CN101640512A - 一种基于fpga的直线插补运动控制系统 - Google Patents

一种基于fpga的直线插补运动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的直线插补运动控制系统，由硬件系统和软件系统组成；硬件平台采用ARM和FPGA的组合，其中，ARM作为应用管理CPU，FPGA作为独立的嵌入式平台嵌入运动控制算法；软件系统包括接口模块、预算模块、梯形模块、S型模块、PWM模块。本运动控制系统的算法按照给定时间计算真正的末速度，通过改变末速度来满足加速时间的要求；采用的插补算法是饱和积分法，长轴采用空间长轴。本控制系统减少了控制时间上的不确定性。可以用在大部分数控场合，拥有很强的适用性。

Description

一种基于FPGA的直线插补运动控制系统
技术领域
本发明涉及机械运动控制领域，更具体的说，是关于一种基于FPGA的直线插补运动控制系统。
背景技术
以往的运动控制中，硬件平台多采用国内外开发的运动控制轴卡，轴卡需要借助于pc平台，难以避免会造成成本的提高。另外，国内也开发出了利用TI公司DSP完成的价格低廉的运动控制系统。但前者的pc平台具有明显的价格劣势；后者的性能又不甚理想。
同时对于机械运动中步进电机的控制算法，需要控制器对驱动器发出PWM波，按照电机的规律来控制发出的PWM波即可以完成对电机的控制。对于直线运动，最重要的是电机的启动和停止，即电机的加速和减速过程。对电机进行加减速控制，通常有两种控制方法，一种是梯形方法，一种是S形方法。
采用梯形方法时，通常情况下控制的输入参数是初速度、末速度和加速时间以及运动的距离。传统的做法通常是保持初速度和末速度不变，在未达到末速度的某点就开始减速，这样做实质是保证了加速度的恒定，但是牺牲了加减速时间的要求。尽管这样做加减速时间是减小的，效率上不会降低，但是给运动控制过程带来了一定的不确定性，时间上可能与给定不同，会给实时性控制带来一定的麻烦。假如运动控制的时间与其他控制有精确的配合，那么就要求我们的加减速时间上能完全符合我们的给定。
采用S形方法时，S型加减速有相应的7个阶段，实质是速度变化采用了2级加速度。和梯形加减速一样，在某些情况下，整个过程将会没有4阶段。通常的情况下，会通过减小2阶段的时间来在给定距离下完成加速过程和减速过程。但是，同样与梯形方法相同，这样带来了时间上的不确定性。
发明内容
因此，本发明的目的是为了消除以前技术中的问题，在于提供一种基于FPGA的直线插补运动控制系统。
本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的：一种基于FPGA的直线插补运动控制系统，由硬件系统和软件系统组成；硬件平台采用ARM和FPGA的组合，其中，ARM作为应用管理CPU，FPGA作为独立的嵌入式平台嵌入运动控制算法；软件系统包括接口模块、预算模块、梯形模块、S型模块、PWM模块。在控制电机启动和停止时，电机加减速在给定的加速时间内如果按照给定的初速度和末速度来运动，实际运动距离将会超过给定距离，本运动控制系统的算法按照给定时间计算真正的末速度，通过改变末速度来满足加速时间的要求；采用的插补算法是饱和积分法，长轴采用空间长轴。
接口模块用来完成与ARM的通讯，把数据或者命令写入FPGA或者将数据反馈回给ARM。
预算模块：根据给定的初速度、末速度、加速时间以及距离和加减速模式来决定相应下游模块需要的初始数据，并在完成相关计算以后使能相应模块；
梯形模块：被预算模块使能后，会读入所需初始数据然后按照这些数据完成电机梯形加减速下的运动过程；
S型模块：被预算模块使能后，会读入所需初始数据然后按照这些数据完成电机S型加减速下的运动过程；
PWM模块：接受到梯形模块或者S型模块的一个脉冲后，将其转成驱动器可以识别的具有一定持续时间的PWM波。
采用如上所述的技术方案后，本发明具有如下优越性：
本发明采用ARM+FPGA的组合，与pc平台相比拥有明显的价格优势，性能上也不会有太大差距，包括可能需要的界面和控制质量；与利用TI公司DSP完成的价格低廉的运动控制系统相比，本发明的性能有很大提高，价格却又没有高出太多。采用的插补算法是饱和积分法，长轴采用空间长轴，同时本运动控制系统的算法按照给定时间计算真正的末速度，通过改变末速度来满足加速时间的要求，减少了时间上的不确定性。本发明可以用在大部分数控场合，拥有很强的适用性。
附图说明
图1为本发明的总体结构框图；
图2为本发明的预算模块的流程图；
图3为本发明的梯形模块的流程图；
图4为本发明的S型模块的流程图；
图5为本发明的PWM模块的流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
本发明所实现的运动控制系统，由硬件系统和软件系统组成。
硬件平台采用ARM和FPGA的组合，其中，ARM作为应用管理CPU，FPGA作为独立的嵌入式平台嵌入运动控制算法。
系统总体功能框图如图1所示。
软件系统包括接口模块、预算模块、梯形模块、S型模块、PWM模块。在控制电机启动和停止时，电机加减速在给定的加速时间内如果按照给定的初速度和末速度来运动，实际运动距离将会超过给定距离，本运动控制系统的算法按照给定时间计算真正的末速度，通过改变末速度来满足加速时间的要求；采用的插补算法是饱和积分法，长轴采用空间长轴。
接口模块用来完成与ARM的通讯，把数据或者命令写入FPGA或者将数据反馈回给ARM。
预算模块流程图如图2所示：根据给定的初速度、末速度、加速时间以及距离和加减速模式来决定相应下游模块需要的初始数据，并在完成相关计算以后使能相应模块。
梯形模块如图3所示：被预算模块使能后，会读入所需初始数据然后按照这些数据完成电机梯形加减速下的运动过程。
S型模块如图4所示：被预算模块使能后，会读入所需初始数据然后按照这些数据完成电机S型加减速下的运动过程。
PWM模块如图5所示：接受到梯形模块或者S型模块的一个脉冲后，将其转成驱动器可以识别的具有一定持续时间的PWM波。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的直线插补运动控制系统，由硬件系统和软件系统组成；硬件平台采用ARM和FPGA的组合，其中，ARM作为应用管理CPU，FPGA作为独立的嵌入式平台嵌入运动控制算法；软件系统包括接口模块、预算模块、梯形模块、S型模块、PWM模块；其特征在于，在控制电机启动和停止时，电机加减速在给定的加速时间内如果按照给定的初速度和末速度来运动，实际运动距离将会超过给定距离，本运动控制系统的算法按照给定时间计算真正的末速度，通过改变末速度来满足加速时间的要求；采用的插补算法是饱和积分法，长轴采用空间长轴。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的直线插补运动控制系统，其特征在于，接口模块用来完成与ARM的通讯，把数据或者命令写入FPGA或者将数据反馈回给ARM。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的直线插补运动控制系统，其特征在于，跳预算模块根据给定的初速度、末速度、加速时间以及距离和加减速模式来决定相应下游模块需要的初始数据，并在完成相关计算以后使能相应模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的直线插补运动控制系统，其特征在于，梯形模块在被预算模块使能后，会读入所需初始数据然后按照这些数据完成电机梯形加减速下的运动过程。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的直线插补运动控制系统，其特征在于，S型模块在被预算模块使能后，会读入所需初始数据然后按照这些数据完成电机S型加减速下的运动过程。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的直线插补运动控制系统，其特征在于，PWM模块在接受到梯形模块或者S型模块的一个脉冲后，将其转成驱动器可以识别的具有一定持续时间的PWM波。
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