多轴步进电机插补控制器及多轴步进电机运动控制卡

摘要

本发明公开了一种多轴步进电机插补控制器和运动控制卡。该插补控制器包括寄存器文件单元和任务逻辑单元，任务逻辑单元包括可编程分频器、多轴数字积分器模块、终点判定模块和状态机模块。该运动控制卡包括步进电机功率驱动模块和该插补控制器，还包括基于NiosII的最小系统及其外围器件，及SPWM细分驱动器；该SPWM细分驱动器的输入端与插补控制器的输出端相连，其输出端与步进电机功率驱动模块的输入端相连。由于作为本运动控制卡主要组成部分的插补控制器和SPWM细分驱动器等均用FPGA来实现，即：其差补算法和细分驱动等均用硬件来实现，因此与现有技术相比，本运动控制卡在设计结构、系统升级、实时性、控制精度和可靠性等方面有较明显优势。

主权项

多轴步进电机插补控制器，其信号输入端直接或间接地与上位机相连，其信号输出端直接或间接地与步进电机功率驱动模块的步进脉冲输入端相连；其特征在于：本插补控制器包括有寄存器文件单元和任务逻辑单元；(1)所述寄存器文件单元，是所述任务逻辑单元与上位机的数据通道，用于寄存上位机发送来的加工数据、控制信号和所述任务逻辑单元发送来的插补控制器运行状态信号，包括有分频因子寄存器、各轴坐标寄存器、状态寄存器、总步进数寄存器、控制寄存器；所述分频因子寄存器，用于寄存由上位机发来的所述任务逻辑单元可编程分频器的分频因子；所述各轴坐标寄存器，分别用于寄存各轴步进电机的运动终点坐标值；所述状态寄存器，用于寄存表明插补控制器当前所处“闲”或“忙”的运行状态信号；所述总步进数寄存器，用于寄存各步进电机要走的总步进数总和；所述控制寄存器，用于寄存步进电机的多种控制信息，包括暂停控制信号、启动信号和各步进电机的转动方向控制信号；(2)所述任务逻辑单元，用于实现多轴步进电机的联动控制和速度控制，包括有可编程分频器、多轴数字积分器模块、终点判定模块和状态机模块；所述可编程分频器，包括有系统时钟信号输入端、分频因子数据输入端和分频信号输出端；所述分频因子数据输入端与所述寄存器文件单元中的分频因子寄存器的数据输出端相连，所述分频信号输出端与所述多轴数字积分器模块的工作时钟输入端相连；所述多轴数字积分器模块，由多个互相独立的数字积分器组成，每一个运动轴对应一个数字积分器，用于产生各轴步进电机的联动步进脉冲信号；各数字积分器包括有加法器和余数寄存器：该加法器的两个数据输入端分别与所述余数寄存器的数据输出端和所述寄存器文件单元中对应的轴坐标寄存器的数据输出端相连；该加法器还具有一个与所述状态机模块的步进电机控制使能输出端(EN)相连的加法运算使能输入端；本加法器的输出端与所述余数寄存器的数据输入端相连；所述各余数寄存器数据输出端的最高位作为本插补控制器的步进脉冲信号输出端，直接或通过后级的细分驱动电路与所述步进电机功率驱动模块的步进脉冲输入端相连，除此之外，此最高位还作为所述终点判定模块的计数脉冲，与所述终点判定模块的步进脉冲信号输入端相连；该加法器及余数寄存器还具有工作时钟输入端(CLK)，该工作时钟输入端与所述可编程分频器的分频信号输出端相连；所述余数寄存器还具有清零输入端(CLR)，该清零输入端与所述状态机模块的清零使能输出端相连；所述终点判定模块，包括有各轴步进脉冲信号输入端、总步进数据输入端、读总步进数据的控制信号输入端(RD)和差补结束信号输出端(over)；所述各轴步进脉冲信号输入端分别与所述多轴数字积分器模块的对应轴的步进脉冲信号输出端相连，所述总步进数据输入端与所述寄存器文件单元中的总步进数寄存器的数据输出端相连，所述读总步进数据的控制信号输入端(RD)与所述状态机模块的读总步进数控制使能输出端相连，所述差补结束信号输出端(over)与所述状态机模块的差补结束通知信号输入端相连；所述状态机模块，用于产生各种时序控制信号，协调所述多轴数字积分器和终点判定模块的工作；本状态机模块包括有与所述寄存器文件单元中的控制寄存器输出端相连的暂停控制信号输入端(pause)及启动信号输入端(start)、与所述终点判定模块的差补结束信号输出端(over)相连的差补结束通知信号输入端、与所述终点判定模块的读总步进数据的控制信号输入端(RD)相连的读总步进数控制使能输出端、与所述多轴数字积分器模块的各加法器加法运算使能输入端相连的步进电机控制使能输出端(EN)、与所述多轴数字积分器模块的各余数寄存器清零输入端(CLR)相连的寄存器内容清零使能输出端，及，与所述状态寄存器相连的、用于表明本插补控制器当前所处“闲”或“忙”状态的运行状态信号输出端(state)；并且，在本插补控制器没有启动前，本状态机运行在“空闲”状态(s0)：在此状态中，状态机把所述状态信号输出端(state)设置输出含义为“闲”的插补控制器运行状态信号；当所述启动信号输入端(start)收到所述控制寄存器发来的启动信号后，本状态机进入数据初始化状态(s1)：在此状态中，状态机模块把所述状态信号输出端(state)设置输出含义为“忙”的插补控制器运行状态信号，除此之外，还产生一个清零信号和一个读信号：该清零信号通过所述寄存器内容清零使能输出端输出，用于对所述数字积分器的各余数寄存器内容进行清零；而该读信号通过所述读总步进数控制使能输出端输出，用于通知所述终点判定模块读取所述总步进数寄存器的值；并进而，在时钟控制下，本状态机无条件地进入步进电机控制状态(s2)：在此状态中，本状态机模块通过所述步进电机控制使能输出端(EN)向所述多轴数字积分器模块发出步进电机控制使能信号，启动多轴数字积分器模块开始进行积分运算，产生各轴步进电机脉冲信号；当所述差补结束通知信号输入端接收到所述终点判定模块发来的差补结束通知信号时，本状态机退出步进电机控制状态(s2)，再次进入“空闲”状态(s0)。