CN110465422B - 一种基于fpga的喷涂机运动控制系统及其运动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的喷涂机运动控制系统及其运动控制方法，该系统包括主处理器以及运动控制器，运动控制器包括输入信息分析模块、速度控制模块、插补模块。输入信息分析模块用于对输入的运动信息进行译码。速度控制模块用于通过驱动三个直线轴步进电机使喷枪在三维方向上运动时进行梯形加减速变化，使它能在从启动到最大进给速度的过程中平稳过渡。插补模块包括直线插补单元、圆弧插补单元以及轴控制单元。直线插补单元用于使喷枪行走出所需的直线轨迹，累加的溢出作为直线插补的脉冲当量。圆弧插补单元用于使喷枪行走出圆弧轨迹，累加的溢出作为圆弧插补的脉冲当量。本发明处理速度快，效率和实时性均比较高，可以多轴联动，处理精度高。

Description

一种基于FPGA的喷涂机运动控制系统及其运动控制方法
技术领域
本发明涉及喷涂技术领域的一种控制系统，尤其涉及一种基于FPGA的喷涂机运动控制系统，还涉及该系统的基于FPGA的喷涂机运动控制方法。
背景技术
在制造业中，几乎所有机电产品都需要进行表面喷漆操作。喷涂是一种表面处理技术，通过喷枪将涂料覆盖在被涂物的表面，并使其牢固地附着在涂层上。例如，对一些生活中常见的金属、塑胶产品，甚至军事和航天等领域的许多设备，都需要喷涂以装饰、标记和保护产品。喷涂设备的性能对产品质量和产量有重大影响。近年来，一些大型企业开始使用自动喷涂机来代替人工操作，一台机器的生产量相当于三个人的工作量，并且具有五年的使用寿命。采用自动化方法完成喷涂作业，能够保证操作人员的人身安全和喷涂效果，不仅满足了质量、效率和灵活性的要求，而且能够为企业节省更多的资金。
自动喷涂机器离不开精确的运动控制。运动控制需通过良好的运动控制系统实现，运动控制器则是系统的根本。运动控制器的功能是控制电机运转并带动机械实现所需的运动轨迹，运动控制的本质就是对系统输入的命令执行逻辑运算，将其转换为电机能识别的数据，并将此数据传送给电机驱动器，以使电机根据预先设定好的输入值运行。但是，现有的运动控制系统主要由微处理器或者运动控制芯片控制，其系统处理精度不够高、速度慢、实时性差。
发明内容
为解决现有的运动控制系统处理精度不够高、速度慢、实时性差的技术问题，本发明提供一种基于FPGA的喷涂机运动控制系统及其运动控制方法。
本发明采用以下技术方案实现：一种基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其包括主处理器以及接收所述主处理器发送的运动信息并根据所述运动信息对五轴自动喷涂机进行控制的运动控制器；所述五轴自动喷涂机包括控制夹具、喷枪、分别驱动所述喷枪沿三维方向进行直线运动的三个直线轴步进电机以及分别驱动所述控制夹具和所述喷枪旋转的两个旋转轴步进电机；所述运动控制器包括：
输入信息分析模块，其用于对所述运动信息进行译码，并获取所述喷枪的在三维方向上直线运动的初始速度、给定进给速度、定值加速度以及进给距离，还获取所述喷枪在三维方向上的初始坐标值、终点坐标值和位移量，以及所述控制夹具和所述喷枪的旋转方向和旋转频率；
速度控制模块，其用于依次通过驱动三个直线轴步进电机使所述喷枪在三维方向上进行插补运动时速度呈梯形加减速变化；其中，所述速度控制模块根据所述初始速度、所述给定进给速度、所述定值加速度以及所述进给距离，计算出所述喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中各个轴向的行进距离和行进时间，并将对应的行进信息传递至对应的各个直线轴步进电机，三个直线轴步进电机根据对应的行进信息驱使所述喷枪运动至目标位置；
插补模块，其包括直线插补单元、圆弧插补单元以及轴控制单元；在三维方向中，每维方向与一个寄存器及一个插补累加器对应；所述直线插补单元用于将所述喷枪在每维方向上的位移量存放对应的寄存器中，并每隔一个预设时间间隔对所述位移量在对应的插补累加器中进行累加计算，且对应的插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应的直线轴步进电机进行直线插补的一个脉冲当量；在每个二维平面中，所述圆弧插补单元用于将两轴的初值分别存放在与另一轴对应的寄存器中，并在分别对应所述两轴的两个插补累加器中进行累加，且每个插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应另一轴的直线轴步进电机进行圆弧插补的一个脉冲当量；所述轴控制单元用于根据所述旋转方向和所述旋转频率，通过驱动对应的旋转轴步进电机使对应的所述控制夹具或所述喷枪旋转以达到指定位置。
本发明通过运动控制器的输入信息分析模块对接收到的数据进行译码，然后将初始速度等信息送入速度控制模块中进行梯形加减速变化，对电机的速度进行控制，同时将插补轨迹的坐标传输至插补模块中，插补模块可以根据输入信息选择直线插补单元或圆弧插补单元进行工作，选择相应的插补模式，从而在插补后分别输出各轴的方向和位移脉冲至各自电机中进行驱动，从而通过电机转动完成插补，另外插补模块的轴控制单元能够根据接收的方向和频率信息，驱使对应的旋转轴步进电机控制对应的夹具或者喷枪进行旋转，解决了现有的运动控制系统处理精度不够高、速度慢、实时性差的技术问题，得到了处理精度高、反应速度快以及实时性好的技术效果。
作为上述方案的进一步改进，所述进给距离的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000021
式中，L为所述进给距离；T1、T2和T3分别为所述喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中的行进时间，且所述行进时间的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000022
Figure GDA0002411149180000023
其中，a为所述定值加速度，所述喷枪的初始速度为V0，所述给定进给速度为Vmax；
所述行进距离的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000024
Figure GDA0002411149180000025
式中，L1为所述喷枪在加速阶段的行进距离，L2为所述喷枪在加速阶段和匀速阶段的行进距离，L3为所述喷枪在减速阶段的行进距离。
作为上述方案的进一步改进，所述喷枪的行进速度的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000026
所述行进距离的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000031
式中，L1为所述喷枪在加速阶段的行进距离，L2为所述喷枪在加速阶段和匀速阶段的行进距离；所述喷枪的初始速度为V0，所述给定进给速度为Vmax；在加速阶段，所述喷枪以加速度a线性增加其速度，直至所述行进速度达到目标速度；在减速阶段，所述喷枪以加速度-a线性降低其速度，直至所述行进速度与所述初始速度相同。
作为上述方案的进一步改进，定义所述喷枪的起点位置为原点O，经过所述进给距离后的终点位置的坐标为P(xe,ye,ze)；所述喷枪在三维方向上的位移量的表达式为：
Figure GDA0002411149180000032
式中，k为常数，n为对应的插补累加器的累加次数，且kn＝1。
进一步地，所述寄存器为m位寄存器，且最大容量为2m-1；所述插补累加器的累加次数n＝2m。
作为上述方案的进一步改进，在X轴和Y轴所形成的二维平面中，所述圆弧插补单元驱动直线轴步进电机进行圆弧插补的位移量的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000033
式中，m为所述寄存器的位数，n为所述插补累加器的累加次数，Δt为所述圆弧插补单元进行累加的时间增量，(xi,yi)为所述喷枪在X轴和Y轴所形成的二维平面中的实时位置坐标；
在X轴和Z轴所形成的二维平面中，所述圆弧插补单元驱动直线轴步进电机进行圆弧插补的位移量的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000034
式中，(xi,zi)为所述喷枪在X轴和Z轴所形成的二维平面中的实时位置坐标；
在Y轴和Z轴所形成的二维平面中，所述圆弧插补单元驱动直线轴步进电机进行圆弧插补的位移量的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000041
式中，(yi,zi)为所述喷枪在Y轴和Z轴所形成的二维平面中的实时位置坐标。
作为上述方案的进一步改进，所述喷涂机运动控制系统还包括人机交互模块；所述人机交互模块包括按键电路、按键判断单元以及显示电路；所述按键电路包括呈矩阵排布的多个按键开关，每行按键开关的同一端均相连以形成一个行输出端，每列的按键开关的同另一端均相连以形成一个列输出端；所述按键判断单元根据各个行输出端和列输出端的信号变化状态，确定各个按键开关的通断状态，并将对应的信息传输至所述主处理器以及所述显示电路；所述显示电路用于显示所述通断状态；所述主处理器根据所述通断状态，生成所述运动信息。
作为上述方案的进一步改进，所述速度控制模块包括分频器一、积分器、速度累加器一、比较器一、除法器、分频器二、计数器以及比较器二；所述喷涂机运动控制系统还包括用于产生系统时钟CLK的时钟电路，所述分频器一用于将所述系统时钟CLK的频率进行分频，并产生采样脉冲；所述积分器将所述采样脉冲与所述给定进给速度相乘，获取速度增加量；所述速度累加器一用于将所述初始速度与所述速度增加量进行累加，获取所述喷枪的实时速度；所述比较器一将所述实时速度与所述给定进给速度进行比较；在所述实时速度小于所述给定进给速度时，所述除法器根据输出脉冲的频率，计算出时钟频率；所述分频器二用于对所述时钟频率进行分频，并生成驱使所述直线轴步进电机进行加速的输出脉冲；所述计数器用于对所述输出脉冲进行计数，并生成计数值；所述比较器二用于将所述计数值的两倍与预设的总脉冲数进行比较，在所述总脉冲数不大于所述计数值的两倍时，通过所述直线轴步进电机对所述喷枪进行减速。
作为上述方案的进一步改进，所述主处理器采用ARM芯片STM32F407ZGT6，所述运动控制器采用EP2C35F484C8N芯片，且所述主处理器与所述运动控制器通过总线模块实现连接。
本发明还提供一种基于FPGA的喷涂机运动控制方法，其应用于上述任意所述的基于FPGA的喷涂机运动控制系统中，其包括以下步骤：
对所述运动信息进行译码，并获取所述喷枪的在三维方向上直线运动的初始速度、给定进给速度、定值加速度以及进给距离，还获取所述喷枪在三维方向上的初始坐标值、终点坐标值和位移量，以及所述控制夹具和所述喷枪的旋转方向和旋转频率；
根据所述初始速度、所述给定进给速度、所述定值加速度以及所述进给距离，计算出所述喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中各个轴向的行进距离和行进时间，并将对应的行进信息传递至对应的各个直线轴步进电机，使三个直线轴步进电机根据对应的行进信息驱使所述喷枪运动至目标位置；
驱使所述直线轴步进电机及所述旋转轴步进电机进行插补：(1)将所述喷枪在每维方向上的位移量存放对应的寄存器中，并每隔一个预设时间间隔对所述位移量在对应的插补累加器中进行累加计算，且对应的插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应的直线轴步进电机进行直线插补的一个脉冲当量；(2)在每个二维平面中，将两轴的初值分别存放在与另一轴对应的寄存器中，并在分别对应所述两轴的两个插补累加器中进行累加，且每个插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应另一轴的直线轴步进电机进行圆弧插补的一个脉冲当量；(3)根据所述旋转方向和所述旋转频率，通过驱动对应的旋转轴步进电机使对应的所述控制夹具或所述喷枪旋转以达到指定位置。
相较于现有技术，本发明的基于FPGA的喷涂机运动控制系统及其运动控制方法，其具有以下有益效果：
1、该基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其运动控制器的速度控制模块能够根据初始速度、给定进给速度、定值加速度以及进给距离，通过进给距离的计算公式计算出喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中各个轴向的行进距离和行进时间，从而将对应的行进信息传递至各个直线轴步进电机，这样直线轴步进电机就能够根据相应的行进信息驱使喷枪运动至目标位置，而且利用梯形加减速对喷枪的速度进行控制，不论加速还是减速时，当前速度都根据一个给定的加速度进行变化，控制过程简单，资源消耗较少，而且响应迅速，处理速度快，同时效率和实时性均比较高。
2、该基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其运动控制器的插补模块能够根据输入信息选择直线插补单元或圆弧插补单元进行工作，选择相应的插补模式，进而在插补后分别输出各轴的方向和位移脉冲至各自电机中进行驱动，从而通过电机转动完成直线或圆弧插补。另外，插补模块的轴控制单元能够根据接收的方向和频率信息，驱使对应的旋转轴步进电机控制对应的夹具或者喷枪进行旋转，并使其保持和喷涂平面垂直。在插补模块进行插补的过程中，通过将初始数据存放在寄存器中，然后不断地向其里面进行微分累加，直至有脉冲溢出，而此时的脉冲作为驱动电机转动的脉冲，运行快速，而且脉冲分布均匀，可以完成多轴联动的机器插补，处理精度高，而且能够保证实时性。
3、该基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其主处理器可采用ARM芯片，而运动控制器采用FPGA芯片，这样采用FPGA+ARM的方案能够满足成本低廉、精度高以及能安全可靠完成喷涂任务的要求，而且ARM具有较强的实时性，控制和管理性能好，同样在FPGA内部实现运动控制算法，能同时控制五个电机轴运动，提高了运动控制的精度和速度，并具有可扩展性。
附图说明
图1为本发明实施例1的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的系统框图；
图2为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的输入信息分析模块的模块图；
图3为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的速度控制模块中梯形加减速的示意图；
图4为图3所示的速度控制模块的系统框图；
图5为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器对于喷枪控制后速度变化图；
图6为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的插补模块的系统框图；
图7为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的插补模块进行直线插补的示意图；
图8为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的插补模块的直线插补框图；
图9为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的插补模块进行圆弧插补的轨迹图；
图10为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的插补模块的圆弧插补框图；
图11为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的电源模块的24V转5V的电路图；
图12为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的电源模块的5V电压转为3.3V电压的电路图；
图13为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的电源模块的3.3V电压至1.2V的电路图；
图14为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的外围电路中时钟电路的电路图；
图15为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的外围电路中复位电路的电路图；
图16为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的外围电路中下载电路的电路图；
图17为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的外围电路中总线接口电路的电路图；
图18为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的FPGA芯片的时钟电路的电路图；
图19为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的外围电路中电机驱动电路的电路图；
图20为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的外围电路中开关量输入隔离电路的电路图；
图21为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的外围电路中开关量输出隔离电路的电路图；
图22为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的外围电路中输入输出的接口电路的电路图；
图23为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的外围电路中人机交互模块中按键电路的电路图；
图24为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的外围电路中人机交互模块的扫描程序流程图；
图25为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的外围电路中LCD显示电路的电路图；
图26为图1所示的基于FPGA的喷涂机运动控制系统的运动控制器的外围电路中LCD显示电路的显示程序流程图。
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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供了一种基于FPGA的喷涂机运动控制系统，该系统用于对五轴自动喷涂机进行控制，能够实现速度控制以及轨迹插补。其中，五轴自动喷涂机包括控制夹具、喷枪、三个直线轴步进电机以及两个旋转轴步进电机，三个直线轴步进电机分别驱动喷枪沿三维方向进行直线运动，两个旋转轴步进电机分别驱动控制夹具和喷枪旋转。基于FPGA的喷涂机运动控制系统包括主处理器、运动控制器，还可包括外围电路，运动控制器接收主处理器发送的运动信息并根据运动信息对五轴自动喷涂机进行控制。运动控制器包括输入信息分析模块、速度控制模块以及插补模块，还可包括总线模块，而外围电路包括人机交互模块、电源模块、下载电路、电机驱动电路、时钟和复位电路、总线接口电路、输入输出隔离电路以及LCD显示电路。在本实施例中，主处理器采用ARM芯片STM32F407ZGT6，运动控制器采用EP2C35F484C8N芯片，且主处理器与运动控制器通过总线模块实现连接。
输入信息分析模块用于对运动信息进行译码，并获取喷枪的在三维方向上直线运动的初始速度、给定进给速度、定值加速度以及进给距离，还获取所述喷枪在三维方向上的初始坐标值、终点坐标值和位移量，以及控制夹具和喷枪的旋转方向和旋转频率。在本实施例中，输入信息分析模块实现各寄存器地址的分配，接收数据并进行译码，以及根据输入确定需要执行的插补模式。
请参阅图2，在输入信息分析模块的输入端口中，clk作为输入系统时钟，rstn是复位信号，低电平时控制器复位，模块开始初始化。Busy忙信号高电平时选中；data[7:0]表示传输的八位数据信号。addr[6:0]为输入，表示6位地址加一位读/写命令；写信号wr在高电平时向各寄存器地址内写入指令和数据。读信号rd在低电平时读出对应地址中的数据。输出端口中start高电平时控制插补模块启动。DDA_chose作为插补模式选择信号，其值为0时表示进行直线插补，为1则表示进行圆弧插补。插补有象限之分，quadrant_value信号就表示象限的选择；two_zhou_chose表示选择哪两轴进行平面圆弧插补的信号，当输入为0时表示XY平面，输入1表示XZ平面，值为2则表示YZ平面。direction信号表示顺圆或逆圆插补的选择信号，值为0时执行逆圆插补，值为1就执行顺圆插补。A、V0、VMAX是速度控制模块的输入量，分别代表加速度、初始速度和最大速度。X_reg、Y_reg、Z_reg代表直线插补时三个坐标轴的结束位置，Xs_reg、Ys_reg、Zs_reg表示圆弧插补期间三轴的初始坐标值，Xe_reg、Ye_reg、Ze_reg则分别代表三轴的终点坐标值。W_start和V_start分别控制W和V两个旋转轴进行运动，W_fre和V_fre为输入的频率数据，W_dir以及V_dir表示两轴的方向数据。
速度控制模块用于依次通过驱动三个直线轴步进电机使所述喷枪在三维方向上进行插补运动时速度呈梯形加减速变化，使它能在从启动到最大进给速度的过程中平稳过渡。其中，速度控制模块根据初始速度、给定进给速度、定值加速度以及进给距离，计算出喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中各个轴向的行进距离和行进时间，并将对应的行进信息传递至对应的各个直线轴步进电机，三个直线轴步进电机根据对应的行进信息驱使喷枪运动至目标位置。
梯形加减速的示意图如图3所示，V0是给定的起始速度，Ve为结束速度，Vmax是给定进给速度，A为定值加速度，速度的改变可分为加速、匀速和减速部分。在加速的部分，当前速度V以一定的加速度线性增长，当V达到最大行进速度Vmax时，不再继续加速而是变为匀速进给，当前的V就是所需加工速度，最后进入减速部分，V从最大速度一直减速到初始速度V0时停止，减速部分的加速度同加速时的A相同，因为步进电机正转和反转的驱动性能一致。假设以加速度a加速的时间是T1、匀速部分持续时间是T2、以a减速的时间是T3，那么根据速度位移公式可得喷枪的行进速度的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000081
当t＝t1时，V取得最大速度即V＝Vmax＝V0+at1；t＝t2时V开始减小；t＝t3时，V＝Ve＝Vmax-at3，则行进距离的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000082
式中，L1为喷枪在加速阶段的行进距离，L2为喷枪在加速阶段和匀速阶段的行进距离。
当t＝t1时，
Figure GDA0002411149180000088
当t＝t2时，L2＝L1+Vmax(t2-t1)；当t＝t3时，
Figure GDA0002411149180000089
把T1＝t1,T2＝t2-t1,T3＝t3-t2代入后可得进给距离的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000083
式中，L为进给距离；T1、T2和T3分别为喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中的行进时间。因为减速结束时的速度Ve同初始速度V0相同，又因加速和减速时运动的所需时间也相同，可得出T1＝T3，通过计算可得到加减速使行进的距离。这样，行进时间的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000084
Figure GDA0002411149180000085
进一步地，行进距离的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000086
Figure GDA0002411149180000087
式中，L1为喷枪在加速阶段的行进距离，L2为喷枪在加速阶段和匀速阶段的行进距离，L3为喷枪在减速阶段的行进距离。
请参阅图4，在本实施例中，速度控制模块包括分频器一、积分器、速度累加器一、比较器一、除法器、分频器二、计数器以及比较器二。分频器一用于将产生的系统时钟CLK的频率进行分频，并产生采样脉冲(周期为T，本实施例中输入系统时钟为50MHz,分频系数取为1000，所以时钟分频之后的频率为5×104Hz)。积分器将采样脉冲与给定进给速度相乘，获取速度增加量(其表达式为：AT，A为给定进给速度)。速度累加器一用于将初始速度与速度增加量进行累加，获取喷枪的实时速度(其表达式为：V＝V0+AT，V0为初始速度)。比较器一将实时速度与给定进给速度(Vmax)进行比较，若V＜Vmax，那么可知输出脉冲的频率f等于V。在实时速度小于给定进给速度时，除法器根据输出脉冲的频率，计算出时钟频率(计算公式为：N＝clk/f)。分频器二用于对时钟频率N进行分频，并生成驱使直线轴步进电机进行加速的输出脉冲acc_pluse。计数器用于对输出脉冲acc_pluse进行计数，并生成计数值Pulse_cnt。比较器二用于将计数值Pulse_cnt的两倍与预设的总脉冲数Pulse_total进行比较，在总脉冲数Pulse_total不大于计数值Pulse_cnt的两倍时，通过直线轴步进电机对喷枪进行减速。其中，速度变化各阶段的状态机如图5所示。
系统刚启动时位于初始状态，当设定好的最大行进速度值Vmax＞V0时就进入加速阶段，否则保持原状。在加速过程中，当累加器中的速度V＝V0+AT不断累加，直到达到最大速度Vmax，并且给定定长脉冲数Pulse_total大于两倍的输出脉冲计数Pulse_cnt，则进入匀速状态；如果给定脉冲总数在加速阶段小于等于计数器中计数值的两倍，就进入减速阶段；利用JS作为减速信号，当输入JS时，系统就会直接开始减速；否则保持加速。匀速状态时系统一直以最大行进速度Vmax向后续的插补模块输出脉冲，剩余脉冲数redim_Pulse_cnt为总的脉冲数减去加速状态下输出的脉冲数，直到剩余脉冲数小于等于输出脉冲个数时，系统进入减速阶段，信号JS同样可使状态机变为减速状态。减速状态时当前速度V＝V0-AT，当V一直减小到V＜＝V0，就回到开始时候的状态，完成了一个加减速循环，否则仍然执行减速。
请参阅图6，插补模块包括直线插补单元、圆弧插补单元以及轴控制单元。在三维方向中，每维方向与一个寄存器及一个插补累加器对应。直线插补单元用于将喷枪在每维方向上的位移量存放对应的寄存器中，并每隔一个预设时间间隔对位移量在对应的插补累加器中进行累加计算，且对应的插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应的直线轴步进电机进行直线插补的一个脉冲当量。在每个二维平面中，圆弧插补单元用于将两轴的初值分别存放在与另一轴对应的寄存器中，并在分别对应两轴的两个插补累加器中进行累加，且每个插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应另一轴的直线轴步进电机进行圆弧插补的一个脉冲当量。轴控制单元用于根据旋转方向和旋转频率，通过驱动对应的旋转轴步进电机使对应的控制夹具或喷枪旋转以达到指定位置。
在本实施例中，为方便介绍插补模块的工作原理，以第一象限为例进行介绍，其他象限的情况可参考第一象限。如图7所示，定义喷枪的起点位置为原点O，经过进给距离后的终点位置的坐标为P(xe,ye,ze)。
若以速度V沿OP移动，则V可以分解为动点在X、Y以及Z轴方向的三个速度Vx、Vy、Vz。Δt时间内，其X、Y、Z三轴方向上的位移增量分别为
Figure GDA0002411149180000091
设直线OP的长度是l，则可以得出：
Figure GDA0002411149180000101
则坐标轴的位移增量可表示为
Figure GDA0002411149180000102
取Δt为一单位时间间隔，即Δt＝1，喷枪在三维方向上的位移量的表达式为：
Figure GDA0002411149180000103
式中，k为常数，n为对应的插补累加器的累加次数，且kn＝1。加工直线OP时，先将终点坐标xe、ye、ze，减小为kxe、kye和kze，那么要获得与直线匹配的坐标值就要进行n次累加。对于k的取值，要使增量Δx、Δy、Δz小于1，让每个轴上没有大于1的进给脉冲数，即：
Figure GDA0002411149180000104
假若存放xe、ye、ze的寄存器是m位的，即此寄存器的最大容量是2m-1，那么可以得出
Figure GDA0002411149180000105
再根据kn＝1能求得累加次数值n＞(2m-1)，一般取n＝2m，据此可得
Figure GDA0002411149180000106
请参阅图8，计算都采用二进制进行，要实现某数乘以
Figure GDA0002411149180000107
只要保持数字不变让它左移小数点m位即可。所以在进行DDA直线插补时，可以把xe、ye、ze存放在各自的寄存器里，然后每隔一个时间间隔Δt分别对它们进行累加计算，每次累加器有溢出，就会驱动对应轴上的电机行进一脉冲当量。如果对
Figure GDA0002411149180000108
累加2m次，加的总次数也就是脉冲溢出的个数，三个轴的运动便也到达了终点。
在本实施例中，直线插补单元的输入包括时钟clk，复位信号rstn，quadrant_value为象限值，当其值为0时表示执行第一象限插补，值为1执行第二象限插补，依次类推，值为7时执行第八象限插补。X_reg、Y_reg、Z_reg分别存放X、Y、Z三轴的初值，当有start信号到来时，三轴的累加寄存器X_acc_reg、Y_acc_reg、Z_acc_reg开始累加，当计数器pulse_cnt计满时，溢出脉冲X_pulse、Y_pulse、Z_pulse驱动各轴的电机运动，而X_pulse_dir、Y_pulse_dir、Z_pulse_dir是方向脉冲输出，按插补象限的不同控制电机进行正转或反转。Busy为忙信号，其值若等于1就代表此时直线插补正在执行，值为0则代表插补结束。
各象限插补所对应的三轴方向脉冲输出如表1所示，输出为正代表电机正转，输出为负表示电机反转。
表1不同象限插补各轴的进给方向表
Figure GDA0002411149180000111
在X轴和Y轴所形成的二维平面中，圆弧插补轨迹如图9所示，第一象限中顺圆上的一点Q(x,y)速度为V，它在X轴方向上的分速度Vx、Y轴方向上的分速度Vy有下式：
Figure GDA0002411149180000112
而
Figure GDA0002411149180000113
且A点速度和位移量之间存在：
Figure GDA0002411149180000114
则由上式可得：
Figure GDA0002411149180000115
对应于时间增量Δt，x、y坐标上的位移增量可分别表示为：
Figure GDA0002411149180000116
累加器容量与直线插补的相同，均为2m，
Figure GDA0002411149180000117
m为它的位数，取Δt＝1，那么圆弧插补单元驱动直线轴步进电机进行圆弧插补的位移量的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000118
式中，m为寄存器的位数，n为插补累加器的累加次数，Δt为圆弧插补单元进行累加的时间增量，(xi,yi)为喷枪在X轴和Y轴所形成的二维平面中的实时位置坐标。
同样，在X轴和Z轴所形成的二维平面中，圆弧插补单元驱动直线轴步进电机进行圆弧插补的位移量的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000119
式中，(xi,zi)为喷枪在X轴和Z轴所形成的二维平面中的实时位置坐标。
同样，在Y轴和Z轴所形成的二维平面中，圆弧插补单元驱动直线轴步进电机进行圆弧插补的位移量的计算公式为：
Figure GDA0002411149180000121
式中，(yi,zi)为喷枪在Y轴和Z轴所形成的二维平面中的实时位置坐标。
请参阅图10，在本实施例中，X轴的初值X0和Y轴初值Y0分别放置于Y轴、X轴的寄存器内，每发出一个控制脉冲，则将这两个初值分别向X、Y的累加器里累加，X轴寄存器溢出的脉冲用来控制Y轴负方向的电机运动，而Y轴寄存器溢出的脉冲来控制X轴正方向的电机运动。同时须校正寄存器内的数值，Y方向溢出一个脉冲时，X轴寄存器的值需要减小1；当X方向溢出一个脉冲时，Y轴寄存器的值需要增加1。不断校正坐标值，使存储的初值在位置更新时同样进行更新，直到插补结束。而若是执行YZ、XZ两个平面的圆弧插补，实现原理也都一致，只除了各坐标轴的进给方向和寄存器内容的校正不同。
在圆弧插补中，若终点判断出现问题，此模块就不能正常的进行工作，严重的话还会对执行插补的喷涂机器造成伤害。圆弧插补的终点判断同直线插补的判别方法不一样，要看X、Y两轴所行进的步数之和是否同到达终点要走的总步数一致。本文采用X_total和Y_total两个计数器，分别存放两轴结束点与初始点的距离，如果步数达到最大步数|Xe-Xs|+|Ye-Ys|，则结束此插补。并且在圆弧插补中同样采用半加载法来减小误差、提高插补精度。插补过程中还需要根据圆弧所在的象限和圆弧的方向来确定被积函数和进给方向的校正。以XY平面为例，各象限的插补修正参数如表2所示。
表2插补修正参数表
Figure GDA0002411149180000122
人机交互模块包括按键电路、按键判断单元以及显示电路。按键电路包括呈矩阵排布的多个按键开关，每行按键开关的同一端均相连以形成一个行输出端，每列的按键开关的同另一端均相连以形成一个列输出端。按键判断单元根据各个行输出端和列输出端的信号变化状态，确定各个按键开关的通断状态，并将对应的信息传输至主处理器以及显示电路。显示电路用于显示通断状态。主处理器根据通断状态，生成运动信息。
喷涂机的运动控制系统处于振动的环境，可能会导致电源的输出电压不稳定，而可靠的供电是整个控制系统能稳定工作的前提，另外体积小的电源模块有利于电路布线和节省电路板的开发成本，所以电源模块的设计在系统硬件中起着重要作用。硬件电路所需的电压：运动控制器的输入为24V，ARM同FPGA的外围电路电压是5V，I/O端口工作电压采用3.3V，而FPGA的内核工作电压需采用更低的1.2V。所以在电源模块中画出了三个电压转换电路：24V转5V，5V转3.3V，3.3V转1.2V，分别输出系统需要的高精度5V、3.3V、1.2V电压。
请参阅图11，该图为24V转5V的电路图，利用芯片LM2576S实现电压转换，支持USB供电输入。LM2576S是一种输出降压的开关型电源电路，它的性能强大，效率较高，可靠性好。利用二极管实现过流保护功能，防止电压反转。添加电感电容进行滤波和去耦，滤除干扰，防止电压的波动影响系统工作。
请参阅图和图12以及图13，5V电压转为3.3V电压，以及3.3V电压至1.2V的电路中，都使用稳压芯片AMS1117-3.3作为一个低功耗正向稳压器，它具有较高的输出电流，可以实现温度保护。为提高系统的电源质量，消除噪声对系统的影响，在输出端加入了两个电容，以此降低电源扰动和高频噪声对整个电路的影响。输出电压为1.2V的电源电路中，其最大输出电流为800mA。
时钟和复位电路中时钟电路如图14所示，晶振的主要作用是供给基准频率，本实施例利用8MHz的晶振生成主处理器的工作时钟，以32.768KHz的高频率晶振产生能够计时的实时时钟。系统需要有一个稳定的复位电路才能正常工作，电路设计如图15所示，将STM32上的复位引脚经10K电阻上接到3.3V电源，当复位按键被按下，系统将响应复位信号实现复位。
下载电路的接口连线如图16所示，JTAG是标准测试协议，通过使用仿真器连接JTAG接口，就能访问芯片内的总线以及IO端口等，实现连接调试。标准的JTAG配置接口包括：数据输入TDI，数据输出TDO，状态机模式控制管脚TMS，时钟TCK，系统复位信号nTRST，低电平有效。TCK要下拉连接地，TMS、TDI、TDO按照IEEE 1149.1标准通过10K电阻上拉，能保证驱动能力较好的数据沿。
STM32与FPGA之间的通信采用SPI总线进行，SPI全称为串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线，因此总线接口电路如图17所示。W25Q128是华邦公司推出的大容SPIFLASH产品，容量为128Mb，它比普通的串行存储器更灵活，性能更优越，可以立即提供数据给RAM。SPI包含四条总线，其中SCK为主机STM32生成的时钟信号，NSS信号表示从机FPGA的片选，MOSI为STM32输出的数据，MISO是由FPGA返回的数据。当片选信号输出为低电平时，MOSI与MISO的信号有效，并且在每时钟周期发送一位数据。WP信号是写保护输入，当其值为零时开启写保护，无法向芯片内写数据。当STM32和FPGA需要进行数据交互时，需先用两者的串行寄存器进行暂时的数据存储，再通过它们各自的数据输入信号发送。
EP2C35F484C8N芯片的时钟电路如图18所示，电路中添加的33Ω电阻可以优化晶振输出，104电容主要是用来去耦。还要考虑电源扰动带来的负面效果，所以添加磁珠来减弱这种影响。而配置电路如图所示，EP2C35系列芯片支持JTAG配置和AS主动配置方式，采用JTAG配置可以利用JTAG接口辅以Quartus II软件进行下载。AS配置电路须与EPCS配置芯片相配合，信号总共包括片选控制nCS、数据输出DATA、主动控制输入ASDI、输入时钟DCLK以及nCE、CONFIG-DONE、nCONFIG七种。CONFIG-DONE与nCONFIG信号通过10K电阻连接到3.3V的电源，nCE通过10K的电阻接地，以确保配置引脚无论处于JTAG配置还是正常使用状态，电平都输出正确。
运动控制器中经过插补和旋转控制模块输出各轴的位移、方向脉冲，把所有脉冲信号都经过转换芯片转为差分信号后，输出给电机驱动器，进而控制步进电机按照指令运转。差分的功能是根据电压差值决定信号值，可以有效抑制电磁等外部干扰。与传统的I/O接口相比，差分信号传输具有速度快、功耗和价格低等优点。因此在运动控制系统中脉冲信号、方向信号等都采用差分信号，以此提高系统的抗干扰能力。
请参阅图19，电机驱动电路利用AM26LS31差分信号转换芯片实现差分信号的输出，分别将X、Y、Z、W、V五轴的方向信号和位移信号变为差分输出模式，再经输出端的接线端子连接到电机驱动器，控制电机运动。
请参阅图20和图21，从控制器到喷涂装置的系统传送过程中，存在着诸如限位开关、传感器、指示灯、启动/停止信号等，这些开关信号需要通过电平转换及相应隔离后，才能由FPGA输入或输出。设计在输出端和输入端利用光耦合器对信号进行隔离，光耦合器具有很好的共模抑制能力，信号单向传输，能保证信号的可靠性。本实施例的输入输出隔离电路采用光电耦合隔离器PS2801-1来进行隔离，能防止外部干扰。输入隔离电路如20所示，数字输入总共8路，光耦副边均上拉3.3V电源，同时为了避免不稳定信号对系统产生影响，在电路两侧添加了电容，此电路还能有效隔离控制器受喷涂装置强电流的干扰。内部低速数字输出总共4路。为能控制电磁阀等感性负载，驱动电流的要求就比较大，所以在PS2801-1后连接MMBT1616A贴片三极管来放大电流，避免电流突然中断时对系统造成损失的情况。
输入输出的接口电路如图22所示，在输入端可以通过接线端子连接到外围设备，用来控制各轴的启动、停止、复位和限位开关等数据量，输出端可以连接到扩展外设，如连接驱动器、水泵和电磁阀等。
请参阅图23以及图24，本实施例可以采用矩阵键盘实现，此方式能够减少占用的端口，电路包括四条行线和七条列线，这样键盘中按键的个数是4×7个。按下按键时，连接到此按键的两条行、列线连通，此时电平改变，经MCU检测后就能确定按下的按键位置。按键定义的功能包括‘0’到‘9’十个数字键，负号以及小数点的输入键，上、下、左、右的选择键，对于输入信息的确认、删除键，控制系统运行的启动、暂停键等。
本系统按键由4行7列共28个薄膜按键组成。通过编码和扫描每个按键，判定按下了哪个按键。在ARM的中断中执行循环扫描方法的键盘输入，每隔一毫秒就对键盘扫描检测一次。键盘输入后系统会得到通知，因为当系统检测到键盘输入有效时，它就会把扫描码访问信息发送到其他后续环节。去抖动是用来防止按键松开时产生反弹。
LCD显示电路如图25所示，本实施例采用了深圳景润达生产的19264点阵液晶模块，尺寸为100×60mm。19264是指液晶模组的分辨率，也就是有192*64个点阵，液晶显示包括192行、64列。它利用动态驱动原理进行行列控制，工作电压为5V，与CPU接口采用7条位控制总线和8位并行数据总线输入输出。
用户能通过键盘设置系统的相应参数，同时可通过显示界面观察系统实时的动态。显示编程包括LCD初始化、写入数据、写入命令、显示字符等设计。为保证液晶正常显示，要对影响它工作的参数如复位液晶、显示对比度等进行初始化。将数据或命令写入LCD模块时，要确定驱动程序时序正确。显示流程图如图26所示，显示屏不停的显示X、Y、Z坐标或者其他内容时，会反复的执行写命令到写数据部分。
由STM32作为主机，FPGA作为从机，总线模块利用SPI总线实现两者之间的通信。SPI能够不冲突地一边进行发送一边进行传输，其时钟的频率能根据应用环境的不同自行定义，对于写数据冲突以及总线竞争有保护功能。SPI工作原理为，主机将一个字节写入其SPI串行移位寄存器来启动传输，寄存器经MOSI信号向从机发送字节，从机经MISO信号再将其寄存器的内容发送回给主机，完成两者之间的内容交换。读写操作总是同时完成，若只需执行写数据，主机就不需要接收传送回的内容，而若是主机想要自从机读到数据，需向它传输一个空字节来触发。
SPI传输协议有4种控制方式，由时钟极性CPOL与时钟相位CPHA决定。时钟极性是指SPI通信设备空闲时的SCK信号线的电平值，CPOL＝0，此时SCK是低电平，CPOL＝1时则相反。时钟相位决定数据何时进行采样，CPHA＝1时在SCK时钟的偶数沿对数据信号采样，CPHA＝0则在时钟奇数沿采样。此文中将CPOL配置为0，CPHA配置为1，即时钟上升沿采样。
STM32的主模式配置步骤如下：
初始化SPI2，设置SPI2为CPOL＝0、CPHA＝1的工作模式，对有复用功能的管脚进行配置。数据格式设置为八位，高位在前。在库函数中通过调用函数voidSPI_Init()实现：voidSPI_Init(SPI_TypeDef*SPIx,SPI_InitTypeDef*SPi_InitStruct)。
设置SPI2时钟频率并使能时钟，调用SPI_Cmd函数实现，voidSPI_Cmd()：SPI_Cmd(SPI2,ENABLE)//使能SPI外设。
SPI发送数据调用：voidSPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef*SPIx,unit16_tData)，即向寄存器内写数据；接收数据调用unit16_tSPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef*SPIx)，即从SPI数据寄存器读出接收到的数据。
查看SPI传输状态。在SPI传输过程中，有必要判断数据是否被传输，以及传输区域是否为空：SPI_I2s_GetFlagStatus(SPI2,SPI_I2S_FLAG_RXNE)。
FPGA作为从机程序的设计步骤为：
接收来自STM32的片选、时钟和数据输入信号，利用边沿检测得出数据进行采样或发送的时钟上升及下降沿。对于不在同一时钟域的异步信号，MCU与FPGA两端的信号需要同步，可以利用两个D触发器实现。
SPI通信协议的设计。判断SPI_csn是否有效，当时钟上升沿到来时对数据进行采样，下降沿时刻发送数据。定义通信时的开始和停止信号，有效数据输入格式为：cmd命令信号+addr地址信号，data数据信号。数据同样定义为八位，都是高位在前。当cmd为1时数据将写入地址，为0时读出。
SPI_csn信号上升沿表示数据写完，SPI_clk的上升沿表示输出数据。经边沿检测获得数据采样完成信号并输出。
在FPGA中用Verilog语言实现的SPI总线传输模块，FPGA作为从机接收STM32经spi_mosi信号传送过来的八位数据datai，并把它们分别写入对应的寄存器地址内，当读信号rd到来时，则读出数据并输出。SPI总线模块的功能，当分别向00、01、02、03、04、05、08、09、0a地址内写入数据00、20、4e、01、00、61、ea、03、04时，输出datao的数据显示正确，能正常读出各地址内存入的数据。
综上所述，本实施例的基于FPGA的喷涂机运动控制系统具有以下优点：
1、该基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其运动控制器的速度控制模块能够根据初始速度、给定进给速度、定值加速度以及进给距离，通过进给距离的计算公式计算出喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中各个轴向的行进距离和行进时间，从而将对应的行进信息传递至各个直线轴步进电机，这样直线轴步进电机就能够根据相应的行进信息驱使喷枪运动至目标位置，而且利用梯形加减速对喷枪的速度进行控制，不论加速还是减速时，当前速度都根据一个给定的加速度进行变化，控制过程简单，资源消耗较少，而且响应迅速，处理速度快，同时效率和实时性均比较高。
2、该基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其运动控制器的插补模块能够根据输入信息选择直线插补单元或圆弧插补单元进行工作，选择相应的插补模式，进而在插补后分别输出各轴的方向和位移脉冲至各自电机中进行驱动，从而通过电机转动完成直线或圆弧插补。另外，插补模块的轴控制单元能够根据接收的方向和频率信息，驱使对应的旋转轴步进电机控制对应的夹具或者喷枪进行旋转，并使其保持和喷涂平面垂直。在插补模块进行插补的过程中，通过将初始数据存放在寄存器中，然后不断地向其里面进行微分累加，直至有脉冲溢出，而此时的脉冲作为驱动电机转动的脉冲，运行快速，而且脉冲分布均匀，可以完成多轴联动的机器插补，处理精度高，而且能够保证实时性。
3、该基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其主处理器可采用ARM芯片，而运动控制器采用FPGA芯片，这样采用FPGA+ARM的方案能够满足成本低廉、精度高以及能安全可靠完成喷涂任务的要求，而且ARM具有较强的实时性，控制和管理性能好，同样在FPGA内部实现运动控制算法，能同时控制五个电机轴运动，提高了运动控制的精度和速度，并具有可扩展性。
实施例2
本实施例提供了一种基于FPGA的喷涂机运动控制方法，该方法应用于实施例1中的基于FPGA的喷涂机运动控制系统中，其包括以下步骤：
对运动信息进行译码，并获取喷枪的在三维方向上直线运动的初始速度、给定进给速度、定值加速度以及进给距离，还获取所述喷枪在三维方向上的初始坐标值、终点坐标值和位移量，以及控制夹具和喷枪的旋转方向和旋转频率；其中，本步骤可采用实施例1的输入信息分析模块实现；
根据初始速度、给定进给速度、定值加速度以及进给距离，计算出喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中各个轴向的行进距离和行进时间，并将对应的行进信息传递至对应的各个直线轴步进电机，使三个直线轴步进电机根据对应的行进信息驱使喷枪运动至目标位置；其中，本步骤可采用实施例1的速度控制模块实现；
驱使直线轴步进电机及旋转轴步进电机进行插补：(1)将喷枪在每维方向上的位移量存放对应的寄存器中，并每隔一个预设时间间隔对位移量在对应的插补累加器中进行累加计算，且对应的插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应的直线轴步进电机进行直线插补的一个脉冲当量；(2)在每个二维平面中，将两轴的初值分别存放在与另一轴对应的寄存器中，并在分别对应两轴的两个插补累加器中进行累加，且每个插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应另一轴的直线轴步进电机进行圆弧插补的一个脉冲当量；(3)根据旋转方向和旋转频率，通过驱动对应的旋转轴步进电机使对应的控制夹具或喷枪旋转以达到指定位置。其中，本步骤可采用实施例1的插补模块实现。
实施例3
本实施例提供了一种基于FPGA的喷涂系统，该系统包括五轴自动喷涂机以及运动控制系统。其中，运动控制系统用于控制五轴自动喷涂机，而五轴自动喷涂机包括控制夹具、喷枪、三个直线轴步进电机以及两个旋转轴步进电机，三个直线轴步进电机分别驱动喷枪沿三维方向进行直线运动，两个旋转轴步进电机分别驱动控制夹具和喷枪旋转。该运动控制系统采用实施例1中的基于FPGA的喷涂机运动控制系统，本实施例的基于FPGA的喷涂系统的使用效果与实施例1中的运动控制系统的效果相同。
实施例4
本实施例提供一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。处理器执行程序时实现实施例2的基于FPGA的喷涂机运动控制方法的步骤。
实施例2的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成独立运行的程序，安装在计算机终端上，计算机终端可以是电脑、智能手机、控制系统以及其他物联网设备等。实施例2的方法也可以设计成嵌入式运行的程序，安装在计算机终端上，如安装在单片机上。
实施例5
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。程序被处理器执行时，实现实施例2的基于FPGA的喷涂机运动控制方法的步骤。
实施例2的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成计算机可读存储介质可独立运行的程序，计算机可读存储介质可以是U盘，设计成U盾，通过U盘设计成通过外在触发启动整个方法的程序。
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 (10)

1.一种基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其包括主处理器以及接收所述主处理器发送的运动信息并根据所述运动信息对五轴自动喷涂机进行控制的运动控制器；所述五轴自动喷涂机包括控制夹具、喷枪、分别驱动所述喷枪沿三维方向进行直线运动的三个直线轴步进电机，以及分别驱动所述控制夹具和所述喷枪旋转的两个旋转轴步进电机；其特征在于，所述运动控制器包括：
输入信息分析模块，其用于对所述运动信息进行译码，并获取所述喷枪的在三维方向上直线运动的初始速度、给定进给速度、定值加速度以及进给距离，还获取所述喷枪在三维方向上的初始坐标值、终点坐标值和位移量，以及所述控制夹具和所述喷枪的旋转方向和旋转频率；
速度控制模块，其用于依次通过驱动三个直线轴步进电机使所述喷枪在三维方向上进行插补运动时速度呈梯形加减速变化；其中，所述速度控制模块根据所述初始速度、所述给定进给速度、所述定值加速度以及所述进给距离，计算出所述喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中各个轴向的行进距离和行进时间，并将对应的行进信息传递至对应的各个直线轴步进电机，三个直线轴步进电机根据对应的行进信息驱使所述喷枪运动至目标位置；
插补模块，其包括直线插补单元、圆弧插补单元以及轴控制单元；在三维方向中，每维方向与一个寄存器及一个插补累加器对应；所述直线插补单元用于将所述喷枪在每维方向上的位移量存放对应的寄存器中，并每隔一个预设时间间隔对所述位移量在对应的插补累加器中进行累加计算，且对应的插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应的直线轴步进电机进行直线插补的一个脉冲当量；在每个二维平面中，所述圆弧插补单元用于将两轴的初值分别存放在与另一轴对应的寄存器中，并在分别对应所述两轴的两个插补累加器中进行累加，且每个插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应另一轴的直线轴步进电机进行圆弧插补的一个脉冲当量；所述轴控制单元用于根据所述旋转方向和所述旋转频率，通过驱动对应的旋转轴步进电机使对应的所述控制夹具或所述喷枪旋转以达到指定位置。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其特征在于，所述进给距离的计算公式为：
Figure FDA0002480237980000011
式中，L为所述进给距离；T1、T2和T3分别为所述喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中的行进时间，且所述行进时间的计算公式为：
Figure FDA0002480237980000012
Figure FDA0002480237980000013
其中，a为所述定值加速度，所述喷枪的初始速度为V0，所述给定进给速度为Vmax；
所述行进距离的计算公式为：
Figure FDA0002480237980000014
Figure FDA0002480237980000021
式中，L1为所述喷枪在加速阶段的行进距离，L2为所述喷枪在加速阶段和匀速阶段的行进距离，L3为所述喷枪在减速阶段的行进距离。
3.如权利要求1所述的基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其特征在于，所述喷枪的行进速度的计算公式为：
Figure FDA0002480237980000022
所述行进距离的计算公式为：
Figure FDA0002480237980000023
式中，L1为所述喷枪在加速阶段的行进距离，L2为所述喷枪在加速阶段和匀速阶段的行进距离；所述喷枪的初始速度为V0，所述给定进给速度为Vmax；在加速阶段，所述喷枪以加速度a线性增加其速度，直至所述行进速度达到目标速度；在减速阶段，所述喷枪以加速度-a线性降低其速度，直至所述行进速度与所述初始速度相同。
4.如权利要求1所述的基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其特征在于，定义所述喷枪的起点位置为原点O，经过所述进给距离后的终点位置的坐标为P(xe,ye,ze)；所述喷枪在三维方向上的位移量的表达式为：
Figure FDA0002480237980000024
式中，k为常数，n为对应的插补累加器的累加次数，且kn＝1。
5.如权利要求4所述的基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其特征在于，所述寄存器为m位寄存器，且最大容量为2m-1；所述插补累加器的累加次数n＝2m。
6.如权利要求1所述的基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其特征在于，在X轴和Y轴所形成的二维平面中，所述圆弧插补单元驱动直线轴步进电机进行圆弧插补的位移量的计算公式为：
Figure FDA0002480237980000025
式中，m为所述寄存器的位数，n为所述插补累加器的累加次数，Δt为所述圆弧插补单元进行累加的时间增量，(xi,yi)为所述喷枪在X轴和Y轴所形成的二维平面中的实时位置坐标；
在X轴和Z轴所形成的二维平面中，所述圆弧插补单元驱动直线轴步进电机进行圆弧插补的位移量的计算公式为：
Figure FDA0002480237980000031
式中，(xi,zi)为所述喷枪在X轴和Z轴所形成的二维平面中的实时位置坐标；
在Y轴和Z轴所形成的二维平面中，所述圆弧插补单元驱动直线轴步进电机进行圆弧插补的位移量的计算公式为：
Figure FDA0002480237980000032
式中，(yi,zi)为所述喷枪在Y轴和Z轴所形成的二维平面中的实时位置坐标。
7.如权利要求1所述的基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其特征在于，所述喷涂机运动控制系统还包括人机交互模块；所述人机交互模块包括按键电路、按键判断单元以及显示电路；所述按键电路包括呈矩阵排布的多个按键开关，每行按键开关的同一端均相连以形成一个行输出端，每列的按键开关的同另一端均相连以形成一个列输出端；所述按键判断单元根据各个行输出端和列输出端的信号变化状态，确定各个按键开关的通断状态，并将对应的信息传输至所述主处理器以及所述显示电路；所述显示电路用于显示所述通断状态；所述主处理器根据所述通断状态，生成所述运动信息。
8.如权利要求1所述的基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其特征在于，所述速度控制模块包括分频器一、积分器、速度累加器一、比较器一、除法器、分频器二、计数器以及比较器二；所述喷涂机运动控制系统还包括用于产生系统时钟CLK的时钟电路，所述分频器一用于将所述系统时钟CLK的频率进行分频，并产生采样脉冲；所述积分器将所述采样脉冲与所述给定进给速度相乘，获取速度增加量；所述速度累加器一用于将所述初始速度与所述速度增加量进行累加，获取所述喷枪的实时速度；所述比较器一将所述实时速度与所述给定进给速度进行比较；在所述实时速度小于所述给定进给速度时，所述除法器根据输出脉冲的频率，计算出时钟频率；所述分频器二用于对所述时钟频率进行分频，并生成驱使所述直线轴步进电机进行加速的输出脉冲；所述计数器用于对所述输出脉冲进行计数，并生成计数值；所述比较器二用于将所述计数值的两倍与预设的总脉冲数进行比较，在所述总脉冲数不大于所述计数值的两倍时，通过所述直线轴步进电机对所述喷枪进行减速。
9.如权利要求1所述的基于FPGA的喷涂机运动控制系统，其特征在于，所述主处理器采用ARM芯片STM32F407ZGT6，所述运动控制器采用EP2C35F484C8N芯片，且所述主处理器与所述运动控制器通过总线模块实现连接。
10.一种基于FPGA的喷涂机运动控制方法，其应用于如权利要求1-9中任意一项所述的基于FPGA的喷涂机运动控制系统中，其特征在于，其包括以下步骤：
对所述运动信息进行译码，并获取所述喷枪的在三维方向上直线运动的初始速度、给定进给速度、定值加速度以及进给距离，还获取所述喷枪在三维方向上的初始坐标值、终点坐标值和位移量，以及所述控制夹具和所述喷枪的旋转方向和旋转频率；
根据所述初始速度、所述给定进给速度、所述定值加速度以及所述进给距离，计算出所述喷枪在加速阶段、匀速阶段以及减速阶段中各个轴向的行进距离和行进时间，并将对应的行进信息传递至对应的各个直线轴步进电机，使三个直线轴步进电机根据对应的行进信息驱使所述喷枪运动至目标位置；
驱使所述直线轴步进电机及所述旋转轴步进电机进行插补：(1)将所述喷枪在每维方向上的位移量存放对应的寄存器中，并每隔一个预设时间间隔对所述位移量在对应的插补累加器中进行累加计算，且对应的插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应的直线轴步进电机进行直线插补的一个脉冲当量；(2)在每个二维平面中，将两轴的初值分别存放在与另一轴对应的寄存器中，并在分别对应所述两轴的两个插补累加器中进行累加，且每个插补累加器中每次累加产生的溢出脉冲作为驱动对应另一轴的直线轴步进电机进行圆弧插补的一个脉冲当量；(3)根据所述旋转方向和所述旋转频率，通过驱动对应的旋转轴步进电机使对应的所述控制夹具或所述喷枪旋转以达到指定位置。
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