CN107124125A - 一种基于fpga芯片的多轴步进电机控制器系统 - Google Patents

一种基于fpga芯片的多轴步进电机控制器系统 Download PDF

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CN107124125A CN201710426124.XA CN201710426124A CN107124125A CN 107124125 A CN107124125 A CN 107124125A CN 201710426124 A CN201710426124 A CN 201710426124A CN 107124125 A CN107124125 A CN 107124125A
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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，包括FPGA控制模块和多路功率驱动及信号采集模块；所述FPGA控制模块包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路步进电机控制IP核等；所述步进电机控制IP核用于步进电机电流细分驱动和轨迹运动的控制；所述每路步进电机控制IP核与一路功率驱动及信号采集模块相连后，连接一路步进电机/编码器。本发明的控制架构发挥了FPGA丰富可编程硬件资源和并行处理的特点，实现单芯片对多路(最高达25路)步进电机的精确控制，具有小型化、低成本、灵活性高等优点。

Description

一种基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统。
背景技术
步进电机是一种将数字脉冲转换为相应位移增量的电磁机械。在正常工作状态下，电机位移输出与数字脉冲输入严格同步，具有较高的控制精度，且控制简单，启停迅速，性能稳定，广泛应用于数控系统、机器人等领域。随着工业自动化的深入发展，越来越多的设备上同时需要多个轴相互配合协同完成空间轨迹的运动控制，如多轴机械加工中心、多关节机械手等设备。各个轴上电机如何协同控制及其实现方法，这是多轴电机控制器需要研究解决的问题。
传统的步进电机控制器通常采用专用数字芯片作为主控芯片，目前主流的控制芯片为DSP数字信号处理器，同时再辅以必要的外围分立芯片作为数据处理和通讯的接口。这类主控芯片通常能够实现较为复杂的电机控制算法，但由于专用数字芯片内部硬件资源的限制以及控制算法的串行运行特点，单芯片很难满足多轴步进电机的协同控制需要。
在现有技术中，往往采用单轴电机控制器分别控制各轴，容易出现无法同步的问题，还存在结构复杂、系统成本高的问题。因此，需要一种单芯片同时对多个轴进行同步控制的多轴步进电机控制器系统。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统。
本发明是这样实现的，一种基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，包括FPGA控制模块和多路功率驱动及信号采集模块；所述FPGA控制模块，其核心为Altera公司的Cyclone V系列FPGA芯片5CEFA7F31，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路步进电机控制IP核，根据实际项目的需求还包括定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART等，它们之间通过片内Avalon总线连通；所述步进电机控制IP核与一路功率驱动与信号采集模块相连后，连接一路步进电机/编码器；所述多路步进电机控制IP核并行工作，各路之间互不干扰，并行地控制多路步进电机的运行。
进一步，所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接上位机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与上位机之间的串行通信。
进一步，所述Nios II微处理器，用于与上位机的数据交互，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息和运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机。
进一步，所述步进电机控制IP核，包括Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块和时序规划模块，用于实现步进电机电流细分驱动和轨迹运动的控制；所述Avalon总线接口模块，用于与Nios II微处理器的数据交互，接收Nios II微处理器过来的配置信息和运行信息，并将状态信息反馈给Nios II微处理器；所述速度剖面产生模块用于根据配置信息和运行信息进行梯形速度剖面参数的运算，实时计算出每一个步进脉冲的控制周期，并生成步进脉冲信号CP和转向信号Dir；所述细分电流计算模块用于根据步进脉冲信号CP和转向信号Dir计算步进电机两相绕组电流的给定值(Ia *和Ib *)；所述AD接口控制模块用于控制外部的双通道AD转换器完成模数转换，以读取外部AD转换器的电流采样结果；所述电流调理模块用于根据电流采样结果计算出步进电机两相绕组电流的反馈值(Ia和Ib)；所述电流调节器用于根据两相绕组电流的给定值(Ia *和Ib *)和反馈值(Ia和Ib)分别进行电流PI闭环运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；所述PWM输出模块用于根据脉冲占空比信号Duty和转向信号Dir，以生成相应绕组电流控制所需的PWM信号；所述位置反馈处理模块用于获取当前电机转子位置信息；所述时序规划模块用于Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块的时序调度，使得它们按照一定的顺序执行以完成步进电机的控制。所述步进电机控制IP核采用Verilog硬件描述语言设计实现。
进一步，所述功率驱动及信号采集模块，包括电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路、电流传感器、电流调理电路、AD转换电路和位置调理电路；所述步进电机控制IP核输出的PWM信号经电平转换电路后接驱动电路的输入端；所述驱动电路的输出端接功率H桥电路的输入端；所述功率H桥电路的输出端接两相步进电机的一相绕组；所述电流传感器串联在步进电机绕组回路中，用于绕组电流的采集，依次通过电流调理电路、AD转换电路和电平转换电路后接步进电机控制IP核的电流信号输入；步进电机后端设置有光电编码器用于采集电机转子位置信号，依次通过位置调理电路、电平转换电路后接步进电机控制IP核的转子位置信号输入。
进一步，所述驱动电路采用Avago公司的双通道光隔离型IGBT驱动器HCPL-315J；所述电流调理电路采用Avago公司的具有较高线性度和共模电压抑制能力的线性隔离采样光耦HCPL-7800A。其中光耦隔离型器件的使用，使得FPGA控制模块和功率驱动及信号采集模块之间实现了电气隔离。
本发明的优点及积极效果为：
本发明构建了一种基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器技术方案，充分利用了FPGA丰富可编程硬件资源和并行处理能力，实现了单片FPGA同时控制多路步进电机，解决了传统控制器只能控制一路或两路的问题，同时也较好地解决多个电机之间的同步问题，实现了多轴步进电机控制系统的高度集成化，减小了控制系统体积，降低了成本，提高了系统稳定性。
本发明采用模块化和IP设计思想，将各模块作为独立体系设计，不仅在FPGA内部嵌入Nios II微处理器使FPGA具备数字信号处理和事务性协调处理功能，同时在Nios II微处理器周围通过纯硬件逻辑单元的形式(步进电机控制IP核)构建多路步进电机控制功能模块，并配置与现场总线通信有关的功能模块，整个系统结构简洁清晰，便于系统扩展以及升级维护。
本发明设计的步进电机控制IP核，不仅具有电流细分驱动功能，还具有运行速度剖面计算功能，可实现步进电机的精确控制，而且控制参数可根据用户需求由微处理器灵活设置，具有较广的适用性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统示意图。
图中：1、FPGA控制模块；2、多路功率驱动及信号采集模块；3、步进电机/编码器组。
图2为本发明实施例提供的步进电机控制IP核架构图；
图3为本发明实施例提供的双缓冲结构示意图；
图4为本发明实施例提供的时序规划模块时序调度示意图；
图5为本发明实施例提供的功率驱动及信号检测模块架构图；
图6为本发明实施例提供的功率H桥电路示意图；
图7为本发明实施例提供的光耦隔离型驱动电路示意图；
图8为本发明实施例提供的光耦隔离型电流调理电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在现有技术中，往往采用单轴电机控制器分别控制各轴，容易出现无法同步的问题，还存在结构复杂、系统成本高的问题。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，实施例提供的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，包括FPGA控制模块1、多路功率驱动及信号采集模块2和步进电机/编码器组3。
FPGA控制模块，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路步进电机控制IP核，根据实际项目的需求还包括定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART等，它们之间通过片内Avalon总线相连通。每路步进电机控制IP核与一路功率驱动及信号采集模块相连后，连接一路步进电机/编码器。
多路步进电机的驱动与控制是并行工作的，各路之间互不干扰，并行地控制多路步进电机的运动。因此，控制系统不会因为电机控制数量的增加而降低实时性。
CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接上位机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与上位机之间的串行通讯。Nios II微处理器与上位机之间采用基于CAN2.0B应用层协议的主从架构进行通讯，上位机为主站，Nios II微处理器(FPGA控制模块)为从站。
Nios II微处理器是整个多轴步进电机控制器的处理器CPU，负责与上位机的通信，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机。
如图2所示，每路步进电机控制IP核，包括Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块和时序规划模块，用于实现步进电机电流细分驱动和轨迹运动的控制。
Avalon总线接口模块符合Altera公司专用的Avalon总线协议，用于实现IP核与Nios II微处理器之间的通讯，接收微处理器发来的配置信息(如微步细分数、绕组电流峰值、电流调节器控制参数、PWM调制频率、死区时间等)、运行信息(如起动速度、匀速速度、停止速度、加速步数、匀速步数、减速步数、运动开始信号等)，并回送给微处理器相关的状态信息(如电机转子位置、状态信息等)。本发明可以根据用户需求，灵活地设定步进电机电流细分驱动与轨迹运动控制的所需参数。
本发明对于上述的配置信息、运行信息、以及状态信息等接口参数均采用双缓冲处理，使用运动开始信号同步刷新寄存器，双缓冲结构框图如图3所示。步进电机控制IP核与Nios II微处理器之间的通讯接口采用双缓冲设计，避免了因为参数读写冲突产生的数据竞争以及数据同步问题，保证信息的正确性和控制的平稳性。
速度剖面产生模块根据Avalon总线接口模块的配置信息(如微步细分数N等)和运行信息(如起动速度Fs、匀速速度Fc、停止速度Fe、加速步数N1、匀速步数N2、减速步数N3等)，首先计算出速度剖面各阶段所需的控制参数(如加速度值)。按梯形速度剖面运行时，则加速阶段、匀速阶段和减速阶段的加速度a1、a2、a3分别为：
其次实时计算出每一个步进脉冲的控制周期。由步进电机工作原理及运动学方程，得加速阶段、匀速阶段和减速阶段每个步进脉冲的步进周期Δti、Δtj和Δtk分别为：
最后生成相应的步进脉冲信号CP和转向信号Dir。步进电机在高速运行时，步进周期Δt的数值一般在us甚至ns量级，因此，必须采用精确的计时方法。本发明在FPGA上设计一个32位计数器(FPGA工作频率f若为50MHz)，它的最大计数周期约为85.9s，最基本的计数单位T为0.02us。用计算出的步进周期Δt除以计数器的基本计数单位T，可以得到一个计数初值c0，将这个值写入到计数器中，并使之开始减1计数；在FPGA上设计一个32位比较器，比较器的值为计数初值c0的一半；当计数器计数值大于比较器的值时，脉冲信号CP输出为低；反之输出为高。同时根据每个步进脉冲的控制周期Δt的符号，确定转向信号Dir值；若控制周期Δt为正，则转向信号Dir为1，否则为0。上述速度剖面产生方式可以精确产生速度剖面所需的步进脉冲信号，因此具有较高的速度和位置控制精度。
细分电流计算模块根据Avalon总线接口模块的配置信息(如微步细分数N、绕组电流峰值Imax等)、速度剖面产生模块的步进脉冲信号CP和转向信号Dir，计算步进电机两相绕组电流的给定值(Ia *和Ib *)。本实施例中的步进电机绕组电流采用微步细分驱动方式，其运算公式如下：
式(3)中，Imax为电机的绕组电流峰值，N为微步细分数，由微处理器通过Avalon总线接口模块设定；s为当前所需要的步数，由速度剖面产生模块输出的步进脉冲信号CP和方向信号Dir决定，当方向信号为1时，检测到步进脉冲信号的上升沿时步数s加1，否则s减1。
AD接口控制模块控制外部的双通道12位AD转换器(如ADS7253)的参数配置、转换启动、转换结束，以读取外部AD转换器的电流采样结果。
电流调理模块根据AD接口控制模块输出的两相绕组电流采样结果，依次进行数字滤波、零点漂移校正补偿、逆电流调理转换运算和锁存处理，计算得到步进电机两相绕组电流的反馈值(Ia和Ib)。
电流调节器根据细分电流计算模块的两相绕组电流给定值(Ia *和Ib *)、电流调理模块的两相绕组电流反馈值(Ia和Ib)、以及Avalon总线接口模块的调节器控制参数(如Kp、Ki、T等)，完成两路电流闭环算法运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty。本实施例中的电流调节算法采用PI控制，其运算公式如下：
式(4)中，Kp、Ki为电流调节器的比例系数和积分系数，T为电流调节器的控制周期，由微处理器通过Avalon总线接口模块设置。
PWM输出模块根据电流调节器的脉冲占空比信号Duty、速度剖面产生模块的转向信号Dir、以及Avalon总线接口模块的配置信息(如PWM调制频率和死区时间等)，输出相应的PWM信号PWM1～PWM8，提供给功率驱动及信号采集模块。用户可以根据需求配置调制频率、死区时间、有效电平极性、高阻态输出控制、刷新方式等，适用于不同的功率驱动电路。
位置反馈处理模块接收位置反馈元件如增量式光电编码器的反馈信号，进行数字滤波、方向判断、四倍频处理、增/减计数和锁存处理，计算得到当前的电机转子位置信息，输出给Avalon总线接口模块。
如图4所示，时序规划模块接收来自Avalon总线接口模块的运动开始信号，采用有限状态机的设计方法，负责调度步进电机控制IP核内各子模块的时序，使得这些子模块按照一定的顺序完成步进电机的细分电流驱动和轨迹运动的控制功能。为了避免采用各子模块串行执行的方法，根据各子模块的工作特点，当运动开始信号有效时，首先进入数据准备阶段，完成缓冲寄存器更新，以及速度剖面所需参数的计算；然后进入运动控制阶段，在整个过程中一直进行步进脉冲的周期计算和生成，直至运动结束；在运动控制阶段，同时还需要进行电流闭环控制，在每一个控制周期内，使AD接口控制模块先启动，之后启动电流调理模块，根据实际细分电流计算模块完成时刻和电流调理模块完成时刻的先后顺序，选择在后一时刻启动电流环控制运算，随后启动PWM输出模块。在程序运行的整个过程中，位置反馈处理模块一直工作。
FPGA控制模块的核心为Altera公司的Cyclone V系列FPGA芯片5CEFA7F31，内部硬件资源为149.5k LEs、6860个M10K内存、312个18×18乘法器、7个PLL，同时还有480个通用IO引脚。FPGA控制模块内部的Nios II微处理器、定时器IP核等由Altera公司以软核的形式直接提供、用户可以灵活配置使用，步进电机控制IP核和CAN控制器IP核均采用硬件逻辑的形式以Verilog硬件描述语言设计实现，它们通过Qsys Component工具集成在一起构建SoPC系统。
每路步进电机控制IP核需要消耗约3.5k LEs、10个M10K内存和15个通用IO引脚，其它部分约消耗约15k LEs、128个M10K内存和20个通用IO引脚，因此FPGA芯片5CEFA7F31可实现最高达25路步进电机的同步控制。
如图5所示，每路电机功率驱动及信号采集模块，包括电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路、电流传感器、电流调理电路、AD转换电路和位置调理电路。步进电机控制IP核输出的PWM1～PWM4信号依次经过电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路后，连接到两相步进电机的一相绕组；PWM5～PWM8信号连接到另一相绕组。两组电流传感器分别串联在功率H桥和电机绕组回路中，两相绕组电流依次通过电流传感器、电流调理电路、AD转换电路、电平转换电路后，连接到步进电机控制IP核的相电流信号输入。步进电机后端转轴上设置有光电编码器，用于电机转子位置的实时检测，经位置调理电路、电平转换电路后连接到步进电机控制IP核的转子位置信号输入。
电平转换电路由四片电平转换器并联构成，每片电平转换器具有四路信号通道。其中，两片用于将1路电机控制IP核发出的8路PWM信号输出给功率驱动电路，另外两片分别用于将信号采集电路的转子位置信号、绕组电流信号输出给电机控制IP核。电平转换器采用TI公司的具有自动方向感应和±15kV ESD保护的4位双向电压电平转换器TXB0104。
如图6所示，功率H桥电路采用N通道的功率MOSFET构成，两个功率H桥电路需要8个MOSFET芯片。功率MOSFET采用TI公司的CSD19532Q5B芯片，具有100V耐压，连续峰值电流为100A，导通电阻为4mΩ。本实施例中步进电机额定电压为48V，连续驱动电流为10A，峰值驱动电流为20A。
如图7所示，驱动电路采用Avago公司的双通道光隔离型门驱动器HCPL-315J，具备高速光耦隔离、欠压锁定功能，兼容CMOS/TTL电平，可驱动1200V/50A的IGBT或MOSFET，最大传输延时为500ns。每片HCPL-315J能驱动一个半桥电路，整个驱动电路由四片HCPL-315J芯片组成。这实现了FPGA控制模块与主电路之间的电气隔离。
如图8所示，电机绕组电流首先流过外部采样电阻，本实施例采用低感、5mΩ功率电阻，电阻上压降在-100～100mV之间。其次模拟压降输入到线性隔离光耦，这里采用Avago公司的线性隔离光耦HCPL-7800A，线性隔离光耦另一端输出正比于绕组电流的差分电压。然后通过差分放大电路转换为单端信号输出，幅值在2.5V±800mV范围内。HCPL-7800A具有15kV/us的共模电压抑制比，这提高了电机绕组电流的采样精度，同时也实现了主电路与FPGA控制模块之间的电气隔离。单端信号最后输入到AD转换电路，提供给电机控制IP核的相电流信号输入，采用TI公司的双通道高速12位同步采样模数转换器ADS7253。
位置信号调理电路将光电编码器的输出信号A、A\、B、B\、Z、Z\依次通过一阶RC低通滤波电路、差分转单端电路、电平转换电路后，提供给电机控制IP核的转子位置信号输入。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统包括:
通过CAN通信接口与上位机连接，至少集成有一组步进电机控制IP核，用于与上位机的通信，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机的FPGA控制模块；
与FPGA控制模块互逆连接，至少集成一组功率驱动和位置及电流采集电路，用于步进电机的功率驱动，以及将电机位置及电流的实时信号采集并反馈给FPGA控制模块的多路功率驱动及信号采集模块；
与多路功率驱动及信号采集模块互逆连接，至少设置一组步进电机/编码器，用于步进电机转子位置的实时检测的步进电机/编码器组。
2.如权利要求1所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述FPGA控制模块，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路步进电机控制IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通NiosII微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路。
3.如权利要求2所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接上位机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与上位机之间的串行通讯。
4.如权利要求2所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述Nios II微处理器，用于与上位机的数据交互，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机。
5.如权利要求2所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述步进电机控制IP核，包括Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块和时序规划模块；用于实现步进电机电流细分驱动和轨迹运动的控制；
所述Avalon总线接口模块，用于与Nios II微处理器的数据交互，接收Nios II微处理器过来的配置信息和运行信息，并将状态信息反馈给Nios II微处理器；
所述速度剖面产生模块用于根据配置信息和运行信息进行梯形速度剖面参数的运算，实时计算出每一个步进脉冲的控制周期，并生成步进脉冲信号CP和转向信号Dir；
所述细分电流计算模块用于根据步进脉冲信号CP和转向信号Dir计算步进电机两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *；
所述AD接口控制模块用于控制外部的双通道AD转换器完成模数转换，以读取外部AD转换器的电流采样结果；
所述电流调理模块用于根据电流采样结果计算出步进电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；
所述电流调节器用于根据两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *和反馈值Ia和Ib分别进行电流PI闭环运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；
所述PWM输出模块用于根据脉冲占空比信号Duty和转向信号Dir，以生成相应绕组电流控制所需的PWM信号；
所述位置反馈处理模块用于获取当前电机转子位置信息；
所述时序规划模块用于Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块的时序调度，使得它们按照一定的顺序执行以完成步进电机的控制。
6.如权利要求1所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述功率驱动及信号采集模块，包括电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路、电流传感器、电流调理电路、AD转换电路和位置调理电路；所述步进电机控制IP核输出的PWM信号经电平转换电路后接驱动电路的输入端；
所述驱动电路的输出端接功率H桥电路的输入端；
所述功率H桥电路的输出端接两相步进电机的一相绕组；
所述电流传感器串联在步进电机绕组回路中，用于绕组电流的采集，依次通过电流调理电路、AD转换电路和电平转换电路后接步进电机控制IP核的电流信号输入。
7.如权利要求1所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述步进电机后端设置有光电编码器用于采集电机转子位置信号，依次通过位置调理电路、电平转换电路后接步进电机控制IP核的转子位置信号输入。
8.如权利要求5所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述速度剖面产生模块根据Avalon总线接口模块的配置信息和运行信息；
首先计算出速度剖面各阶段所需的控制参数；按梯形速度剖面运行时，则加速阶段、匀速阶段和减速阶段的加速度a1、a2、a3分别为：
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其中，启动速度为Fs，匀速速度为Fc，停止速度为Fe，加速步数为N1，匀速步数为N2，减速步数为N3；
其次实时计算出每一个步进脉冲的控制周期；由步进电机工作原理及运动学方程，得加速阶段、匀速阶段和减速阶段每个步进脉冲的步进周期Δti、Δtj和Δtk分别为：
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最后生成相应的步进脉冲信号CP和转向信号Dir；步进电机在高速运行时，步进周期Δt的数值在us甚至ns量级，用计算出的步进周期Δt除以计数器的基本计数单位T，得到一个计数初值c0，将这个值写入到计数器中，并使之开始减1计数；
比较器的值为计数初值c0的一半；当计数器计数值大于比较器的值时，脉冲信号CP输出为低；反之输出为高；同时根据每个步进脉冲的控制周期Δt的符号，确定转向信号Dir值；若控制周期Δt为正，则转向信号Dir为1，否则为0。
9.如权利要求5所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，细分电流计算模块根据Avalon总线接口模块的配置信息、速度剖面产生模块的步进脉冲信号CP和转向信号Dir，计算步进电机两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *；步进电机绕组电流采用微步细分驱动方式时，其运算公式如下：
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式(3)中，Imax为电机的绕组电流峰值，N为微步细分数，由微处理器通过Avalon总线接口模块设定；s为当前所需要的步数，由速度剖面产生模块输出的步进脉冲信号CP和方向信号Dir决定，当方向信号为1时，检测到步进脉冲信号的上升沿时步数s加1，否则s减1；
电流调理模块根据AD接口控制模块输出的两相绕组电流采样结果，依次进行数字滤波、零点漂移校正补偿、逆电流调理转换运算和锁存处理，计算得到步进电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；
电流调节器根据细分电流计算模块的两相绕组电流给定值Ia *和Ib *、电流调理模块的两相绕组电流反馈值Ia和Ib、以及Avalon总线接口模块的调节器控制参数，完成两路电流闭环算法运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；电流调节算法采用PI控制，其运算公式如下：
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式(4)中，Kp、Ki为电流调节器的比例系数和积分系数，T为电流调节器的控制周期，由微处理器通过Avalon总线接口模块设置。
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