基于FPGA多轴高速高精度插补运动模块的设计与实现
基于FPGA技术的高速高精度贴片机运动控制器的设计的开题报告
基于FPGA技术的高速高精度贴片机运动控制器的设计的开题报告一、研究背景和意义现代电子技术的快速发展对电路和产品的制造提出了更高的要求。
贴片技术是目前电子制造中最常见的工艺之一，可应用于制造电子电路板等电子产品。
贴片机是一种高精度自动化设备，可将元器件快速精准地粘贴在电路板上。
如何提高贴片机的运动精度和速度，提升电路板的精度和效率，成为了电子工业的研究热点之一。
FPGA（Field-Programmable Gate Array）技术具有可重构性高、可实现自定义电路、运算速度快等优势，在嵌入式系统设计中得到了广泛应用。
通过将FPGA技术应用于贴片机的运动控制器中，可以提高贴片机的运动精度和速度，为电子制造提供更优质的服务。
二、研究内容和思路本研究旨在基于FPGA技术设计一种高速高精度贴片机运动控制器，实现贴片机能够准确、快速地完成元件的贴装过程。
具体包括以下内容：1. 研究贴片机的运动控制技术，了解其运行原理和控制策略。
2. 通过分析贴片机运动控制器的现有问题，确定设计目标和指标。
3. 针对FPGA技术的特点，设计一种高精度的运动控制算法，实现对贴片机的运动控制。
4. 采用Verilog HDL语言进行程序设计，生成控制器的硬件电路。
5. 制作实验平台并进行实验验证，分析运行情况和效果。
三、研究进度安排1. 第一阶段：调研与分析时间：2021年7月-2021年8月主要任务：研究贴片机的运动控制技术和算法，分析现有的贴片机运动控制器的问题，确定设计目标和指标。
2. 第二阶段：算法设计与电路实现时间：2021年9月-2021年11月主要任务：针对FPGA技术的特点，设计一种高精度的运动控制算法，在Verilog HDL语言中进行程序设计，生成控制器的硬件电路。
3. 第三阶段：实验制作与验证时间：2021年12月-2022年4月主要任务：制作实验平台并进行实验验证，分析运行情况和效果，总结结果并撰写论文。
基于FPGA_CPLD数控系统插补智能芯片设计
基于FP GA/CPLD数控系统插补智能芯片设计汪木兰,左健民,王中华(南京工程学院先进数控技术江苏省高校重点建设实验室,江苏南京 210013)摘要:基于数控智能芯片的架构和软件硬化的理念,利用FP G A/CPLD设计插补模块既保留了硬件电路运算速度快(纳秒级)、插补思路清晰的优点,又克服了原有数字逻辑插补电路灵活性差的缺点。
选用美国Altera公司的CycloneⅡ系列芯片进行下载配置,实现了脉冲增量式插补中的逐点比较法轮廓插补算法,定义出了芯片的输入/输出接口,通过V HDL语言进行编程仿真,获得了输出脉冲波形,完成了直线和圆弧轮廓4个象限的插补功能。
关键词:计算机数控系统;插补算法;FP G A/CPLD;V HDL中图分类号:TG659 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2006)21-0050-05 开放化、高速化和高精度化都是现代计算机数控系统最新的发展趋势和研究热点。
目前,我国在紧密跟踪国外发展趋势的同时,对开放式数控的体系结构和实现方法从多个侧面开展了广泛的研究[1～3],华中科技大学、浙江大学和哈尔滨工业大学等单位,学者还提出了可重用数控[4]、全软件数控[5]、可重构数控[6]和数控智能芯片[7,8]等先进的理念,并基于高性能的DSP(Digital Signal Proces2 sor,数字信号处理器)、ARM(英国Advanced RISC Machine有限公司知识产权)嵌入式微处理器和现场总线技术构建出了相应的原型样机。
本文基于数控智能芯片的思想,采用FP G A (Field Programmable G ates Array,现场可编程逻辑门阵列)或CPLD(Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)电路的二次开发和在线编程能力硬化实现计算机数控系统的插补功能模块。
虽然国内也有不少学者已经尝试过这种硬化实现技术[9,10],但一般仍然是针对数控系统内部某项功能的局部实现和替换,没有站在整个系统的角度,按照一定的标准和规范来设计出标准的数控智能芯片,也就无法做到真正的即插即用。
基于DSP-FPGA的多轴运动控制系统设计
式 中Ｌ 为弹 目距 离初值 ，ｖ 弹 目接近 速 度 ，ｔ ｎ 为
为工 作时 间 。
步 变 速 控 制 ， 以及 两 个 干 扰 投 放 电机 间 的 同步 控 制 ，并 且 完成 了对 它们 的精 确 定位 。系统 中对ＤＳ Ｐ 和Ｆ Ｇ Ｐ Ａ进 行 了功能 划 分 ，在硬 件 上 实现 了对 多路
３１ 同步变速算法 ． 可 变 光 阑 电机 在 有 效 工 作 时 间 内运 行 轨 迹 为 不 规 则 的 ，所 以采 用 多份 匀速 运 动 来拟 合 变 速 运
动 。 当弹 目接近 速 度 为ｖ ，可变 光 阑 电机 从 闭合 时 运 行到 最大 尺 寸 时（ 模拟 目标 从 初 始位 置 到 终点 ） 即 的 工 作 时 问为 ｔ 设 每 份 匀 速 运动 时 间为 Ｔ 与 系 （
目标 模 拟 器 系统 是 由黑 体 作 为 红 外 光 源 产 生 两 路 红 外 光 ， 经 光 学 系 统形 成 一 路平 行 目标 光线 和 两 路 平 行干 扰 光 线 。其 光 学 总体 结构 中包 括 离 轴 抛 物 面 镜 组 、 可 变 光 阑 、干 扰模 拟 组 件 和 目标 模 拟 组 件 。它 是 一 种 对称 的 结 构 ， 包括 两 个 对 称 的 干 扰通 道 和一 个 目标通 道 ， 主要 受控 部 件 为可 变 光 阑（ 目标通 道） 干扰 模 拟组 件 （ 和 干扰 通道 ） ，共
数 字 控 制 器 具 有对 环 境 变 化 不 敏 感 、可 实 现 复 杂
算 法 和 可 增 加 附 属功 能 等 优 点 ，是 今 后 控 制 器 发 展 的方 引 。数 字 信 号 处理 器 （ Ｐ 被 广 泛 应 用 于 ＤＳ ） 电机 控 制 中 ，￣ Ｔ 公 司 的Ｃ２ ０ 系 列ＤＳ ／ Ｉ Ｉ ００ Ｐ，其 可 以高 速 完成 一 些较 为 复杂 的 算法 ，但 是 其 外 设 模
基于STM32和FPGA的多轴运动控制器的设计
基于STM32和FPGA的多轴运动控制器的设计
张团善;肖磊;张娜
【期刊名称】《电子测量技术》
【年(卷),期】2011(34)5
【摘要】该控制器采用STM32和FPGA进行设计,STM32进行粗插补处理,将产生的粗插补坐标增量发给FPGA进行精插补。
FPGA控制输出脉冲和脉冲间延时,通过高速光耦隔离后输出,控制电机的运转。
系统采用脉冲叠加的方法实现加减速;使用数字积分法插补原理实现直线插补和圆弧插补,从而实现任意曲线轮廓。
该系统已应用到实际的雕刻机中,通过实践验证该系统具有较强的鲁棒性,提高了运动控制器的速度和精度,符合工业控制的需要。
【总页数】4页(P61-63)
【关键词】STM32;FPGA;插补
【作者】张团善;肖磊;张娜
【作者单位】西安工程大学电子信息学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.一种基于STM32和FPGA的嵌入式运动控制器设计 [J], 常周林;
2.基于STM32与CPLD双轴运动控制器的设计与实现 [J], 曹春臣;何强;孙来业
3.基于ARM+DSP+FPGA的机器人多轴运动控制器的设计与研究 [J], 刘大伟;王
苏洲
4.基于STM32和FPGA的CAN总线运动控制器的设计 [J], 吴辉;罗富文;杜文广
5.基于STM32+FPGA的多轴运动控制器的设计 [J], 胡呈祖;周军连
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基于fpga的多轴控制器用于多路电机运动
介绍了一种基于fpga的多轴控制器，控制器主要由arm7(LPC2214)和fpga(EP2C5T144C8)及其外围电路组成，用于同时控制多路电机的运动。
利用Verilog HDL硬件描述语言在fpga中实现了电机控制逻辑，主要包括脉冲控制信号产生、加减速控制、编码器反馈信号的辨向和细分、绝对位移记录、限位信号保护逻辑等。
论文中给出了fpga内部一些核心逻辑单元的实现，并利用QuartusⅡ、Modelsim SE软件对关键逻辑及时序进行了仿真。
实际使用表明该控制器可以很好控制多轴电机的运动，并且能够实现高精度地位置控制。
随着电机广泛地应用于数字控制系统中，对电机控制的实时性和精度上的要求越来越高。
如何灵活、有效地控制电机的运行成为研究的主要方向。
文中采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，fpga)，通过Verilog 语言编程来实现电机的控制。
利用fpga设计具有硬件设计软件化、高度集成化、高工作频率等优点。
fpga最大的特点就是灵活，实现你想实现的任何数字电路，可以定制各种电路，减少受制于专用芯片的束缚，真正为自己的产品量身定做。
在设计的过程中可以灵活的更改设计，而且它强大的逻辑资源和寄存器资源可以让你轻松的去发挥设计理念。
其并行执行，硬件实现的方式可以应对设计中大量的高速电子线路设计需求。
1 多轴控制器主要功能多轴控制器与上位机、电机驱动器等配合使用，图1为采用多轴控制器组成的控制系统总体示意图。
控制器接收上位机发送的控制指令，分析处理并产生相应的方向信号、脉冲信号给驱动器，从而达到控制电机运行的目的。
为了提高系统的控制精度，将电机的编码器信号作为反馈信号输入给控制器(内部实现自动辨向及四细分)。
在各轴运动过程中，专用控制器对电机运行的绝对位移进行记录，并且可以实时地将各轴的绝对位置信息上传给上位机。
另外在电机运行的过程中，为了保证电机运行的安全性，控制器还采用了限位信号反馈实现全硬件保护措施。
基于FPGA的一种连续插补器的设计与实现
的速度与精度。利用 Ｖ Ｌ语言编程和 Ｑ ａ ｕｌ软件编译仿真 ， ＨＤ ｕｒ ｓ ｔ Ｉ 验证 了它的可行 性与有效性 。
关 键 词 ： 场 可 编 程 门 阵列 （ Ｐ 现 Ｆ ＧＡ） 数 字积 分 法 （ ； ＤＤＡ） 连 续插 补 器 ；
中 图分 类 号 ： Ｐ １ Ｔ ２
文献 标 识 码 ： Ａ
Ｌ Ｕ Ｊ ｎ ｅ， Ｉ ｈｒｎ ， Ｉ ａ ｗ １ Ｌ Ｕ Ｓ ｉ ｇ ｉ １ ， ｏ Ｑ 珊 ，ＨＯ ｕｃ ｅ ｇ Ｚ Ｕ Ｇ ｏｈ ｎ
（ｎ ｔｕｅｏ Ａｕｏ ｔ ｎ，Ｈａ ｇｈ ｕ Ｄｉｎ ｉ ｉｅｓ ｙ Ｉｓｉ ｔ ｆ ｔｍａｉ ｔ ｏ ｎ ｚ ｏ ａ ｚ ｖ ｒｉ ，Ｈａ ｇｈ ｕ３ ０ ８， ｉａ Ｕｎ ｔ ｎ ｚ ｏ １ ０１ Ｃｈｎ ）
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈｓ ｐ ｐ ｒｆ ｃ ｓ ｓ ｏ ｈ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｒ ａ ｉ ｔ ｎ ｏ ｉ ｄ ｏ ｏ ｔ ｕ ｕ ｎ ｅｐ ｌｔｒｆ ｒ ｉｉ ｌ ｉ ｅ ｅ ｔ ｌａ ａ ｓｒ ｃ ： ｉ ａ ｅ ｏ ｕ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｎ ｅ ｌ ａ ｉ ｆａ ｋｎ ｆ ｎ ｉ ｏ ｓｉ ｔｒ ｏａ ｏ ｏ ｇ ｔ ｆ ｒ ｎ ｉ ｎ — ｚ ｏ ｃ ｎ ｄ ａｄ ａ
ｌ ｅ ｉｔ ｒ ｏａ ｉｎ ｉ ｄ ｖｄ ａｌ ，ｂ ｔａ ｓ ｏ ｔ ｕ ｕ ｎｅ ｏａ ｉｎ ｂ ｔ ｅ ｎ ｔ ｘ ｓ ｉ ｎ ｅ ｌｔ ｎ ｉ ｉｕ ｌ ｎ ｐ ｏ ｙ ｕ ｏ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ｉ ｔｒ ｌｔ ｅ ｗ ｅ ｗｏ ａ ｅ ，ｗｈ ｃ ｘ ｃ ｔ ｉ ｕ ａ ｎ ｅ ｏａ ｉｎ ｌ ｎ ｐ ｏ ｉ ｈ ｅ ｅ ｕｅ ｃｒ ｌｒｉ ｔ ｒ ｌｔ ｃ ｐ ｏ ａ ｄ Ｉ ｅ ｉ ｔｒ ｏ ａｉ ｎ ａｔｒ ａ ｅｙ ｈ ｓ ｈ ｒ ｗ ｒ ｎ ｅ ｏ ａｏ ｅｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｈ ｓ ｏ ｕ ｅ ｅ ｏ ｒｅ．ｉ ｃ ｅ ｅ ｈ ｉ ｈ ｎ ｉ ｎ ｅ ｌｔ ｅ ｎ ｔ ｌ ．Ｔ ｉ ａｄ ａ ｅ ｉｔ ｒ ｌｔ ｒ ｒ ｌ ａ ｅ ｈ ｏ ｔ ｃ ｍｐ ｔ ｒ ｒ ｓ ｕ ｃ ｎ ｐ ｏ ｌ ｐ ｎ ｒａ ｓ ｔｅ ｈｇ ｓ
基于FPGA技术的高速数控DDA插补器的设计与研究
积分器。
图 1
数字积分法的原 理图
左移 , 自动左移电路能在 左移规格化完成后自动停 止。 直线插补时 , 当被积函数寄存器中所存放的数字 量的最高位为 1 时, 称为规格化数, 而圆弧则是当被 积函数寄存器中所存放的数字量的次高位为 1 时称 为规格化数。 2 3 x 轴 , y 轴坐标修正模块 圆弧插补时, 被积的数值是圆弧的起始坐标, 在 插补过程中不断的修正。 但有点不同 , 由于开始对被 积数进行了左移规格化处理 , 相当于坐标值扩大了 2
组合机床与自动化加工技术
积分器模块是该插 补器的核心模块 , 由累加器 和被积寄存器 组成。当插补时钟脉冲到来 , 终点坐 标值或 X 、 Y 的即时坐标值向累加器累加一次, 如果 累加器有溢出 , 则在相应方向输出进给一 步。本文 设计的积分器由时序发生器来进行控制 , 保证了整 个精插补运算的时序脉冲输出。积分器实际上是通 过 16 位加法器的累加来实现的 , 经过修正后的各轴 数据和余数寄存器中的数据通过加法器不断的进行 累加运算 , 累加结果再送入余数寄存器, 反复上述过 程直至积分运算结束。加法器是整个积分器的核心 模块 , 其实现 16 加法器的主要 VHDL 程序如下 :
的和等于 T i - T 0。 面积约等于 m 个长方形小面积之 和, 即 S =
m- 1 i
#X
i= 0
i
t=
t∃
取 # X。
i i= 0
t= 1 ,则 S =
2 1
脉冲发生器 根据 DDA 插补的实现原理, 一次插补运算将有
这样 , 可以采用两个寄存器和一个全加器构成 # X。
i= 0
四个节拍来完成 , 可设计 先后到达的四个脉冲来实 现该功能。 时序发生器的 第一个时钟脉冲控制数据 左移及修正模块; 第二个时钟脉冲控制积分器模块, 第三个时钟脉冲控制减 数计数器; 第四个时钟脉冲 控制输出进给脉冲信号 和采样时钟。 该脉冲发生器 的时钟周期将是输入时 钟周期的四倍, 设计出的插 补电路完成一次插补运算的周期也就是输入时钟的 四倍。 2 2 自动左移电路设计 寄存器中的数字量能在时钟信号的控制下实现
一种基于STM32和FPGA的多轴运动控制器的设计与实现
一种基于STM32和FPGA的多轴运动控制器的设计与实现一种基于STM32和FPGA的多轴运动控制器的设计与实现引言数控系统在工矿领域已得到广泛应用，计算机数控系统通过对数字化信息的处理和运算，并转化成脉冲信号，实现对电机的控制，进而控制数控机床动作和零件加工。
随着嵌入式技术的发展，我们可以设计规模更小，成本更低，功能更特定的嵌入式系统来完成传统计算机数控系统所完成的工作。
1、设计方案本系统以嵌入式处理器STM32和FPGA芯片为核心，运动控制方案中的处理部分都放在FPGA内部实现。
这是1种硬件软化的方案，即具有软件可编程、可重构的特点，又有硬件那样高性能、高可靠、高一致性的优点。
其系统原理框图如图1所示。
STM32从SD 卡中读取数据文件并进行相关算法处理，通过键盘扫描电路设置系统加减速的初始速度、最大速度、加速度的初始值以及一些控制参数。
将相应参数传送到FPGA进行处理，最后由FPGA控制输出脉冲和脉冲间延时，通过高光耦隔离后输出，控制电机的运转。
通过RS232实现和上位机数据通信以及驱动LCD完成人机交互工作。
FPGA主要用来实现指令和数据处理模块、加减速模块、插补功能模块（包括直线插补和圆弧插补）等运动控制算法。
2、运动控制算法在FPGA中的实现2.1、速度控制算法在FPGA 中的实现为避免电机在启动、运行以及换速过程中使各轴产生超程、冲击、失步和振荡的现象，保证运动机构的平稳和准确定位，这就要求电机在各程序段转接时具有一个加减速的过程，使其平滑的过渡。
大多运动控制系统都拥有梯形加减速和S型加减速功能。
由于梯形加减速算法简单，系统响应快，效率高等优点，结合本课题要解决的主要问题以及应用的相关领域，课题在传统梯形加减速的基础进行改进来实现脉冲的输出。
梯形加减速算法采用脉冲叠加的方法在FPGA内部的实现，即：以某一时钟为基准，将其进行n次分频后产生互不重叠的不同频率的n种脉冲，然后提取所需要的几种脉冲以式（1）进行叠加，从而输出连续可调的、不同频率的脉冲来完成加减速运算。
基于FPGA的脉冲均分插补器的设计与实现
基于FPGA的脉冲均分插补器的设计与实现郑云华;蒋新华;李光扬【摘要】设计了一种硬件插补器的结构,基于FPGA技术,运用硬件描述语言Verilog HDL语言,实现了硬件插补功能.结合均分插补算法,得到了均匀的输出脉冲,解决了插补脉冲不均匀的现象.选用Altera公司的cyclone II系统的器件进行了下载,硬件实现了均分的DDA插补器.并且各轴的精插补模块之间完全独立,容易在多轴联动的数控系统中实现.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2010(010)024【总页数】5页(P5906-5910)【关键词】FPGA;硬件插补器;均分算法【作者】郑云华;蒋新华;李光扬【作者单位】中南大学信息科学与工程学院,长沙,410075;福建工程学院数控伺服实验室,福州,350014;中南大学信息科学与工程学院,长沙,410075;福建工程学院数控伺服实验室,福州,350014;福建工程学院数控伺服实验室,福州,350014【正文语种】中文【中图分类】TP334插补功能直接影响着系统控制的精度和速度,是数控机床的重要技术指标。
插补器是计算机数控系统的一个基本单元,用来完成运动轨迹的拟合。
文献[1]和文献[2]基于 FPGA完成了数字积分法圆弧插补器的设计与实现。
但这两种设计都没有考虑脉冲均匀分配的问题,容易造成系统平稳性差、电机失步等问题。
文献[3]对精插补中的脉冲均匀分配的问题进行了研究,但是没有具体的硬件实现。
本文基于 FPGA 技术将原来用软件产生的脉冲输出的模块硬件化,处理器只要往插补器发送某时间段产生的脉冲数,插补器自动插补,提高了数控系统的插补速度。
并配合脉冲均匀分配算法,解决了精插补中脉冲不均匀的情形,提高了数控系统的稳定性。
目前常用的插补分为基准脉冲插补和数据采样插补两类。
基准脉冲插补的特点是每次插补结束,数控装置便向运动坐标输出进给指令脉冲,每个脉冲代表最小位移,指令脉冲序列的频率代表运动速度,而脉冲数量表示移动量。
基于FPGA的数控系统直线插补模块化设计
基于FPGA的数控系统直线插补模块化设计沈孟锋;羊荣金;蒋水秀;何俊;胡冬生【期刊名称】《组合机床与自动化加工技术》【年(卷),期】2017(000)004【摘要】文章针对软插补器速度慢、计算复杂、精度不高等缺陷提出了采用可配置电子齿轮箱的硬件插补方案,建立了直线插补的算法模型.采用VHDL硬件描述语言设计了直线插补电子齿轮箱模块,搭建了运动控制多轴联动插补实验平台,伺服电机编码器反馈的实测数据为:在终点坐标为(5000,5000)的直线插补路径上,伺服电机实际运行最大偏差为1.4个脉冲当量,约为总行程的0.02%;在终点坐标为(3000,4000)的直线插补路径上,伺服电机实际运行最大偏差为4.2个脉冲当量,约为总行程的0.035%,实际偏差由伺服电机机械特性及传动刚性产生.由此表明:采用本插补方案的数控系统响应时间短、运行速度快、可靠性高,且不存在偏差累积误差,插补精确度高.【总页数】4页(P118-121)【作者】沈孟锋;羊荣金;蒋水秀;何俊;胡冬生【作者单位】杭州科技职业技术学院机电工程学院,杭州 311402;杭州科技职业技术学院机电工程学院,杭州 311402;杭州科技职业技术学院机电工程学院,杭州311402;杭州科技职业技术学院机电工程学院,杭州 311402;杭州科技职业技术学院机电工程学院,杭州 311402【正文语种】中文【中图分类】TH166;TG659【相关文献】1.基于FPGA的数控逐点比较法直线插补数字系统设计与实现 [J], 吴超英;潘紫微2.基于FPGA的直线插补器的研究与设计 [J], 陆悦;张峰;贺超3.基于 FPGA的逐点比较法直线插补算法设计与实现 [J], 周德芳;管旗4.基于QT软件与模块化设计法的五轴机床开放式数控系统设计 [J], 赵小刚5.基于FPGA的数控系统圆弧插补控制模块化设计 [J], 沈孟锋;羊荣金;陈敏捷;何剑敏;张学良因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。