基于FPGA的數字積分法插補控制器設計與實現

摘要：為了提高伺服電機的步進精度，簡化控制器結構，采用FPGA器件并運用Verilog HDL語言設計出的插補控制器，不僅采用數字積分法實現直線插補控制和圓弧插補控制，提高了插補速度和插補精度，而且運用多軸聯動技術，實現輸出脈沖的均勻分配。它可接收外部處理器指令，并發出所需的脈沖到伺服電機的驅動中，從而控制伺服電機的運轉，其結果證明了該控制器的正確性。這種結構的控制器簡化了一般數字控制器結構，具有良好的移植性能和一定的實用價值。
關鍵詞：運動控制；FPGA；插補控制器；數字積分法

0 引言
數控系統的核心技術是運動控制技術，隨著機電一體化的深入發展，運動控制技術已經成為推動機電一體化進程的重要環節，是推動新的產業革命的關鍵技術碼。
現代高速數控技術對運動控制器的速度和精度要求日益提高，與運用軟件實現的控制器相比較，基于FPGA設計的插補控制器具有控制方便、插補速度快、精度高、通用性好、可移植性的特點，并擁有可運用硬件描述語言實現軟硬結合等多種優點。為了提高伺服電機的精確度，本文設計了一個基于數字積分法并采用多軸聯動技術的插補控制器，該控制器可實現三軸的直線插補和兩軸的圓弧插補。

1 插補控制器的總體設計
該控制器的核心部分是DDA插補模塊，整個插補模塊可分成直線插補模塊和圓弧插補模塊兩部分。每個插補模塊內都由數據緩存器、插補積分器和位置計數器3個部分組成。下面分別介紹各個模塊的設計及仿真。

插補控制器具備三軸直線插補及兩軸圓弧插補的能力，2種插補均采用數字積分法實現。數字積分法(DDA)具有邏輯能力強、可實現多軸聯動控制，且輸出脈沖均勻的特點。如圖1所示，插補控制器接收到外部處理器的控制信號和數據，經過譯碼及配置寄存器模塊的譯碼和配置后，根據需要選擇進行直線插補或圓弧插補，輸出指脈沖和方向信號。脈沖用于通過伺服電機驅動控制伺服電機的轉動，方向信號則控制伺服電機的轉動方向。

2 基于FPGA的模塊設計
該插補控制器采用Altera公司的CycloneⅢ-EP3C16Q240C8，運用Verilog HDL完成程序設計，在QuartusⅡ平臺進行編譯、綜合及下載，運用Modeisim進行程序的仿真和調試，最終完成整個控制器的設計(如圖1所示)。
2．1 譯碼及配置寄存器模塊
譯碼及配置寄存器模塊主要負責譯碼和完成各寄存器間數據的分配，并且選擇需要進行的插補方式。以下為各個輸入端口的定義和工作方式：cs為片選信號。
低電平有效，外部處理器選中插補控制器，使其進入待命狀態；rest為復位信號。低電平有效，整個控制器處于復位狀態，控制器內部各個模塊做初始化操作；wr為寫信號，低電平有效，向插補控制器寫入需要完成插補的初始點坐標和終點坐標的數據；start為插補開始信號，高電平有效，插補控制器開始進行插補；A3～A0為4位地址信號，通過地址指針的形式，將處理器數據分配給插補模塊各軸的數據緩存器。其中，高位A3具有選擇插補方式的功能；A3位為“0”時，插補控制器做三軸直線插補；A3位為“1”時，做兩軸圓弧插補；data為16位數據總線端口。
2．2 DDA插補模塊
DDA插補模塊有直線插補和圓弧插補兩部分，兩種插補方式在一次插補過程中，只能有一種處于工作狀態。直線插補能夠實現3個軸的脈沖輸出，完成二維或三維的直線軌跡，而圓弧插補是實現兩軸的脈沖輸出，實現二維的圓弧軌跡。
2．2．1 直線插補模塊
當選中直線插補模塊時，該模塊進入工作狀態。直線插補模塊由數據緩存器、插補積分器和位置計數器3個部分組成。下面分別介紹各部分的設計及其功能。
(1)數據緩存器
數據緩存器共由6個16位寄存器構成，它們分別存儲x，y，z三個軸的初始點坐標值及終點坐標值。數據緩存模塊將直線插補的數據進行自動加載，以便于直線插補積分器調用模塊內的數據。進行緩存的目的是為了保持數據的流暢性，確保直線插補不因為數據的轉變而出現中斷的情況。這樣大大地提高直線插補的效率，同時減少因為時序問題所帶來的誤差。當積分器加載緩存器中的數據完畢以后，積分器接收到start信號，積分器開始進行數字積分直線插補。當數據緩存器接收到rest信號時，緩存器中所有數據全部做復位操作。