王振

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

新穎步進電機運動控制器

王振

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

針對市面常見控制器功能無法完全支撐及價格昂貴等問題，設(shè)計了一種新穎的低成本運動控制器．該控制器主要由32位微控制芯片和現(xiàn)場可編程門陣列芯片兩種芯片構(gòu)成．32位微控制芯片主要控制上層的數(shù)據(jù)生成，完成人機交互、G代碼解析和路徑分解，最終產(chǎn)生路徑起止點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和軌跡類型供下層處理．現(xiàn)場可編程門陣列芯片依據(jù)上層發(fā)送的數(shù)據(jù)進行底層路徑插補，并最終輸出控制步進電機運動的脈沖信號和方向信號．仿真及實驗驗證表明該控制器可以較好實現(xiàn)設(shè)定的路徑軌跡，且運行精度小于1個脈沖，滿足實際切割機的功能需求且成本較低．

運動控制器；32位微控制芯片；現(xiàn)場可編程門陣列芯片；G代碼解析；路徑插補

0 引言

步進電機作為精度控制單元在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其控制器主要分為基本控制型、經(jīng)濟型和高級控制型．基本控制型主要通過設(shè)定步進電機的步進角、細分數(shù)、滾珠絲桿的螺距和需要移動的距離實現(xiàn)對應(yīng)步移距離脈沖數(shù)的輸出，該型主要實現(xiàn)的是相對坐標(biāo)的位移控制，一般采用簡單的單片機類控制芯片實現(xiàn)［1］，具有簡單人機控制，特點是成本低，如簡單的數(shù)控盒．經(jīng)濟型，既具有基本控制型的功能，同時具有坐標(biāo)插補和軌跡規(guī)劃功能，考慮到經(jīng)濟性，其芯片往往由專用控制芯片MCX302和單片機或數(shù)字信號處理芯片（Digital Signal Process，以下簡稱：DSP）或32位微控制芯片（Acorn RISC Machine，以下簡稱：ARM）或現(xiàn)場可編程門陣列控制芯片（Field－Programmable Gate Array，以下簡稱：FPGA）構(gòu)成，少有人機交互控制，主要通過外設(shè)部件互聯(lián)（Peripheral Component Interconnect，以下簡稱：PCI）接口實現(xiàn)與工業(yè)計算機的互聯(lián)，特點是性價比高，離不開工業(yè)計算機［2－4］．如雷賽公司運動控制卡即屬于此類．而高級控制型在實現(xiàn)基本控制型和經(jīng)濟型的基礎(chǔ)上還可以實現(xiàn)速度規(guī)劃和復(fù)雜路徑軌跡規(guī)劃，其硬件構(gòu)成往往由DSP、FPGA、ARM等構(gòu)成，每個芯片完成不同的功能，通過ARM或DSP芯片進行協(xié)調(diào)，同經(jīng)濟型一樣基本不帶人機控制，主要通過計算機總線與工業(yè)計算機相連，特點是功能齊全［3］．如固高公司和美國Delta Tau公司的運動控制板卡均屬此類．

但相對于一些特別應(yīng)用如泡沫切割機、木材切割機都是需要使用人機界面輸入數(shù)控G代碼實現(xiàn)簡單圓弧和直線的插補運動，且對成本較敏感．對此則基本控制型因功能不足不能滿足要求，高級控制型因價格昂貴也無法在此應(yīng)用．而經(jīng)濟型很少有具備人機控制和G代碼解析的，所以市面上往往使用的是工業(yè)計算機和經(jīng)濟型控制板卡這種典型配置方式，成本仍然較高．

針對此，筆者提出利用ARM芯片和FPGA芯片搭配實現(xiàn)基于人機操控界面的具有圓弧和直線插補的步進電機控制．其一方面可以利用ARM芯片實現(xiàn)上層運動數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，另一方面使用FPGA實現(xiàn)底層運動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w軌跡控制脈沖的功能．

1 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器主要由兩個部分構(gòu)成，ARM和FPGA．其中ARM采用STM32F103芯片，主要實現(xiàn)人機操控、G代碼解析和路徑規(guī)劃以產(chǎn)生具體運行坐標(biāo)數(shù)據(jù)．FPGA采用EP2C8芯片，主要實現(xiàn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)接收、處理和插補計算最后產(chǎn)生軌跡運動脈沖和方向信號以實現(xiàn)對XY步進電機的控制．具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The system structure diagram

圖1中薄膜晶體管屏（Thin Film Transistor，以下簡稱：TFT）和觸摸電阻膜完成人機交互實現(xiàn)運動G代碼的指令輸入，STM32控制器實現(xiàn)G代碼的解析和坐標(biāo)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，坐標(biāo)插補單元完成依據(jù)運動起始點和終點坐標(biāo)實現(xiàn)中間軌跡的插補工作并轉(zhuǎn)化成控制步進電機運動的脈沖信號．

2 硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)在硬件上分為兩塊電路板：一塊是基于EP2C8的FPGA單元板，一塊是基于STM32F103的ARM單元板．兩塊單元板之間通過接插件互聯(lián)互通．

ARM單元板，主要由STM32F103芯片最小系統(tǒng)、TFT觸摸屏接口電路和FPGA單元板互聯(lián)接口電路三部分構(gòu)成．其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示．

圖2 ARM單元板原理結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 ARM unit board structure diagram

FPGA單元板，主要由EP2C8芯片最小系統(tǒng)、脈沖差分輸出單元和ARM單元板互聯(lián)接口電路三部分構(gòu)成．其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示．

圖3 FPGA單元板原理結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 FPGA unit board structure diagram

兩塊電路板實物圖如圖4、圖5所示，連接后的實物圖如圖6所示．

圖4 STM32單元板實物圖Fig.4 Real photos of the STM32 unit board

圖5 FPGA單元板實物圖Fig.5 Real photos of the FPGA unit board

圖6 整體實物圖Fig.6 Real photos of the system boards

3 ARM單元軟件設(shè)計

ARM單元的軟件設(shè)計主要由人機交互模塊和G代碼解析模塊構(gòu)成．人機交互模塊主要完成坐標(biāo)、速度參數(shù)輸入，比如輸入“X100”，表示X軸在當(dāng)前坐標(biāo)下移動100 mm．G代碼解析模塊主要完成坐標(biāo)解析和軌跡處理，具體的處理流程如圖7所示．其中關(guān)鍵的是進行路徑切分和分段．如圖8所示，由起點（Xs，Ys）經(jīng)過（X1，Y1）和（X2，Y2）點到達終點（Xe，Ye）．則需要處理為三段路徑，其起止點分別是：第一段路徑，直線段為（Xs，Ys）到（X1，Y1）；第二段路徑是半徑為R的圓弧路徑，起止點為（X1，Y1）到（X2，Y2）；第三段路徑為直線段為（X2，Y2）到（Xe，Ye）．最后，程序?qū)⑦@三段路徑的軌跡特征和起止點發(fā)送到FPGA單元中，再進行插補運算得到相應(yīng)的運動軌跡．

圖7 G代碼解析模塊處理流程Fig.7 G code parsing module process

圖8 路徑規(guī)劃分解示意圖Fig.8 Path planning decomposition diagram

4 FPGA軟核設(shè)計

FPGA單元板中重要的是在EP2C8芯片中進行軟核設(shè)計．其主要由三個部分構(gòu)成即數(shù)據(jù)接收緩沖模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊和XY軸插補計算模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示．圖9中數(shù)據(jù)接收緩沖模塊主要作用是接收來自ARM單元的XY坐標(biāo)數(shù)據(jù)和運動軌跡類型，并將該數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩存模塊，其時序如圖10所示．?dāng)?shù)據(jù)緩存模塊采用的是同步動態(tài)隨機存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，以下簡稱：SDRAM）和雙口隨機存取存儲器（Random-Access Memory，以下簡稱：RAM），其一方面可以用來存儲ARM單元傳送的數(shù)據(jù)；另一方面可以處理ARM單元系統(tǒng)時鐘與FPGA中插補模塊時鐘不同步的問題．XY軸插補計算模塊完成運動軌跡分辨，即根據(jù)軌跡類型分別執(zhí)行直線運動插補或圓弧運動插補，再依據(jù)運動起始點至終止點進行相應(yīng)的插補計算，其功能框圖如圖11所示．

圖9 軟核結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 IP core structure diagram

圖10 數(shù)據(jù)接收時序圖Fig.10 Data reception timing diagram

圖11 插補計算模塊功能框圖Fig.11 Interpolation function block diagram

5 仿真和實驗結(jié)果

利用Modelsim軟件模擬FPGA單元接收到ARM單元傳送來的運動數(shù)據(jù)進行插補計算，并輸出脈沖，如圖12所示．利用MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)整合，還原后的軌跡圖如圖13所示．由圖13可知，F(xiàn)PGA單元能有效接收數(shù)據(jù)，并進行插補運算得到運動軌跡，并且誤差在1個脈沖以內(nèi)．圖14是在激光光束照射點位置不變的情況下，控制XY工作臺移動，刻出的運動軌跡，可以看出實際運動軌跡與仿真軌跡相同，說明運行結(jié)果滿足設(shè)計要求．

圖12 Modelsim仿真插補脈沖輸出波形Fig.12 Modelsim simulation waveform

圖13 Matlab還原仿真軌跡圖Fig.13 Matlab simulation trajectory

圖14 XY工作臺運動軌跡圖Fig.14 The workbench trajectory

6 結(jié)語

通過ARM控制器和FPGA控制器的搭配可以實現(xiàn)具有人機交互和軌跡插補功能的步進電機運動控制器．該控制器具有成本低、人機交互、G代碼解析、控制運動精度高（32位數(shù)據(jù)處理）以及具有直線、圓弧插補功能．在泡沫切割和木材切割系統(tǒng)中配合XY軸電機和運動平臺即可實現(xiàn)簡單計算機數(shù)字控制機床（Computer numerical control，CNC）系統(tǒng)，而無需工業(yè)計算機，所以具有較高的工業(yè)使用價值．

致謝

華中科技大學(xué)激光加工國家工程研究中心為本實驗提供激光器和XY移動平臺，并為本設(shè)計的驗證提供了幫助，在此表示衷心的感謝！

［1］黃詩涌，王曉初，廖永進，等．一種高性能的步進電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．微計算機信息，2006，22（16）：38－39．

HUANG Shi－yong，WANG Xiao－chu，LIAO Yong－jin，et al．A high performance control system of stepping motor［J］．Microcomputer Information，2006，22（16）：38－39．（in Chinese）

［2］敬嵐，朱海君，張碩成，等．步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計及其應(yīng)用［J］．核技術(shù)，2005，28（6）：479－482．

JING Lan，ZHU Hai－jun，ZHANG Shuo－cheng，et al．Design and application of the control system of 5－phase stepping motor［J］．Nuclear Techniques，2005，28（6）：479－482．（in Chinese）

［3］張寶發(fā)，趙輝，岳有軍．基于DSP的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2010（8）：63－65.

ZHANG Bao－fa，ZHAO Hui，YUE You－jun．Designing of stepper motor control system based on DSP［J］．Instrument Technique and Sensor，2010（8）：63－65．（in Chinese）

［4］Wang Z．A novel dual－galvanometers control card［J］．Applied Mechanics and Materials，2013，331：299－302．

Novel stepper motor motion controller

WANG Zhen
School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Aimed at the reducing cost and improving function of common controller，a low cost stepper motor motion controller was presented．The controller consists of a 32－bit microcontrollers chip and a Field－programmable gate array chip．The former chip is mainly employed in controlling the upper data generation，such as the G code parsing and path decomposition．The latter chip is used to accept data from the upper and execute the path interpolation，realizing the pulse and direction signals output．The results of the simulation and experiment show that the controller can better realize the set path trajectory，and running accuracy is less than one pulse．So the function and cost requirements of the actual cutting machine can be fulfilled by this controller．

motion controller；32－bit microcontrollers；field－programmable gate array；G code parsing；path decomposition

TP391

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.02.013

1674-2869（2015）02-0059-05

本文編輯：苗變

2014－12－26

王振（1978－），男，湖北仙桃人，講師．研究方向：激光數(shù)字控制應(yīng)用技術(shù)．