基于FPGA多轴高速高精度插补运动模块的设计与实现硕士学位论文

1、基于FPGA多轴高速高精度插补运动模块的设计与实现硕士学位论文 声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。日研究生签名: 山?年月牲学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。办侈年

2、钿占日研究生签名:避硕士论文 基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现/ /摘要本文通过对国内外插补运动控制器的研究,根据当前运动控制的发展趋势,提出了基于和总线的高速高精度运动控制卡的方案,能够实现数控高速高精度的运动控制。首先,在内部通过原理图和硬件描述语言的结合使用,实现数据缓存模块、空间直线、圆弧和高次曲线的精插补模块、象限处理模块等的设计,同时在算法上提出了流水线优化技术,数据传输上实现无缝传输,并对各插补模块进了仿真对比验证。其次,对控制卡硬件总体方案进行了合理规划,采用公司的功能更强大的系列芯片作为控制核心,专用接口芯片实现总线接口,同时对配置电路、与总线接口电路、电源电路

3、等实现方法进行详细介绍。最后,设计与芯片的通信程序,并采用功能完善的驱动工具实现总线与上位机的驱动程序,完成上位机与之间数据传输和插补脉冲的采集,对输出脉冲进行测试、分析和总结。本运动控制卡达到了高速高精度的设计要求。关键词:现场可编程门阵列,高速高精度运动控制,数控精插补,接口硕士论文 , ., . :, , ., .,., .,., . .:, ,硕士论文 基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现目 录摘要?.绪论?.?.?.数控技术的发展现状和发展趋势?.数控运动控制技术的现状及发展趋势?.本课题的意义和主要任务?.本课题的研究意义.本课题主要研究任务?高速高精度精插补模块的设计?

4、.技术简介及开发流程?.插补模块顶层设计?.数字积分法空间直线插补?.数字积分法平面圆弧插补实现?一.控制信号及脉冲方向的输出.高次啦线模块的设计.数据缓存模块.分频器的设计及流水线脉冲分配设计.终点判断电路.其他设计说明?一.本章小结?.高速高精度插补模块的仿真分析?.插补仿真对比图.设计中几个基本问题的分析及解决方法?一.本章小结实验开发系统的设计及实现。.精插补运动控制卡总体方案设计?.实验开发系统硬件设计.芯片下载配置电路设计.与接口电路设计?.实验开发系统软件设计?.与通信接口设计目录硕士论文.实现的驱动和应用软件的开发?一.本章小结总结与展望.全文总结.?.研究展望致谢?.?。参考

5、文献附录硕士论文基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现绪论数控技术是一门多学科交叉的综合技术,近年来应用领域发展十分迅速。高速高精度直接影响数控系统功能强弱、性能强弱的一门关键技术【,】。装备制造业是衡量一个国家综合国力的重要指标。因此,世界上各工业发达国家争先恐后的投入大量人力和财力来发展自己的高速高精度数控技术和数控装配【】,同时在“高精尖关键技术和设备上对我国实行出口限制和封锁。针对此现象,党在年的十六大提出将发展大型、高速高精密数控设备和数控系统作为装备制造业的一项重要任务。本文采用基于现场可编程门阵列的芯片级设计技术为核心,设计高速高精度的数控插补运动控制模块。.数控技术的发

6、展现状和发展趋势自微电子和计算机技术的快速发展后,短短几十年的时间内,数控系统从早期的采用电子元器件作为计算机固定接线的硬件数控阶段到发展到目前的以个人计算机, 为基础的开放式数控阶段【。随着数控技术的不断发展、应用领域的不断扩大,数控系统发展趋势主要体现在:高速高精度。多功能化。典型的多功能化数控机床是数控加工中心,该加工中心通过数控系统控制刀具的变换,可以将多种工件不同加工工艺过程集中在一个设备上,而无需许多设备,从而大大的降低成本。因此加工中心以其不可取代的优势得到广泛的应用。 智能化。现在数控系统的智能化包括加工过程的人.机界面智能化、智能化、故障诊断智能化。集成化。采用大规模可编程集

7、成电路、,高度集成化芯片、和大以及专用集成电路芯片等,提高数控系统的软硬件运行速度和集成度。 网络化。机床联网,可以在一台机床上显示不同机床的操作界面,实现无人操作,可以节约劳动力,减少成本【】。高速度高精度数控技术的两大指标直接关系数控系统的加工效率和产品质量,是现代数控系统评定的两大重要指标【。高速度包含两层含义:一是高主轴转数,一般情况下,主轴转数至少在/左右,最高可达/。比如瑞士的公司生产的电主轴速度达到/,输出频率为.,加减速度时间为.。二是高速进给,进给速度一般在每分钟几十米甚至超过一百米。对于高精度而言,早期的数控机床的加工精度为.,现在己发展到.的数量级,比如日本的交流伺服电机

8、已装上每转可生产万个脉冲的内藏式位置检测器,其位置检测精度可达.州脉冲,大大提高了机床的加工精度,产品质量大大提高。美国机床公司生产的大型高速加工中心,主轴最高转速/,坐标轴进给速绪论 硕士论文/。度已达到/,快速行程达到在全闭环数控机床中,测量尺的分辨率都在 以上,运动件的定位精度可达?级 。;在超高精度机床上,测量精度可达.数控运动控制技术的现状及发展趋势运动控制就是将伺服电机、传感器、运动控制器、及其驱动器、传动机构结合在一起,通过软件编程方法实现电机速度、加速度、位移和力矩控制的一门技术。目前运动控制器的应用己逐渐形成一种系列化、通用的供应于市场的产品。经过归纳总结,从技术发展的角度可

9、以将运动控制器的实现方法分为以下几种:基于大规模集成电路此类运动控制卡主要是采用早期工艺的、等可编程计数器/编码器,该运动控制卡功能单一,几乎不能升级,已经逐渐被淘汰。基于微处理器此类运动控制卡的主控芯片一般为单片机,需加额外的辅助电路综合控制。此方案控制精度不高,受制于单片机运行速度较慢,软硬件配置灵活性差【】。基于专用集成电路该方案是将编码器信号的处理、控制算法等多种功能集中在一片集成电路芯片,硬件电路的配置具有一定的灵活性,但其运算过程复杂,设计和实现的周期相对较长,修改控制算法比较复杂【。基于数字处理信号型此种控制卡利用运算速度快的优势,并且充分使用机的现场操作环境和资源,使机从大量复

10、杂的运算中解脱出来做其它工作。但是其本质是实现软件插补,与硬件插补相比速度不够快【】。如图.所示。图.基于的运动控制卡基于的运动控制卡自世纪年代出现现场可编程门阵列后,该技术得到快速的发展,目前结合具有高效运算处理能力的型式的运动控制卡得到国内研究人硕士论文基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现员广泛的研究田。然而,最近几年新一代的已经集成了中央处理器和内核,能够在一片上进行软硬件协同设计,修改控制算法比较灵活、方便。而且内部采用逻辑阵列结构的,在处理高速信号时速度远超过目前最快的。并且兼容性越来越强,功能核的不断增加,硬件电路的简化和价格的不断降低,可以预知开放式运动控制卡的发展趋势

11、是基于的嵌入式系统作为核心控制处理器,机作为信息平台的新型运动控制方案。实现“运动控制卡”的嵌入式系统模式。整个基于的运动控制卡如图.所示。晶振?控制地址广?一上位机影柑篷瓣输入数动机四却垮四唧删庠图.基于的运动控制卡由于的逻辑功能全部用硬件电路实现,故延迟只来源于门电路,而一般门电路的延迟都在级别。以其非常快的运算速度,超强的逻辑处理能力,高速、高可靠性、编程简单、开发周期短、系统易维护易升等优点使得更加适合于高速高精度插补数控系统的设计,其应用领域不断的扩大。在年月日,美英两国科学家联合开发了一款运算速度超快的电脑芯片,该电脑芯片采用现场可编程门阵列.芯片,该芯片每秒能够处理的数据,处理速

12、度相当于现当今台式机的倍,这项突破将在今后几年开启一个超高速运算时代。近年越来越多的电子系统开始采用可编程逻辑器件来实现数字信号处理,从而使通用芯片难以完成的某些大运算量的数学计算和一些时序组合逻辑得以实现。因此基于的开放式设计技术成为数字信号处理技术的发展趋势。.本课题的意义和主要任务.本课题的研究意义当代数控技术正向高速度、高精度加工技术方向发展,运动控制卡是数控系统的核心单元模块【。运动控制卡的高速数据处理能力和控制能力直接影响数控系统的性能、精度。而运动控制卡的关键是其插补模块。在数控系统中,高速度、高精度和高效率,是检测机床的关键性能指标,而加工零件的刀具轨迹的生成都是通过插补计算来

13、实现的,所以高速高精度插补模块是整个系统控制的核心。传统的由纯软件实现的数控插补模块,存在处理速度慢、可靠性不高等缺点,已经绪论 硕士论文不能满足现在高速加工,其速度和效率无法得到进一步的提高。由传统数字电路硬件实现的数控插补模块则具有处理速度快的优点,但是升级不易,且柔性较差,可靠性较差,现已淘汰。而基于的硬件数控插补技术,正以其无可比拟的优点,成为高级数控系统技术的发展方向。因此目前许多中高级数控系统中已采用软硬件相结合方法实现粗、精插补的二级插补方案。一般粗插补都用软件实现,精插补则用嵌入式硬件系统实现【。本课题选用技术作为精插补算法的设计实现,同时设有与机通信模块等。通过结合 超,高速

14、集成电路硬件描述性语言和电路原理图形式设计相关逻辑电路的结构。使用软件综合器可以将设计文件转换为内部资源的配置文件。可见,可实现硬化定制,并且还可以反复重写。与和相比,采用复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列实现精插补功既能满足现代高速高精度的严格要求,同时又克服灵活性差的特点,使得更加适合嵌入式高速高精度数控系统。针对以上分析,本课题研究采用现场可编程门阵列来设计多轴高速精插补运动控制模块,实现空间直线、平面圆弧的插补和高次曲线函数的插补功能,以适应高速加工的市场要求。.本课题主要研究任务本课题通过对数控运动控制卡的深入研究,设计了一款基于总线,以芯片为主控芯片的数控高速高精度运动控制模块,

15、来满足国内数控系统的高速高精度、运动速度稳定、实时控制、多轴联动等要求。设计主要内容包括:基于技术的空间直线、平面圆弧和高次曲线精插补模块的设计,与通信实现,硬件板卡的设计与调试,为平台的通信程序设计。本论文分为以下五个章节讲述。具体章节安排如下:第一章绪论。简述数控系统的发展与趋势以及运动控制卡的发展趋势,并介绍了本课题研究的意义和任务。第二章高速高精度精插补模块的设计。作为本文的重点与核心,主要完成各精插软件中的实现,在设计中补模块的设计,详细介绍了各曲线插补算法模块在将流水线优化技术应用到插补算法实现中。第三章对设计的各曲线插补模块进行仿真分析。第四章进行实验板卡的硬件设计和软件设计。硬

16、件设计主要介绍各主要芯片的选择原则及其功能作用;软件设计主要介绍上位机软件通讯实现功能,完成了机与插补控制卡的通信功能以及芯片与接口芯片的交互功能。第五章对研究成果和不足进行总结,并对今后的工作提出了建议和展望。硕士论文基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现高速高精度精插补模块的设计.技术简介及开发流程的英文是现场可编程门阵列,是一种新型的高性能可编程逻辑器件【。自年公司推出的第一片至今,快速发展,已经从最初的个可用逻辑门到现在的万个可用逻辑门。目前凭借其开发周期短、投入少、高可靠性等优势,呈现出以下几个主要的发展动向:基于的嵌入式系统技术正在成熟,具有和两者优点;公司提供的是基于 的

17、软核解决方案,设计者可以在很短时间构建一个完整的可编程系统芯片,规模越来越大,集成度越来越高。速度不断提高,性能不断提升;、等嵌入式处理器核更多的集成在中,价格越来越低。图. 开发流程图的基本开发流程如图.所示,包括:设计输入,设计仿真,设计综合,布局布线,配置和调试六个步骤,其中设计仿真、设计综合和调试是最重要的步骤,综合工具的性能更是对设计的结果有直接影响高速高精度插补模块的设计 硕士论文,兼有 等。目前,公司的综合开发平台为.插补模块顶层设计首先对的内部模块进行设计,内部模块主要包括空间直线插补、圆弧插补和高次曲线插补各插补模块以及其他辅助模块,如数据缓冲模块、象限处理模块等,其内部实现

18、模块如图.所示。空间直线卜广插补模块 /纱。脉冲,流水输数据 脉冲平面直出上位机卜 线数?卜 卜 卜缓存 线、圆弧插补?/ 处据分 输入毅科模块 模块 输出配 理模块沁高次曲线插补模块图.精插补功能模块图本设计插补模块中的寄存器为位,每一段数据插补步数为是,等于步。芯片传输位的数据,这里选用总线低位数据作为各插补模块的输入数据,同时在数据缓存模块中设计译码电路对总线地址线译码,采用流水线进行无缝数据传输;各精插补模块分别采用流程图和有限状态机形式进行设计,在充分利用资源和提高速度上采用流水线技术进行优化。另外插补曲线选择信号存储在数据缓存模块输出数据中,选择平面顺、逆圆弧和空间直线的插补。根据

19、开发流程,对顶层文件设计输入原理图、硬件描述语言、约束输入、综合、布局布线、仿真、编程和配置。本课题难点是输入文件的设计,本章将着重介绍这方面设计过程。顶层原理图设计本课题主要采用“自顶而下”设计方案,设计基于高速精插补模块。顶层模块包括空间直线、平面圆弧和高次曲线插补模块、数据缓存模块、脉冲象限处理模块。芯片的地址线、数据线和读写信号线共同作为顶层文件的输入信号,缓存模块输出的数据作为各曲线精插补模块的输入数据,插补模块的输出信号经过脉冲象限处理后作为顶层文件的输出信号,具体实现方式后面将详细介绍。插补终止信号返回上位机控制数据的传输。最终完成的完整的顶成模块如图.所示。主要端口及引脚分配如

20、下:系统时钟输入信号,一般接芯片的,对应芯片引脚;高速高精度插补模块的设计 硕士论文图.顶层文件全编译图.顶层文件时序分析报告.数字积分法空间直线插补插补模块的流水线设计采用非流水线式进行插补算法运算时,数字积分法法插补运算分为四个工作节拍,需要将输入时钟进行四分频,分频后的时钟按照一定的时间发出一系列工作驱动脉冲。首先分频后的第一时钟节拍控制被积函数寄存器,?,和已经预置数的累加寄存器,?模块;第二个控制积分器模块;第三个控制脉冲输出和减数计数器模块;最后一个节拍控制插补终止信号。由于插补运算需要分频器的四个脉冲序列来控制,因此完成一次插补运算的周期是输入时钟的四倍为时间。如图.所示。图.非

21、流水线插补模块结构图硕士论文 基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现流水线技术,顾名思义,就是将要完成的整个工作过程分为若干步骤,根据性能指标,正确的划分流水线级数实现各步骤重叠,空间上实现并行处理【。在电路设计中实现流水线优化,就是将整个电路划分为若干个流水线级,划分原则要保证各级之间相互联系,保证每组数据在经过所有级数后都能得到正确的输出数据。在设计中,各流水线之间插入寄存器进行锁存上一级输出的相关量,在经过最初时钟后,在输出端每来一个时钟就可以得到一组输出,而无需将输入时钟进行分频,各时钟完成特定步骤。提高了整个系统运行的速度【¨。内部采用阵列分布,内部多达上万个逻辑单

22、元,为使用流水线设计提供了基础。目前在运算量大的场合,如【】、滤波器【】设计中,采用流水线并行处理技术,可以大大增加吞吐量从而降低采样周期将采样速度提高到与并行技术相当的倍数。预加载数据矗旨裂蚌嘶肾?厂哩鍪壁鲨坚器卜?一告刚?一一曰减篁数 终止信号余数寄存器督图.空间直线轴流水线插补模块结构图图.为采用流水线技术的轴方向数字积分法插补模块结构图。在轴方向进行插补运算时,分为两条流水线,输入时钟经过时钟处理模块后,时钟为的奇数时钟节拍、?,控制第一条流水线;时钟为的偶数时钟节拍、?,控制第二条流水线。具体的讲,当第个时钟脉冲到来时,余数寄存器与被积函数累加后将溢出信号锁存,同时将余数部分存入余数

23、寄存器中;第个时钟脉冲到来时,首先将上一步的溢出信号传输给脉冲输出电路模块,同时余数寄存器与被积函数进行第二次累加,溢出信号锁存等待第三个时钟脉冲向后传输,累加后的余数存入余数寄存器中。第个时钟脉冲和第个时钟脉冲重复第时钟脉冲和第时钟脉冲的工作,以此类推。因为在第一个时钟节拍时是没有进给脉冲输出,从第个时钟节拍开始,每来一个时钟节拍,脉冲输出端输出一次进给脉冲。这样输入一个时钟周期可完成一次插补运算。其他、坐标轴插补模块结构图相同。三轴都是在同一输入时钟下共同工作。气高速高精度插补模块的设计 硕士论文由于在第一个时钟节拍没有脉冲输出,而减数器已减,因此减数计数器中初始寄存数据为。本设计运用流水

24、线技术,每一个时钟周期进行一次插补计算,可以显著提高插补速度。但在资源耗用、逻辑单元、寄存器个数等上有所增加。本设计中选用的芯片,其中寄存器和逻辑单元有冗余,可以满足实际要求。?“:一一一 :图.空间直线插补模块原理图空间直线插补模块最终原理图如图.所示,在这里研究的是三轴,空间直线插补,为满足最大走步步,插补模块中寄存器设定为位。根据上述介绍的插补原理可知,如果要实现四轴或五轴的直线插补,只需相应的多增加一个轴的被积分函数寄存器和余数寄存器。左移规格化模块左移规格化介绍使用法实现直线插补运算时,初始状态时将直线终点坐标,存放于各自的被积函数寄存器中,其余的寄存器清零,当接收到运运算命令后,进

25、给脉冲发生器每发出一个脉冲,被积函数寄存器和各自的余数寄存器就累加一次,累加结果如果有溢出就对应轴进给一个脉冲当量,余数存于余数寄存器中,并等待下一个进给脉冲发生器发出脉冲,用溢出的脉冲发送给伺服机构,驱动机床各轴加工,就能加工出所需直线。在累加过程中不论寄存器中所存数据的大小,都要经过”次累加才能达到终点。各硕士论文 基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现坐标轴被积函数大小将直接影响溢出脉冲的速度的大小:增量值越大,溢出脉冲速度越高,因而机床坐标轴进给速度也越快;反之,速度越低。这样就使机床刀具的进给速度是不一致的,从而会影响轮廓加工的表面质量,特别是增量值小行程短的程序段生产力低。

26、为此提出采用左移规格化实现速度的稳定?】。在直线插补时,是将被积函数寄存器如艺、儿、乙中的非规格化数据同时左移,直到被积函数寄存器正,一,中有一个数规格化为止,也即寄存器最高位为。进行左移规格化的同时,终点判断计数器中的数据也做相应的改变。本课题设计中采用减形式来进行终点判断,计数器中起始存有总步数,被积函数寄存器每左移位,终点判断计数器中的数据要右移位,同样也达到了每左移位累加次数减半的目的。左移位后,累加次数减少到原来的/。在进行插补模块设计中,设置一个右移计数器用来实现插补步数的减少,输入数据为插补总步数,控制时钟与图.的原理图相同,当左移规格化后,右移计数器右移停止,输出数据传输给减数

27、计数器。左移规格化寄存器的设计左移规格化模块用于直线和圆弧各轴输入数据的暂存:直线插补时,中存放轴坐标终点值,。中存放轴坐标终点值儿,止中存放乙。圆弧插补时,以中存放以,中存放;另一方面在接到左移信号后进行左移,完成规格化操作。这里采用硬件描述语言直接设计移位寄存器,数据加载信号为,当为低电平时,进行输入数据加载,加载完毕后,跳转高电平,在下一个时钟上升沿时数据开始自动左移。在本课题设计中,加载数据信号是由上位机传输给定。脉冲主要程序代码如下: ? ?一数据加载;?一数据循环左移;?一最高位为?时左移停止;?;?一一左移后,低位补零;在时钟控制信号下寄存器写入的数据将自动左移,如果不控制时钟信

28、号,那么将会不断左移,数据将会丢失,因此必须控制输入信号,当在直线插补时,数据同时左移时,有一数据最高位为时则自动停止,表示输入数据扩大倍数相同,并不影响插补高速高精度插补模块的设计 硕士论文脉冲的输出;在圆弧插补过程时,则是被积函数任意次高位为时,自动左移停止。空间直线插补时左移规格化控制模块如图.所示。图.中、为各轴的被积数据,这里为各坐标轴的终点坐标,同时通过模块进行左移,并将左移后的各输出数据的最高位进行或非逻辑后与时钟相与后控制模块的输入时钟,这样就可以控制左移的停止,完成数据的规格化。在被积数据进行左移时,插补步数需要右移相同位数,这里设计的模块实现插补步数的右移,其时钟输入信号与

29、模块输入时钟相同。规格化模块设计中为满足最大走步步数的指标,设定了寄存器位数为位。图.左移规格电路模块直线插补左移规格化仿真波形如下图.所示,轴输入值最大,当轴值左移最高位为时,左移停止,数据稳定。左移规格化的输出数据为各轴的被积函数寄存器的输入数据。 她 早砧 柏“ 早 踟址 . 址,墨广?广? 广广?广?广?广?广?广?四 删踟 哪。团删姗 四 田咖姗 四 附碰团“四囝伽伽曰”四田叽圈四踟 “ 团.一图.左移规格仿真图基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现硕士论文余数寄存器预置数设计插补运算采用步进式,在一步一个脉冲当量距离的范围内,用切线代替圆弧是有误差的,并且下一步又再前一步的

30、基础上判断新的方向,最后必然导致误差。减少插补误差的方法一般有“全加载”和“半加载”方法书】。本文设计采用“半加载”法,即在插补开始之前,在余数寄存器也叫累加寄存器中进行预置数么,即余数寄存器中最高位置。在直线插补时保证每来一个时钟脉冲,至少有一个坐标轴方向有脉冲输出,圆弧插补时每两个时钟脉冲有一坐标方向有脉冲输出。因此,“半加载法提高了插补精度。在这里,预加载也是由上位机将控制界面设定采用何种加载方法,加载数据的传输也是通过总线直接传输给芯片内的余数寄存器中。流水线累加的实现本设计中为实现累加,调用 . 工具,按照向导参数化加法器。第一条流水线的余数寄存器初始寄存数据为上位机传输的半加载数据

31、,第二条流水线的余数寄存器寄存第一条流水线累加的余数,被积函数寄存器中始终存储左移规格化的数据,两条流水线的加法器完成信号交替作为余数寄存器和余数寄存器的输入信号,设计原理图如图.所示。:。:。:矗,晶一:一一:。:一。?蕊。?一一:;:图.累加电路模块.数字积分法平面圆弧插补实现刚刚讨论了法的一次函数空间直线插补的实现,本节主要讨论典型二次函数.圆弧插补的实现。根据插补算法可知,圆弧插补和直线插补两者的设计内部所用模块基本差不多。在进行流水线设计方法上一致,这里不再介绍。本节主要讨论两者不同点。以为平面为例,根据数字积分法结构图所设计的平面圆弧插补原理图,如图.所示,圆弧插补模块中设计的个模

32、块寄存器位数均为位。高速高精度插补模块的设计 硕士论文,修正寄存器的设计根据以上插补算法的讨论可以容易得出,圆弧的插补实现与直线插补的实现有三点不同:其一,被积函数寄存器中存储的是圆弧插补的起点值,并且,的值对调寄存,而直线插补的被积函数寄存器中存储的是插补终点值,所用坐标均为相对坐标,起点为零点;其二,圆弧插补过程中被积函数寄存器中的值是不断变化的,需要设定修正模块?口幽哪盼:”叶。卡。咐 ,。邮吨【椭?呻伸& 卜荨,。描 咄一习二划,十 :呻月:目慷?÷医“膝:“剥一。 弘。陋一 :司”鼎赢。一时“ 、 翟薛昔皇;”咖七:藩醒?尿一俸。一雕孵鼍土一,:沙?.螺 ,口手。刻

33、一?。:“?“剖:睢剿型.基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现硕士论文;?;?.没有有溢出产生,值不变;一其他状态无效;将上述语言代码编译生成原理图形式,其输入数据 为左移规格化后的被积函数数值、;各轴向的累加溢出信号对调后作为各轴修正模块的输入信号,即轴修正模块的输入信号为轴向加法器溢出信号;修正模块的加载信号也为经过延迟最长时间后的加载信号。.控制信号及脉冲方向的输出空间直线脉冲输出方向控制空间直线插补的象限选择有八个,各个象限坐标轴的插补方向不相同。具体的,轴进给脉冲走向情况如表.。表.八象限脉冲分配具体的设计轴正负脉冲输出原理图如图.所示。在脉冲输出方向控制时先设计一个.译码

34、器进行八个象限的选择,通过三个输入信号,译码后进行八个象限的选择,调用软件中自带的宏功能模块器件,设定输入信号为高电平,和为低电平,则可实现译码功能。图中器件输出信号低电平有效。观察表.所示,在轴方向上第一、四、五、八象限时,轴正走向,第二、三、六、八象限时,轴负走向。于是设计两个四输入与非门与轴插补输出脉冲相与后输出。输出信号为轴正走向脉冲,为轴负走向输出脉冲。年轴的脉冲走向设计和轴原理图相似,主要区别在于结合表.观察八个象限各轴的走向问题。高速高精度插补模块的设计硕士论文图. 轴正负脉冲输出原理图圆弧插补脉冲输出方向信号控制圆弧插补的脉冲输出方向不仅与圆弧的起点值有关还与以下信号有关:圆弧

35、的顺逆、电机的正反转有关。而脉冲信号的产生是根据递推公式产生,在其他象限插补时,我们可以按照坐标变换和插补公式有关量来进行象限变换和插补方向变换。假设电机带动工作台向各坐标轴正向运动为正,脉冲方向输出端为工作台坐标轴方向遵循“右手法则。设插补时用第一象限顺圆弧插补为,第一象限逆圆弧插补为。则可以列出这四个量对脉冲方向、公式选择影响的方向和方向的卡诺图。设用表示顺逆圆弧插补,表示正反转,和分别代表起点、所处象限。则对轴向进行化简,可以推断出向方向信号为:砌;砒南抖胱打而苫 .即表示当插补轨迹在第一象限顺时针方向圆弧,电动机正转时电机带动工作台正向移动。方向信号:.?声圆弧平面的选择控制信号刚刚介

36、绍了圆弧在一平面插补两个输出方向的控制,一个是用来表示工作台运动方向的方向控制,一个是用来表示运动距离、速度、和加速度的脉冲信号。本课题要求圆弧插补可以在平面、平面和平面任意三个平面内实现插补。为了实现三个平面插补的选择,设计两个选择信号和,通过内部电路选择平面插补。主要程序代码如下:硕士论文 基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现”;?;印;川;”;,;?;”;:印;?;?:?;?;当”时,工作台在平面进行插补运算;”时工作台在平面插补运动;”时,工作台在平面运动,其余情况,没有插补脉冲输出。.高次曲线模块的设计曲线插补原理在系统中,目前一般是采用软件插补或硬件和软件相联合实现插补;

37、常用的插补算法有逐点比较法,数字积分法,最小偏差法,时间分割法等。本设计中直线和圆弧精插补都采用的是数字积分法,只要输入很少数据就能加工出直线、圆弧等比较复杂的曲线,精度也能满足要求。因此,插补算法成为主要插补算法之一,相对应的改进算法也得到研究人员的广泛研究。但是在实现次以上更高次曲线插补时,采用法实现曲线插补运算相对复杂,所用寄存器增加,插补误差增大。目前绝大部分数控机床都具有直线、圆弧插补功能,相应的直线、圆弧插补器也已成熟。而在一些工业部门,如航空工业、造船工业等常需要切割或加工抛物线二次曲线、肋骨线三次曲线等形状复杂的钢材或零件,如飞机的机翼、发动机叶片、各种模具等。因此研究并设计高

38、次曲线的插补具有很高的现实意义【。这里具体介绍理想脉冲分配法实现高次曲线插补【。以三次多项式的方程为例:.砂为使刀具沿曲线,:移动,此次插补原理按以下两个原则进行插补:高次曲线的插补,可用沿切线方向的直线插补实现;每向轴进给一步就修改一下切线的方向,以逼近直线。切线方程即为的一阶导数为高速高精度插补模块的设计硕士论文.。/尸式中、是任意有理数,可以是整数或小数,也可以是正数、零或负数,为、和的最小公倍数若,为曲线上一点,则可得出.%。以甄/尸/尸其中 彳%。若点朝方向走一步时则,新的。的值:.“彳%彳若向方向走一步,则值不变,值也就相应不变。根据理想脉冲分配原理,沿正方向均匀分配:切个脉冲,脉

39、冲间隔为;沿着轴方向,则均匀分配:切个脉冲,脉冲间隔为。黜砌砌,则应先走,设判别式:.三。一厶式中?判别函数或判别式;.?方向第个脉冲至起点间隔;卜方向第个脉冲至起点间隔。若,表示向间隔小,应向方向走一步,则新的判别式.】:切结合式.、式.得新的和值.“彳矗彳.“若,则表示向间隔小,应向方向走一步,则新的判别式.“砌结合式式.得新的和值.“起始点判别公式.砜.磊 ?硕士论文 基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现由此判别式可得三次曲线插补流程图如下图.:图.高次曲线插补运算流程图有限状态机实现高次曲线插补有限状态机的结构模式简单、语言描述层次分明、易读易懂,高可靠性等难以逾越的优越性使

40、得其成为设计者最常用的设计方式。根据有限状态机是否使用输入信号,分为型有限状态机和型有限状态机两种类型:型有限状态机,其输出信号仅与当前状态 有关,输出信号为当前状态的函数;型有限状态机,其输出信号与当前状态和所有的输入信号有关。型状态机图和型状态机图如下图.和图.:图.时钟同步的状态机机构带流水线输出的状态机图.时钟同步的状态机状态机高速高精度插补模块的设计 硕士论文高次曲线插补的实现状态机的三进程描述方法是将组合逻辑、当前状态寄存器、输出组合逻辑各用一个进程语句描述,程序层次分明,便于阅读;双进程方法的是将组合逻辑电路和输出组合逻辑电路合并一起在一个进程语句中描述,另个描述当前状态寄存器:

41、单进程是将下一个状态逻辑和当前状态寄存器和输出功能逻辑用在一个进程中。本文高次曲线插补的设计为了节约资源采用的是单进程描述方法,主要程序代码如下:复位状态;?:?输出轴脉冲清零川;一输出轴脉冲清零 ;?;?工作状态置忙状态;?初始值?;?初始化值;/”?判别式;一水;值变化?值变化;一?;:一向输出脉冲?判别式;够; 一?一向输出脉冲硕士论文 基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现;?;?一终点判别/”;九;”;.本文所研究的高次曲线插补算法的实现,按照理想脉冲分配原理所得可知该插补算法的关键是正确的实现中间判别式和最终进给判别式,并按照进给判别式的正负性决定轴、轴的脉冲进给【。由插补

42、逻辑图可知,插补模块的核心主要是中间累加寄存器和进给累加寄存器,在插补开始前寄存器、 分别寄存轴起点、轴起点、轴终点、轴终点、和之和、值、值、值和的值。插补开始后中间判别值和进给判别值在各自累加寄存器中进行累加,当进给累加寄存器所存值最高位为时,代表所存为正值,则向轴方向走一步,当累加寄存器所存值最高位是时,则表示所存值为负值,则根据插补原理向轴方向走一步,同时累加寄存器中寄存新的数值进行下次脉冲走步软件综合编译,所得到的级图如下图.:的判别根据。通过图.高次曲线插补状态机图如图所示,插补模块中采用有限状态机的方法,将此插补累加的过程分为三个状态:等待空闲状态、插补累加状态、剩余脉冲判断状态。

43、如果系统没有启动信号则高速高精度插补模块的设计 硕士论文继续维持等待空闲状态,如果启动信号有效,则将从空闲状态中读入各初始值,置工作忙信号为,转入累加判别状态。插补累加状态,将中间累加寄存器和进给累加寄存器中值进行累加,结果再送入到累加寄存器中,根据进给累加寄存器中的最高位判别轴和轴的进给,同时位置计数器减。根据理想插补原理可得知,在累加过程中,每累加一次总会在轴或轴方向上进给一次。无论累加状态中是向轴还是向轴进给,都将转入剩余脉冲判别状态。在剩余脉冲状态下,如果剩余脉冲计数器为,则各轴输出为低电平,清忙信号,下一状态转入等待空闲状态,否则返回累加状态继续累加进给。平面圆弧和空间直线插补的有限

44、状态机实现和仿真图详见附录。在圆弧和直线插补时状态分配与高次曲线相同,通过状态之间判断可得出每两个时钟节拍输出一次插补脉冲信息,相对于非流水线流程图设计方案速度提高了一倍,结合第三章插补仿真图和附录中的仿真图,可以明了的看出状态机形式插补速度相对于非流水线插补法提高了一倍。.数据缓存模块数据缓存设计芯片数据通信支持复用/非复用位地址/数据线,本设计系统中插补数据结构为位,选取总线数据线低位作为输入数据。数据缓存区存放的是上位机进行的粗插补后的数据和对精插补模块的控制信号。在本设计中为了实现总线传输数据的无缝传输,设计了两个数据缓存区其数据格式相同,交替工作。每个数据缓存区中都有个数据存储空间,

45、用根地址线寻址。第根数据线对两块数据缓存区进行寻址,当地址增加到地址线的第位即】为,选中数据缓存区。具体的地址空间分配数据如表.和表.,表.为数据缓存区的地址分配,表.为数据缓存区的地址分配。在输入初始数据上平面直线、圆弧插补和空间直线插补可以共用数据线,那么这三个模块的输入数据量只要满足空间直线插补法的数据量就可以了。空间直线插补需要七个输入数据,其中三个为三轴余数寄存器,三个为被积函数值的寄存器,还有一个寄存插补总步数。平面圆弧插补时,只用到两个轴的余数寄存器和被积函数寄存器。另外高次曲线插补还要给出曲线系数数据寄存器,。如表.所示,在总线地址存储空间分配上,分配各坐标轴的余数寄存器的输入

46、数据,分配各轴被积函数寄存器的输入值。地址存储空间分配曲线插补总步数。另外地址存储空间分配个插补模块的控制信号,分别为:空间直线的象限选择控制信号、;平面圆弧的平面选择信号、;平面圆弧象限选择信号和;曲线插补模块选择信号、。其中相关逻辑关系详见.章节。硕士论文 基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现表.数据缓存器地址分配地址范围 存储空间 输入端口轴的余数寄存器轴的余数寄存器轴的余数寄存器轴的被积函数寄存器轴的被积函数寄存器轴的被积函数寄存器高次曲线系数高次曲线系数高次曲线系数插补总步数控制参数 表.数据缓存器地址分配地址范围 存储空间 输入端口轴的余数寄存器轴的余数寄存器轴的余数寄存

47、器轴的被积函数寄存器轴的被积函数寄存器匕轴的被积函数寄存器高次曲线系数高次曲线系数高次曲线系数毪插补总步数控制参数仃根据表.和表.可知,当为时,地址线将数据分配到第二个缓存区中,作为.译码器, 有所以这里只需调用库中基本元件个输入端,个输出端,每个译码器只用它的前个输出端,分别接这个存储器,。其中位数据存储器可以采用硬件语言设计通用寄存器。以数据缓存区为例,存储空间插补控制信号如表.所示。表.插补控制信号分配 扣.存储空间低三位、为空间直线插补象限的选择、,具体选择在.章节空间直线输出脉冲控制中介绍。存储空间的和为圆弧插补的平面选择信号和,具体选择程序在.中介绍。高速高精度插补模块的设计 硕士

48、论文存储空间的和为圆弧插补象限选择信号和。存储空间的、和三个位是插补模块的选择信号。具体分配如表.所示。表.插补模块选择信号 线型的选择 高次曲线插补 空间直线插补 平面顺圆弧插补 平面逆圆弧插补数据缓存区的的控制信号分配与之相同。流水线数据分配模块的设计图.流水线数据传输结构图根据乒乓操作原理实现流水线无缝数据传输,本文设计的流水线数据传输结构图如图.所示。数据缓存区中的第一组数据传输完成后,第一组插补模块进行插补运算,同时上位机向数据缓存区传输第二组数据;当第一组插补模块插补完成后,数据缓存区中的第二组插补模块立即进行,同时通知上位机向数据缓存区中传输第三组数据;当第二组插补模块插补完成后

49、,数据缓存区中第三组数据立即进行插补,同时通知上位机向数据缓存区中传输第四组数据,以此类推。数据缓存模块原理图如图.所示。图.数据缓存模块原理图硕士论文 基于多轴高速高精度插补运动控制模块的设计与实现.分频器的设计及流水线脉冲分配设计分频器设计本文通过外部硬件电路板的晶振给提供时钟输入,前面已介绍。为得到稳定输入时钟,这里采用,即锁相环。锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环。是一种输出一定频率信号的振荡电路,也称为相位同步环回路。该回路利用外部施加的基准信号与回路内的振荡器输出的相位差恒定的反馈控制来产生振荡信号。在网络领域中,用于从接收。的信号中分离出时钟信号【锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。锁相环主要原理:由检相器组成的电路,将电压控制振荡器的频率与输入载波信号或参考频率发生器的信号相比较。在通过了环路滤波器后,检相器的输出被反馈给电压控制振荡器来保持其与输入频率或参考频率完全同相。外部晶振提供时钟,通过内部处理,在其输出端口可以得到一定范围的时钟频率。从输出得到的时钟不仅仅从频率和相位上比较稳定,而且其时钟网络延时也相比内部逻辑产生的分频时钟