多轴步进电动机运动控制系统的设计

    廖高华，谢云敏

(南昌工程学院，江西南昌330099)

    摘要：为保证步进电动机运动控制精度高、响应快、低成本、操作简单，研制了一种性价比高的步进电动机运动控制系统。以高速单片机为主控器，增强型并行口(EPP)为通信接口，FPGA实现脉冲信号发生器，利用Pc丰富的资源，实现了步进脉冲信号连续、稳定可调和联动插补。实验证明，控制系统用于焊缝扫查跟踪控制时，其焊缝扫查偏差小于1 mm，定位准确、实时可靠、控制灵活、速度运行宽、抗干扰性能强、人机接口方便，具有良好的适应性和自保护能力。

    关键词：步进电动机；EPP；单片机；FPGA；脉冲信号；运动控制

    中图分类号：TM383．6  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)06—0030—04

0引  言

    步进电动机在民用工业控制中应用广泛，而运动控制系统是步进电动机系统的重要组成部分，通过其输出的脉冲信号来实现电机的精确位置与速度的伺服控制。步进电动机的转速及所旋转的角度由输入脉冲的速率和总脉冲数所决定，其旋转角误差不会逐步累积。在实际中常需要调节步进电动机的旋转速度或步进量，即需要一个能精确设定脉冲速率和脉冲总数的脉冲发生器。主控器输出信号，通过脉冲发生器完成步进电动机位置、正反转、升速、降速控制等一系列复杂的控制和插补运算。脉冲发生器和插补运算的设计可以通过单片机及采用专用逻辑电路的方法来实现，但采用单片机实现受其时钟频率的限制，实现精度低、抗干扰能力差，很难实现非整数时钟周期的脉冲信号^[1]。系统研制中使用现场可编程门阵列(FPcA)技术实现脉冲发生器和插补运算功能，单片机为主控器，利用丰富的Pc机资源，采用增强型并行口EPP数据传输模式进行通信，可以随时根据应用场合修改输出脉冲参数，不仅能够满足实时控制的要求，而且设计筒捷、经济可靠、接口方便，可充分利用计算机的资源，并缩短开发周期。

1控制系统结构

    电机控制系统是基于高速单片机w77E58为核心，与存储器、信号处理电路、人机接口电路、看门狗电路、并行通信接口(EPP)、FPGA模块等组成的下位控制单元，其控制算法的程序固化在存储器中，与Pc机构成上下位机控制结构。Pc机主要完成人机交互界面的管理、系统编程的功能、图形功能、参数设定及自诊断功能；控制系统负责运动控制，可以输

出步进脉冲和方向信号，以控制电机的运转；同时可外接限位信号，控制系统对外接信号检测并做出相应处理，上下位机通信是通过EPP协议来进行的。控制系统是采用软硬件的开放式、模块化设计，控制系统的结构如图l所示。

 

   上位机(Pc)能够可靠地将经过处理的控制指令和参数发送到下位机(高速单片机)，下位机接收到相应的控制指令和参数并准确、及时地发出控制信号和方向信号输出控制步进电动机动作；同时，上位机收集下位机反馈的各种状态信号(如电机运动中的限位等输入信号)，进行诊断、处理、曲线显示和数据存储。

2 FPGA数字模块设计

2．1步进脉冲产生模块

    由FPGA设计的内部定时／计数器构成，定时／计数器的定时值和定时范围可由软件设定和改变。设定好定时器的工作方式并装入数值后，其便能够工作，不占用大量时间，使用方便，功能较强。当内部定时／计数器启动后，定时器从装载的初值开始对系统机器周期进行加计数，当计数值产生溢出时，定时器产生中断信号，中止主程序的执行，系统转为执行定时器中断子程序。将电动机换相子程序放在定时器中断服务程序中，则定时器中断一次，电动机就换相一次，从而实现对电动机的速度控制。

2.2升降度模块设计

    采用梯形速度曲线，在进行速度控制过程中，首先要根据已知条件判断出此次运动需要经过几个阶段，然后才能求出各段所用的时间，根据这一时间为判断条件，为程序提供每个周期内的移动速度，以及每个周期的进给量。在控制电动机的升降速过程中，采用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载时间，把各离散点的速度所需的装载值固化在存储器中，在运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大幅度减少占用的时间，提高了系统的晌应速度。在执行升降逮过程的控制还需准备下列数据：(1)升速过程的总步数；(2)恒速运行总步数；(3)降速运行步数；(4