄存器、负向软限位寄存器、命令字寄存器，以及X、Y、Z轴运动控制模块。运动控制模块分别控制X、Y、Z三轴的步进电机，它主要由DDS、状态机、逻辑位置寄存器、软限位模块、运行步长控制器、加速模块、减速模块、多路数据选择器等模块构成。本发明将直接数字频率合成(DDS)技术应用于运动控制器中，实现了三轴步进电机的T型调速和S型调速控制，可实现步进电机的匀速、加速、减速运行，运行速度、加速度及减速度可通过微处理器来设置。

Description

基于DDS技术的步进电机运动控制器

技术领域

本发明属于运动控制技术领域，具体的说，是指在FPGA(现场可编程逻辑门阵列)芯片内部实现了基于DDS技术的三轴步进电机运动控制器。可以应用于任何使用步进电机的线性运动控制场合。 

背景技术

晶圆检测设备是半导体生产过程中的必需设施，晶圆检测设备中显微镜的运动控制非常关键，三轴步进电机运动控制器是显微镜电动控制台的核心部分。显微镜电动控制台一般采用专业运动控制芯片或运动控制卡来实现，价格昂贵，采用FPGA来实现运动控制器，可大幅度降低费用，以极低的成本实现运动控制器，并且可以非常方便的进行二次开发。 

发明内容

本发明提供一种基于DDS技术的步进电机运动控制器，将DDS技术应用于运动控制领域，在一片FPGA芯片内部设计实现了三轴步进电机运动控制器，该控制器可以实现梯形调速及S形调速，输出脉冲频率连续可调，分辨率极高，可达0.011176Hz。有正向定步长运行、负向定步长运行、正向持续运行、负向持续运行、归零五种运动方式。设置了软限位功能和限位开关接口以保证整个运动系统的安全性。留有微处理器接口，可以使用ARM等微处理器方便的进行控制。内部设有逻辑位置寄存器可以纪录步进电机当前的逻辑位置。 

本发明的技术方案如下： 

一种基于DDS技术的步进电机运动控制器，其特征在于是在FPGA芯片中，建立微处理器接口和X、Y轴的初始速度寄存器、驱动速度寄存器、加速度寄存器、减速度寄存器、加/减速度变化率寄存器、运行步长寄存器、正向软限位寄存器、负向软限位寄存器、命令字寄存器，以及X、Y、Z轴运动控制模块；X、Y、Z轴的各寄存器分别与X、Y、Z轴运动控制模块建立通讯连接，微处理器接口由存储器和二级寄存器构成，存储器为12个16bit结构，负责接收外部处理 器的命令并转发给相应的寄存器以控制X、Y、Z轴运动控制模块，或者从相应的寄存器中提取X、Y、Z轴运动控制模块的当前运行状态并发送给外部处理器；X、Y、Z轴运动控制模块分别控制X、Y、Z三轴步进电机；X、Y、Z轴运动控制模块由建立于FPGA中的直接数字频率合成器、状态机、逻辑位置计数器、软限位模块、运行步长控制器、加速模块、减速模块、多路数据选择器、限位开关模块构成，状态机负责其相互之间的控制工作。 

所述步进电机运动控制器，采用直接数字频率合成DDS技术来实现输出脉冲控制器，输出脉冲频率连续可调，分辨率极高。在此基础上增加了加速模块和减速模块来实现梯形和S形加速。 

所述步进电机运动控制器，其特征在于：有正向定步长运行、负向定步长运行、正向持续运行、负向持续运行、归零五种运动方式。 

所述步进电机运动控制器，其特征在于：设计了软限位模块，可通过微处理器设置运动控制器内部软限位寄存器来实现软件限位的功能，并留有外部限位开关要求。 

所述步进电机运动控制器，其特征在于：内部设计了逻辑位置寄存器，可根据电机的运行状况自动记录当前的逻辑位置。 

所述步进电机运动控制器，其特征在于：步进电机运动控制器的运行过程是在状态机的控制下进行的，状态机是整个系统的控制中心。 

与现有技术相比，本发明的优点是：(1)采用了具有高速性能和内部逻辑资源丰富的现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片，具有集成度高，电路结构简单的特点；(2)使用直接数字频率合成DDS技术来控制脉冲频率的输出，工作稳定可靠，输出脉冲频率连续可调，分辨率极高；(3)本发明可用在步进电机线性运动控制场合以取代价格昂贵的运动控制芯片、运动控制卡；(4)价格低廉，操作简单，经济实用；(5)本发明在一片FPGA中实现，体积小，可直接焊接在电路板上，便于二次开发；(6)本发明是在FPGA中用verilog HDL语言编程实现硬件的，可以很方便的在不同厂商，不同型号的FPGA芯片上移植。 

附图说明

图1是三轴步进电机控制器功能结构框图。 

图2是基于DDS技术的运动控制器框图。 

图3是步进电机控制器状态机的状态转换过程图。 

图4是DDS的原理结构图。 

图5是加速模块的原理结构图。 

图6是减速模块的原理结构图。 

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。 

本发明的功能结构图如图1所示，微处理器接口包括存储器和二级寄存器，存储器为12个16bit结构，负责接收微处理器命令并发送给相应的二级寄存器以控制运动控制模块；或者从相应的二级寄存器中提取运动控制器当前的运行状态并发送给微处理器。二级寄存器包括X、Y、Z三轴的寄存器，下面以X轴为例来说明各个寄存器的用途。X轴初始速度寄存器用来设置加速曲线(梯形或S形)的初始速度，连接到图2的初始速度频率字；X轴驱动速度寄存器用来设置加速曲线的高速运行速度(驱动速度)，连接到图2的驱动速度频率字；X轴加速度寄存器设置加速曲线的加速度，连接到图2的频率步进字；X轴减速度寄存器用于设置减速曲线的减速度，连接到图2的频率递减字；X轴加/减速度变化率寄存器，用于设置加速过程或减速过程的加速度或减速度的变化率，连接到图2的加速度变化率和减速度变化率端口；X轴运行步长寄存器用来控制定步长驱动时的输出脉冲数，连接到图2的运行步长寄存器；X轴正向软限位寄存器用来设置正向的软限位位置，连接到图2的正向软限位寄存器；X轴负向软限位寄存器用来设置负向的软限位位置，连接到图2的负向软限位寄存器；X轴命令寄存器用来写配置命令。三个运动控制模块分别控制X、Y、Z三轴步进电机的运动，每个运动控制模块主要由DDS、状态机、逻辑位置寄存器、软限位模块、运行步长控制器、加速模块、减速模块、多路数据选择器等模块构成。DDS负责输出脉神频率生成，加速模块、减速模块负责梯形和S形加速、减速过程的实现，逻辑位置寄存器负责记录步进电机当前的逻辑位置，软限位模块设置正负两个方向的软限位点，运行步长控制器控制两个定步长运行方式的总步长，状态机负责各个子模块的协调工作。 

图2所示为基于DDS技术的运动控制器框图。梯形/S形选择信号用来控制调速过程工作是工作在梯形还是S形过程，由状态机产生。当运动控制器停止工 作时，状态机控制多路数据选择器选通空闲状态寄存器；当工作在低速时，状态机控制多路数据选择器选通初始速度寄存器；当工作在加速状态时，状态机控制多路数据选择器选通加速模块；当工作在减速状态时，状态机控制多路数据选择器选通减速模块；当工作在高速状态时，状态机控制多路数据选择器选通驱动速度寄存器。在低速工作状态中收到立即停止命令、减速停止命令、遇到软限位或限位开关则立即停止工作；在加速工作状态中收到减速停止命令或遇到软限位则跳转到异常减速状态，将当前速度作为减速点开始减速过程，当收到立即停止命令或遇到限位开关则立即停止工作；在减速工作状态中收到立即停止命令或限位开关则立即停止工作，收到减速停止命令或遇到软限位不响应；在高速工作状态中收到立即停止命令或遇到限位开关则立即停止，收到减速停止命令或遇到软限位则跳转到减速状态开始减速。如果是工作在定步长运动方式下，在四种工作状态的每一种状态下，只要总运行脉冲数结束则无条件立即停止工作。 

图4为DDS的原理结构图。由图可知DDS由相位累加器、加法器和ROM表构成。相位累加器是DDS的核心部件，在每一个时钟上升沿，累加器将相位增量值累加，累加结果送至加法器与相位调节字相加，加法器的输出结果作为ROM表的地址，以输出所需波形的幅值。这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。每次取数之前改变相位调节字就可以动态调节相位。由以上分析可知，对于计数容量为2^N的相位累加器(N为相位累加器的位数，本设计中取N＝32)，由于频率控制字FCW经过 次累加，相位累加器满量溢出，完成一个周期运算，所以输出频率为 $f_o=\frac{\mathrm{FCW}}{2^N}{f}_c,$ f_c为时钟频率，理论上最小频率分辨率 $\mathrm{\Δf}=\frac{1}{2^N}{f}_c.$

图5为步进电机运动控制器加速模块原理框图。梯形/S形选择信号由状态机输出，由它来选择加速过程是梯形或者S形，当此信号为低电平时加速过程为梯形，当此信号为高电平时加速过程为S形。当工作在梯形加速过程时，选择器选通频率步进字信号，步进电机从初始速度开始加速，在加速过程的每一个计数溢 出周期(图5中的计数器溢出一次为一个计数溢出周期)，累加器将频率步进字进行累加，累加结果送入加法器与初始速度频率字相加，加法器输出结果分为两路，一路作为DDS的频率控制字，以控制输出脉冲的频率，另一路输入到比较器与驱动速度频率字进行比较，当加法器的输出大于等于驱动速度频率字时，梯形加速过程完成。 

当工作在S形加速过程时，选择器选通加速度变化率累加器这路信号，步进电机从初始速度开始加速，在每一个计数溢出周期，加速度变化率累加器累加一次，加速度从0开始一直累加到设定的频率步进字，当加速度到达设定的频率步进字时，记下当前速度与初始速度的差值，用转折速度表示；然后进行匀加速运行(加速度不变)，当驱动速度与当前速度的差值等于转折速度时，加速度从频率步进字开始递减，递减到0时开始以驱动速度运行。 

图6是减速模块的原理结构图，其工作原理与加速模块类似，只是将加法器换成了减法器。 

Claims (5)

1.一种基于DDS技术的步进电机运动控制器，其特征在于是在FPGA芯片中，建立微处理器接口以及X、Y、Z轴运动控制模块；微处理器接口包括存储器和二级寄存器，存储器为12个16bit结构，二级寄存器包括X、Y、Z三轴的寄存器；X、Y、Z轴的各寄存器分别与X、Y、Z轴运动控制模块建立通讯连接，微处理器接口由存储器和二级寄存器构成，存储器为12个16bit结构，负责接收外部处理器的命令并转发给相应的寄存器以控制X、Y、Z轴运动控制模块，或者从相应的寄存器中提取X、Y、Z轴运动控制模块的当前运行状态并发送给外部处理器；X、Y、Z轴运动控制模块分别控制X、Y、Z三轴步进电机；X、Y、Z轴运动控制模块由建立于FPGA中的直接数字频率合成器、状态机、逻辑位置计数器、软限位模块、运行步长控制器、加速模块、减速模块、多路数据选择器、限位开关模块构成，状态机负责其相互之间的控制工作。

2.根据权利要求1所述步进电机运动控制器，其特征在于：采用直接数字频率合成DDS技术来实现输出脉冲控制器，输出脉冲频率连续可调，在此基础增加了加速模块和减速模块来实现梯形和S形加速。

3.根据权利要求1所述步进电机运动控制器，其特征在于：有正向定步长运行、负向定步长运行、正向持续运行、负向持续运行、归零五种运动方式。

4.根据权利要求1所述步进电机运动控制器，其特征在于：内部设计了逻辑位置寄存器，可根据电机的运行状况自动记录当前的逻辑位置。

5.根据权利要求1所述步进电机运动控制器，其特征在于：步进电机运动控制器的运行过程是在状态机的控制下进行的，状态机是整个系统的控制中心。

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