CN108873790B - 基于fpga的sopc多轴联动运动控制器及控制系统 - Google Patents

基于fpga的sopc多轴联动运动控制器及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器及控制系统。其中，一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，包括存储模块、软核IP和多轴联动运动控制模块，所述多轴联动运动控制模块被配置为执行以下程序：设定可连续加工的线段的起始加工点为在X、Y、Z三轴坐标系下的原点；获取可连续加工的线段中的当前加工点相对于原点的坐标信息；实时求取矢量虚拟长轴，其中，虚拟长轴的矢量方向为从原点指向当前加工点，虚拟长轴的矢量大小为当前加工点距离原点的距离大小；在虚拟长轴的矢量方向上进行调速，再利用虚拟长轴对X、Y、Z三轴进行数字积分插补，实现X、Y、Z三轴进给脉冲的分配，最终实现X、Y、Z三个轴向的调速。

Description

基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器及控制系统
技术领域
本发明属于电子控制领域，尤其涉及一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器及控制系统。
背景技术
运动控制系统广泛应用于关系国计民生的各个方面，如数控机床、绘图仪、雕刻机等。由于步进电机具有使用简单、运动精确、连续运行无累积误差等特点，因而被广泛应用于各种运动控制系统中。
传统的运动控制系统概括起来可分为两类，一类以微控制器(MCU)/微处理器(MPU)/数字信号处理器(DSP)为核心的系统；另一类以专用的运动控制芯片为核心的系统。此两种系统分别在速度和成本上有不足，尤其是其单纯依靠软件的修改来达到控制要求的特点在许多实际应用中不足以使其达到特定应用场合的要求，且当系统升级时，通常需要对整个电路重新进行设计，这样既延长了升级的周期，又增加了升级成本，因而在实际应用中受到一定的限制。
另外，传统的运动控制系统在沿预设轨迹运动的过程中，采用传统的数字积分插补算法实现对预设轨迹的跟踪，而传统的数字积分插补算法要对长轴L(即X、Y、Z三轴中的最长轴)进行判断，然后通过长轴进行插补，而每次长轴进行切换就要进行一次加减速控制，这在实际工程中直接影响了系统的性能。
而且传统的运动控制系统在进行加减速控制的过程是基于时间参数实现的，其中涉及速度、距离和加速度之间的关系，需要进行复杂的乘法等运算，这样使得运动控制系统的调速效率低。
综上所述，亟需研发一种易于升级维护、控制性能及效率高且成本低的运动控制器及系统。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，其易于升级维护、控制性能及效率高且成本低。
本发明的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，包括存储模块、软核IP和多轴联动运动控制模块，所述多轴联动运动控制模块被配置为执行以下程序：
设定可连续加工的线段的起始加工点为在X、Y、Z三轴坐标系下的原点；
获取可连续加工的线段中的当前加工点相对于原点的坐标信息；
实时求取矢量虚拟长轴，其中，虚拟长轴的矢量方向为从原点指向当前加工点，虚拟长轴的矢量大小为当前加工点距离原点的距离大小；
在虚拟长轴的矢量方向上进行调速，再利用虚拟长轴对X、Y、Z三轴进行数字积分插补，实现X、Y、Z三轴进给脉冲的分配，最终实现X、Y、Z三个轴向的调速。
进一步的，所述基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器还包括IO模块，所述IO模块包括回零输入模块，所述回零输入模块用于接收外部机械回零信号，实现加工设备回机械原点。
进一步的，所述IO模块还包括步进电机控制输出模块，其与多轴联动运动控制模块相连，且通过步进电机细分驱动器直接驱动步进电机。
进一步的，所述IO模块还包括直流电机控制输出模块，其与软核IP相连，用于实现直流电机的PWM控制。
进一步的，所述软核IP与多轴联动运动控制模块通过总线接口模块相连。
进一步的，所述基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器还包括USB通讯模块，所述USB通讯模块用于连接所述SOPC多轴联动运动控制器与上位机。
进一步的，所述存储模块包括SDRAM模块和FLASH存储配置模块；其中，SDRAM模块是程序运行和待加工的数据临时加载的场所；所述FLASH存储配置模块由并行FLASH和CPLD组成，所述FLASH存储配置模块用来存储程序、加工数据存储以及FPGA配置数据。
本发明的第二目的是提供一种多轴联动运动控制系统。
本发明的一种多轴联动运动控制系统，包括上述所述的基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用FPGA的现场可重构的特点，使得系统的开发升级更为简便，不需要作硬件调整，从而降低了开发成本，加快了产品开发周期；使用中多轴联动运动控制IP核为运动控制的核心，可以灵活地同软核CPU NIOS II构成SOPC系统，同时，运动控制算法用VHDL语言实现的IP核实现，实现了算法的硬件化和可定制，提高了系统的性能、集成度、可靠性、易升级性。
(2)本发明在数字积分插补的过程中，不需要对长轴进行判断，而是引入了矢量虚拟长轴的概念，插补中直接用虚拟长轴进行插补和调速控制，实际插补中虚拟长轴对外并不实际进给脉冲，而只是在X，Y，Z三个坐标轴方向实际插补输出脉冲，提高了多轴联动运动控制器在实际工程中的性能。
(3)本发明将传统调速中所关心的时间参数通过速度和加速度转换为距离，通过距离更直观的去判定是否有脉冲进给，达到调速的目的，提高了多轴联动运动控制器调速的效率。
(4)本发明可适用于数控机床、绘图仪、雕刻机等轨迹跟踪领域。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器的实施例一结构示意图。
图2是本发明的多轴联动运动控制模块工作原理。
图3是本发明的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器的实施例二结构示意图。
图4是本发明的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器的另一实施例结构示意图。
图5是本发明的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器中数字积分插补原理图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
SOPC：System-on-a-Programmable-Chip，即可编程片上系统。用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统(SOPC)是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统(SOC)，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。
软核IP：是用HDL文本形式提交给用户，它经过RTL级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息。据此，用户可以综合出正确的门电路级设计网表，并可以进行后续的结构设计，具有很大的灵活性，借助于EDA综合工具可以很容易地与其他外部逻辑电路合成一体，根据各种不同半导体工艺，设计成具有不同性能的器件。软核IP也称为虚拟组件(VC-Virtual Component)。
实施例一
图1是本发明的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器的实施例一结构示意图。
如图1所示，本发明的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，包括存储模块、软核IP和多轴联动运动控制模块。
如图2所示，多轴联动运动控制模块被配置为执行以下程序：
设定可连续加工的线段的起始加工点为在X、Y、Z三轴坐标系下的原点；
获取可连续加工的线段中的当前加工点相对于原点的坐标信息；
实时求取矢量虚拟长轴，其中，虚拟长轴的矢量方向为从原点指向当前加工点，虚拟长轴的矢量大小为当前加工点距离原点的距离大小；
在虚拟长轴的矢量方向上进行调速，再利用虚拟长轴对X、Y、Z三轴进行数字积分插补，实现X、Y、Z三轴进给脉冲的分配，最终实现X、Y、Z三个轴向的调速，如图5所示。
在本实施例中，总线接口模块用来实现软核IP与多轴联动运动控制模块之间的通信，并将数据暂存至相应寄存器内。
多轴联动运动控制器通过加减速控制和数字积分插补的计算之后通过相应分频器模块，将数字积分插补后的脉冲信号分配给相应步进电机。
在本实施例中，软核IP可采用NIOS II软核IP来实现，是SOPC系统的调度中心，由Altera公司提供。
本实施例的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，基于一片FPGA，用VHDL语言设计自有知识产权的多轴联动运动控制IP核，实现一款SOPC多轴控制器。
传统调速算法是基于时间参数的，具体速度V、距离S、加速度a之间在加速段的关系如下：
Figure BDA0001765673920000051
当Δt足够小时，本系统中取Δt＝100ns，上述关系可以表示为：
Figure BDA0001765673920000052
在上述表示中，以Δt为最小单位时间1，来算出在这个时间内以一定的初速度vi-1和加速度a，移动距离si，然后得到n个最小时间单位的移动累加距离S,使原本和时间相关的问题变为距离问题。而且通过Δt为最小单位时间1的归一化运算，把加速段的调速运算简化为了只有加法的运算。
在匀速和减速阶段同理，这里就不再赘述了。
本实施例把加减速调速算法从基于时间参数的调速转换为了基于距离的调速。由于归一化最小时间单位的采用，使复杂的乘方、乘法运算变为加减运算。这在传统基于CPU的系统中是无法实现的。本系统中采用FPGA，例如：系统时钟为50M，即5个时钟周期即100ns为一个Δt，可以保证精准100ns内处理完所有的运算，得益于FPGA的并行处理能力。本发明中，只针对可连续加工的线段Ps进行加减速控制，即只在虚拟长轴Pl的矢量方向上进行了调速，再用Pl对X、Y、Z三轴进行数字积分插补，实现三轴进给脉冲的分配，最终实现三个轴向的调速。
本实施例将传统调速中所关心的时间参数通过速度和加速度转换为距离，通过距离更直观的去判定是否有脉冲进给，达到调速的目的，此即为基于距离的调速算法。
本实施例利用FPGA的现场可重构的特点，使得系统的开发升级更为简便，不需要作硬件调整，从而降低了开发成本，加快了产品开发周期；使用中多轴联动运动控制IP核为运动控制的核心，可以灵活地同软核CPU NIOS II构成SOPC系统，同时，运动控制算法用VHDL语言实现的IP核实现，实现了算法的硬件化和可定制，提高了系统的性能、集成度、可靠性、易升级性。
本实施例在数字积分插补的过程中，不需要对长轴进行判断，而是引入了矢量虚拟长轴的概念，插补中直接用虚拟长轴进行插补和调速控制，实际插补中虚拟长轴对外并不实际进给脉冲，而只是在X，Y，Z三个坐标轴方向实际插补输出脉冲，提高了多轴联动运动控制器在实际工程中的性能。
本实施例将传统调速中所关心的时间参数通过速度和加速度转换为距离，通过距离更直观的去判定是否有脉冲进给，达到调速的目的，提高了多轴联动运动控制器调速的效率。
实施例二
如图3所示，本发明的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，包括存储模块、软核IP、多轴联动运动控制模块和IO模块。
其中，多轴联动运动控制模块的工作原理如图2所示。
在具体实施中，IO模块包括回零输入模块，所述回零输入模块用于接收外部机械回零信号，实现加工设备回机械原点。
在另一实施例中，所述IO模块还包括步进电机控制输出模块，其与多轴联动运动控制模块相连，且通过步进电机细分驱动器直接驱动步进电机。
具体地，步进电机控制输出模块，包括多个原理相同的，通过脉冲、方向进行控制的多个输出单元，每个输出单元对应一个轴。
在另一实施例中，所述IO模块还包括直流电机控制输出模块，其与软核IP相连，用于实现直流电机的PWM控制。
在另一实施例中，所述IO模块还包括通用输入输出模块，其用来处理诸如限位开关、电磁阀、气缸等的控制。
在另一实施例中，所述基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器包括键盘和LCD显示模块，所述键盘和LCD显示模块是下位机的人机接口模块，负责加速度a、最大加工速度Vmax参数的设置和实时加工状态的显示，同时可以实现加工的暂停、手动加工等功能的实现。
在另一实施例中，所述软核IP与多轴联动运动控制模块通过总线接口模块相连。
以软核IP为NIOSII软核为例：
多轴联动运动控制模块通过Altera的Avalon总线和NIOSII连接，实现了步进电机加减速算法和数字积分插补算法，使算法硬件化，提高了系统的性能，其中，NIOSII软核只负责简单的系统调度工作。
在另一实施例中，所述基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器还包括USB通讯模块，所述USB通讯模块用于连接所述SOPC多轴联动运动控制器与上位机。
其中，上位机即普通的PC机，本发明采用VC为编程工具，实现了预处理软件的设计。本发明上位机要加工的数据文件来自第三方的CAD软件的输出，待加工数据统一为长短不一的直线段，且以X,Y,Z的绝对坐标形式出现。
上位机预处理数据，且实现以下功能：虚拟长轴的计算，坐标值到脉冲数的变换，连续可加工线段的识别。
(1)虚拟长轴的计算
第一步，将待加工的直线段的起点坐标(X1,Y1,Z1)和终点坐标(X2,Y2,Z2)对应两两相减，x＝X2-X1,y＝Y2-Y1,z＝Z2-Z1；
第二步，算出每条直线的空间矢量长度
Figure BDA0001765673920000071
这里算出的空间矢量长度L，就作为将来用于在FPGA中实现的数字积分插补算法的虚拟长轴。
(2)坐标值到脉冲数的变换
本实施例脉冲当量的取值范围为0.0001mm-0.1mm，可以根据具体的加工设备在上位机软件输入。X，Y，Z三个轴的对应的脉冲当量分别为δx，δy，δz可以不同。脉冲数具体换算过程为：Px＝X2/δx-X1/δx,Py＝Y2/δy-Y1/δy,Pz＝Z2/δz-Z1/δz。这里算出的脉冲数为后一点相对于前一点的绝对位移脉冲数，有正负之别。特别强调，为避免运算过程的累积误差，本实施例中运算是先把每个绝对坐标值化为脉冲数，然后用脉冲数减去脉冲数获得相对每个轴的脉冲数。长轴脉冲数Pl＝L/δmin,其中δmin＝0.0001mm。至此得到Pl，Px，Py，Pz。
本实施例中面对的待加工的数据文件是由直线段为基本的加工单位，曲线是由多段小直线段拟合而成的。对于步进电机而言，存在加减速问题。如何解决曲线高速加工问题是本实施例要解决的一个实际工程问题。解决的思想是相邻的空间小直线段在加工矢量方向上的夹角足够小，即可以按一个大的加工线段进行加工，只需要一个加速、匀速、减速的过程。
本实施例以10度为标准，相邻的空间小直线段在加工矢量方向上的夹角小于等于10度即为可连续加工的线段。连续N段可连续加工的小直线段构成一个大的加工线段，只需要一次加减速，从而提高加工效率。
连续n段的总脉冲数Ps为：
Figure BDA0001765673920000081
其中，Pli为第i段的脉冲数。
对加工数据预处理得到如下结果：以(Px，Py，Pz，Pl，Ps)为格式的数据帧，Px，Py，Pz分别是当前小直线段在X，Y，Z轴上应该走的步数，有正负之别，正负号代表步进电机的加工方向。Pl是虚拟长轴L应该走的步数，Ps是当前可连续运行大段该走的步数。Pl和Ps为无符号数，Ps不等于0，说明这是一个新的大段的开始；当Ps等于0时，说明这一帧数据是当前大段可连续加工数据的一部分。
其中，USB通讯模块负责上下位机的通讯，可以接U盘，也可以通过USB线连接PC上位机，即本下位机既可以做HOST，也可以做DEVICE。从而上位机预处理的数据可以以联机方式(USB线)或脱机方式(U盘)传送到下位机。
上位机负责数据文件预处理，通过USB、U盘分别实现联机和脱机数据加载。
如图4所示，在另一实施例中，所述存储模块包括SDRAM模块和FLASH存储配置模块。其中，SDRAM模块作为本SOPC系统的运行内存，是程序运行和待加工的数据临时加载的场所。
FLASH存储配置模块由并行FLASH和CPLD组成，有三个功能：程序存储，本发明用C语言写的程序最终存储在FLASH中；加工数据存储，作为下位机的非易失存储体，可以存储上位机的加工数据在里面，方便多次分时加工；FPGA配置数据存储，在下位机上电后，首先通过CPLD把并行FLASH中的FPGA配置数据配置到FPGA中。本发明中采用的是并行FLASH配置方案，相比串行FLASH配置方案有高速、高可靠的优点。
本发明还提供了一种多轴联动运动控制系统。
本发明的一种多轴联动运动控制系统，包括上述所述的基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器。
本发明利用FPGA的现场可重构的特点，使得系统的开发升级更为简便，不需要作硬件调整，从而降低了开发成本，加快了产品开发周期；使用中多轴联动运动控制IP核为运动控制的核心，可以灵活地同软核CPUNIOS II构成SOPC系统，同时，运动控制算法用VHDL语言实现的IP核实现，实现了算法的硬件化和可定制，提高了系统的性能、集成度、可靠性、易升级性。
本发明在数字积分插补的过程中，不需要对长轴进行判断，而是引入了矢量虚拟长轴的概念，插补中直接用虚拟长轴进行插补和调速控制，实际插补中虚拟长轴对外并不实际进给脉冲，而只是在X，Y，Z三个坐标轴方向实际插补输出脉冲，提高了多轴联动运动控制器在实际工程中的性能。
本发明将传统调速中所关心的时间参数通过速度和加速度转换为距离，通过距离更直观的去判定是否有脉冲进给，达到调速的目的，提高了多轴联动运动控制器调速的效率。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，包括存储模块、软核IP和多轴联动运动控制模块，其特征在于，所述多轴联动运动控制模块被配置为执行以下程序：
设定可连续加工的线段的起始加工点为在X、Y、Z三轴坐标系下的原点；
获取可连续加工的线段中的当前加工点相对于原点的坐标信息；
实时求取矢量虚拟长轴，其中，虚拟长轴的矢量方向为从原点指向当前加工点，虚拟长轴的矢量大小为当前加工点距离原点的距离大小；
在虚拟长轴的矢量方向上进行调速，再利用虚拟长轴对X、Y、Z三轴进行数字积分插补，实现X、Y、Z三轴进给脉冲的分配，最终实现X、Y、Z三个轴向的调速；
上位机对加工数据预处理得到如下结果：以(Px，Py，Pz，Pl，Ps)为格式的数据帧，Px，Py，Pz分别是当前小直线段在X，Y，Z轴上应该走的步数，有正负之别，正负号代表步进电机的加工方向，Pl是虚拟长轴L应该走的步数，Ps是当前可连续运行大段该走的步数；
所述存储模块包括FLASH存储配置模块，所述FLASH存储配置模块由并行FLASH和CPLD组成，所述FLASH存储配置模块用来存储程序、加工数据存储以及FPGA配置数据；
多轴联动运动控制IP核为运动控制的核心，同软核CPUNIOS II构成SOPC系统。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，其特征在于，所述基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器还包括IO模块，所述IO模块包括回零输入模块，所述回零输入模块用于接收外部机械回零信号，实现加工设备回机械原点。
3.如权利要求2所述的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，其特征在于，所述IO模块还包括步进电机控制输出模块，其与多轴联动运动控制模块相连，且通过步进电机细分驱动器直接驱动步进电机。
4.如权利要求2所述的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，其特征在于，所述IO模块还包括直流电机控制输出模块，其与软核IP相连，用于实现直流电机的PWM控制。
5.如权利要求1所述的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，其特征在于，所述软核IP与多轴联动运动控制模块通过总线接口模块相连。
6.如权利要求1所述的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，其特征在于，所述基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器还包括USB通讯模块，所述USB通讯模块用于连接所述SOPC多轴联动运动控制器与上位机。
7.如权利要求1所述的一种基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器，其特征在于，所述存储模块还包括SDRAM模块，SDRAM模块是程序运行和待加工的数据临时加载的场所。
8.一种多轴联动运动控制系统，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的基于FPGA的SOPC多轴联动运动控制器。
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