基于PC和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)被廣泛地運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有基于PC的中央控制方式和基于微控制器的嵌入式控制方式等?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/PC">PC的運(yùn)動(dòng)控制方式，由于其采用多任務(wù)操作系統(tǒng)，對(duì)處理器的分時(shí)復(fù)用會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)行高速度和高控制頻率的系統(tǒng)時(shí)，實(shí)時(shí)性得不到保證。而基于微控制器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由于處理器資源有限，對(duì)功能復(fù)雜系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大難度，往往系統(tǒng)中的某個(gè)子功能模塊就占用了整塊芯片的資源。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與嵌入式技術(shù)的日益發(fā)展，出現(xiàn)了各種架構(gòu)互異的運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其目標(biāo)都在于對(duì)系統(tǒng)的高速度與高精度的不斷追求?；谶@兩種技術(shù)，本文提出了一種基于PC+FPGA的多功能主從式運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)控系統(tǒng)的分工。既滿(mǎn)足了系統(tǒng)的功能多樣性需求，又保證了高頻控制脈沖的生成以及系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，同時(shí)還降低了系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的難度[1-2]。

1 主從式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)控系統(tǒng)，主要由PC機(jī)、FPGA從控板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板三個(gè)部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)(PC)的主要功能是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制規(guī)劃和粗插補(bǔ)(曲線(xiàn)加工規(guī)劃)。FPGA從控板的主要功能是對(duì)加工進(jìn)行精插補(bǔ)，在此二次插補(bǔ)完成后通過(guò)速度補(bǔ)償模塊對(duì)插補(bǔ)的執(zhí)行速度進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步減小插補(bǔ)的偏差，產(chǎn)生直接用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直線(xiàn)/圓弧運(yùn)動(dòng)的脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路的作用是將脈沖控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)為了提高控制精度，可以使用其細(xì)分電路對(duì)電機(jī)的步進(jìn)進(jìn)行1、2、4、8次的細(xì)分。

主從模塊通過(guò)異步串行通信方式RS-232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。上位機(jī)將一條曲線(xiàn)分割成一組簡(jiǎn)單曲線(xiàn)(直線(xiàn)/圓弧)的執(zhí)行序列，使用自定義的編碼方式將信息下載到FPGA上。對(duì)應(yīng)地，F(xiàn)PGA上設(shè)計(jì)有接收并存儲(chǔ)這些編碼信息的功能模塊。

2 上位機(jī)主控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)只需要將一條待加工曲線(xiàn)分解為精插補(bǔ)模塊可執(zhí)行的直線(xiàn)和圓弧的序列，以FPGA能夠識(shí)別的指令傳輸給從控板。以粗插補(bǔ)為目的，配套開(kāi)發(fā)了相應(yīng)所需的通信模塊、作為示教功能所需的命令控制模塊以及作為數(shù)控系統(tǒng)解決方案的G代碼生成與編譯模塊。

本設(shè)計(jì)的上位機(jī)主控系統(tǒng)是在Windows 7環(huán)境下，以Visual Studio 2010作為開(kāi)發(fā)工具，基于Microsoft .NET Framework 4.0開(kāi)發(fā)的。該上位機(jī)主控系統(tǒng)主要有5個(gè)功能模塊，如圖2所示。

這5個(gè)模塊被設(shè)計(jì)在一個(gè)Windows窗體中,不同功能設(shè)計(jì)在不同選項(xiàng)卡中，因此只需切換選項(xiàng)卡就可以輕松實(shí)現(xiàn)功能的切換。在窗體的右側(cè)有一列獨(dú)立于選項(xiàng)卡容器的對(duì)象，其功能是對(duì)串口通信進(jìn)行設(shè)置，控制FPGA執(zhí)行的起停以及對(duì)監(jiān)視功能進(jìn)行復(fù)位。上位機(jī)主控軟件視圖如圖3所示。

粗插補(bǔ)是將一條曲線(xiàn)分解為一系列的能夠被下位機(jī)FPGA執(zhí)行的直線(xiàn)和圓弧的小段。這樣，控制者可以在PC機(jī)上手動(dòng)繪制一條待運(yùn)行的曲線(xiàn),調(diào)用粗插補(bǔ)運(yùn)算函數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的G代碼，再譯碼運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)所見(jiàn)即所得。

G代碼是數(shù)控程序中的指令，也稱(chēng)為G指令。在命令編譯模塊中實(shí)現(xiàn)的功能是將之前生成的G代碼，或者從本地文件中讀入的G代碼轉(zhuǎn)換成FPGA控制板可以識(shí)別的自定義命令序列，并發(fā)送至從控板。

3 基于FPGA的從控模塊設(shè)計(jì)

精插補(bǔ)模塊以硬件方式實(shí)現(xiàn)，即將多軸運(yùn)動(dòng)控制模塊固化在FPGA中，把上位機(jī)從生成步進(jìn)電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)的繁重單調(diào)的工作中解放出來(lái)，提高執(zhí)行的速度和效率。其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

軟件實(shí)現(xiàn)的功能是通信協(xié)議、命令解析、精插補(bǔ)和速度補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/P>

3.1 FPGA從控板硬件設(shè)計(jì)

作為脈沖控制指令的直接生成者，F(xiàn)PGA從控板在整體的設(shè)計(jì)中具有核心地位。由于本設(shè)計(jì)的輸入輸出信號(hào)有兩路不共地的電壓輸入，因此電源設(shè)計(jì)與信號(hào)隔離至關(guān)重要。簡(jiǎn)易鍵盤(pán)作為系統(tǒng)控制輸入，主要進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行方式的選擇和控制指令輸入。對(duì)于系統(tǒng)中簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量，直接用LED顯示；而對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)狀態(tài)，如執(zhí)行時(shí)序狀態(tài)機(jī)的監(jiān)視,則需要借助LCD進(jìn)行監(jiān)控。FPGA從控板需要接收來(lái)自上位機(jī)的加工指令序列，串口作為最為常用的通信接口，它能夠保證數(shù)據(jù)信息以足夠高的速度由上位機(jī)發(fā)送到FPGA從控板上，完成控制操作[3]。

3.2 基于最小偏差法的插補(bǔ)設(shè)計(jì)

因?yàn)槿魏我粭l曲線(xiàn)都可以用直線(xiàn)和圓弧的小段對(duì)其進(jìn)行逼近，因此，直線(xiàn)與圓弧是構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制軌跡的基本要素，直線(xiàn)/圓弧插補(bǔ)就是運(yùn)動(dòng)控制器的基本功能，也是實(shí)現(xiàn)高精控制的基本手段。

精插補(bǔ)模塊的實(shí)現(xiàn)原理有很多種，對(duì)于直線(xiàn)和圓弧插補(bǔ)，常用的插補(bǔ)原理有逐點(diǎn)比較法、最小偏差法、數(shù)字脈沖相乘法等。最小偏差比較法是在逐點(diǎn)比較法的基礎(chǔ)上衍生而來(lái)的,其原理是在進(jìn)給之前先判定向x坐標(biāo)方向或y坐標(biāo)方向進(jìn)給一步的偏差和向?qū)蔷€(xiàn)進(jìn)給一步的偏差(向x軸與y軸同時(shí)進(jìn)給一步)，應(yīng)選擇偏差小的那個(gè)方向進(jìn)給[4]。