FunctionUnics ofCNCMachines数控机床功雒部件 基于FPGA的数控加减速控制器的设计 杨’雁 王云宽 宋英华 (中科院自动化研究所高创中心，北京100080) 摘要：为提高开放式数控系统的可重构能力和响应实时性，提出了梯形、指数加减速控制算法的硬件快速 实现方法。并基于硬件复用思想对加减速控制器进行模块化功能设计，给出了相应的寄存器模型。 并对基于FPGA实现的加减速控制器进行了功能验证。 关键词：加减速控制 数控硬件描述语言 现场可编程逻辑门阵列 Implementation of Acceleration／Deceleration of NC System Based on FPGA YANG Yan，WANG Yunkuan，SONG Yinghua (Hi—tech Innovation Center，Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Beijing 1 00080，CHN) Abstract：For improving reconfigurable and real—time ability of open—architecture CNC system，the fast imple· mentation of trapezoid and exponential acceleration and deceleration methods and their realization based on FPGA are presented． Keywords：Accelerating and Decelerating Control；NC；Verilog；FPGA 开放式、可重构是目前数控系统的主要发展趋势。 现有基于Pc等操作系统的开放式数控系统用软件实 现实时性强的任务(如高速加工中的加减速控制)常 不能胜任，解决的方法之一就是合理分配软硬件任务， 将实时性要求高的任务交由专门的硬件实现。目前， 市场上也出现了多种专用运动控制芯片，其中代表产 品有Et本NOVA公司的MCX系列，美国PMD公司的 Navigator等系列芯片…。现有运动控制芯片虽获得了 成功应用，但普遍存在价格高、功能无法灵活定制等缺 点。 响定子磁性能。 环境好。 (2)两端径向传感器相对位置的保证 为了保证电主轴两端的位移传感器中心线分别位 于两个控制平面之中，在电主轴两端壳体和径向轴承 外表面上加工定位孔，定位孔之间的位置精度用机械 手段来保证，当固定环与定子配合好后一起压入电主 轴套筒时，一定要对准定位销压入，用定位销来保证电 主轴两端径向传感器在圆周方向上的相对位置。 4 结语 这种安装结构克服了支架安装的缺点，又弥补了 壳体安装的不足，经实际工业运行检验发现确实能提 高磁悬浮电主轴的控制精度，是较为理想的安装方式。 参考文献 1 施韦策G，布鲁勒H，特拉克斯勒A．主动磁轴承基础、性能及应用． 北京：新时代出版社，1997。 2成大先．机械设计手册(第2卷)．北京：化学工业出版社，2002． 3 刘淑琴，蒋大川，虞烈等．电磁径向轴承结构参数设计研究．机械设 计与研究，1998(1) 4 曹阳等，丁俊军．轴向磁悬浮轴承位置检测方法的研究．沈阳航空工 经过磁悬浮电主轴实际装配和运行试验，本文所 业学院学报，2001(3) 给出的位移传感器安装结构具有以下优点： (1)安装方便，装配时只需调整好传感器径向位 置即可，不用再浪费很大精力调整传感器与主轴轴心 线的垂直及传感器之间的相对精度； (2)用机械手段保证了传感器与径向轴承之间的 相对位置，安装精度高，保证了电主轴的控制精度； (3)传感器装在固定环上，装配完毕后可以把电 主轴壳体上的安装孔密封，避免了冷却液的喷溅，工作 两搿 5 费利萍，李月蓉．安装对车载称专用传感器性能的影响．传感器技 术，2000(3) 第一作者：边忠国，男，1970年生，工程师，工学硕 士，山东省磁悬浮轴承工程技术研究中心副主任，主要 研究方向为磁悬浮轴承机械系统的设计与优化。 (编辑徐洁兰) (收稿日期：2006—10—08) 文章绢号：76∞ 如果您想发襄对本文的看法．请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 ． 一． ˝ • ‰ ˚ 

数控机床功能部件FunctionUMs ofCNC Ma ch．nes 随着深亚微米集成电路制造工艺的成熟，可编程 逻辑器件和硬件描述语言的广泛应用，使个人用户开 发定制硬逻辑运动控制功能芯片成为可能。特别是近 几年兴起的基于硬件复用技术的SoC设计方法，以其 快速的产品上市时间、良好的功能可配置性日益成为 IC设计的重要方法。 加减速控制是数控加工运动控制的重要组成部 分。数控加工过程中，进给起停、轨迹转换时的加减速 控制，是通过控制伺服电动机的输入信号(脉冲频率 或电压信号)按一定规律输出来实现的。对刀具运动 进行平滑的加减速控制，能保证伺服电动机不产生失 步，有效减小冲击和机械系统磨损，并能优化系统速度 和轨迹响应。 本文讨论了常用的加减速控制算法以及梯形、指 数加减速算法的硬件快速实现方法，并给出了按硬件 复用思想进行模块功能设计的加减速控制器及其基于 FPGA的硬件设计与实现。 1 常用加减速控制算法 按控制算法分，数控系统中的常用的加减速控制 曲线有：梯形曲线、指数曲线和s型曲线等‘2|。三种 加减速曲线如图1所示。 { ．五 图1常用加减速控制曲线 (1)梯形加减速控制曲线如图1中曲线①所 示。其数学方程式为 ，(t)=fo+at (1) 式中乒(t)为进给脉冲频率，厶为加减速起始进给脉冲 频率；口为加速度。设正为指令脉冲频率，则当工(t)≠ 工时，系统根据加速度进行加速或减速控制。梯形加 减速控制在加减速起点和终点存在加速度突变，速度 过渡不够平滑，但由于算法简单，仍得到广泛应用。 (2)指数加减速控制曲线如图1中曲线②所 示。其数学方程式为∞1骅：。-t／．，" 氏一{c j (2) ”。 式中，丁为加减速时间常数。当开始加速时(t=0)， 设起始进给脉冲频率fo=0；当￡_∞，将进入匀速运 行阶段；当减速降频开始，设输入指令脉冲频率为0， · 32 · 则起始进给脉冲频率等于原指令脉冲频率，即fo=正。 可得： 加速升频阶段乒(t)=工(1一e“”)(f：o_÷∞) 匀速运行阶段：，(t)=工(￡。∞) 减速降频阶段乒(t)=fce“7(￡：o斗∞) 与梯形加减速法相比，指数法平滑性好，运动精度 高，但在加减速的起点仍然存在加速度突变。由于指 数曲线与步进电动机的矩频特性曲线接近，因此指数 法是较好的加减速控制方法选择。 (3)S曲线加减速控制曲线如图1中曲线③所 示。 以加速阶段为例，s曲线加减速控制可划分为加 加速段(ab)、匀加速段(6c)和减加速段(cd)。S曲线 法能保证加速度的变化是连续的，从而可避免柔性冲 击。但是，s曲线加减速控制要实现多阶段和自动加 减速控制，参数调整不易，算法实现较为复杂，因此s 曲线加减速控制多用软件来实现。 2 基于FPGA的加减速控制器的实现 复用并不是一个新概念，类似软件复用技术。硬 件上的复用技术可提高设计能力、大大缩短产品上市 周期和降低成本。采用硬件描述语言实现的功能模块 可由用户修改，灵活实现所需功能芯片，适合数控各个 功能的实现。基于FPGA的硬件模块化设计流程如 下：对整体系统分析按功能模块化后，针对特定功能模 块进行设计建模，确定数学模型以及寄存器模型，然后 采用硬件描述语言将其设计为一个可重复使用、可裁 减的硬件模块。 考虑加减速控制器的通用性和可复用性，除了实 现加减速控制基本功能外，还需要实现位置控制(定 量脉冲控制)和自动加减速控制功能。由于伺服电动 机需要一定启动转矩，所以加减速控制需设置一起始／ 截止频率。指令脉冲低于此频率，则不进行加减速控7 制。此外，加减速控制器模块需考虑接口的统一性，以 方便与其它功能模块接口。 2．1 梯形加减速控制器实现 式(1)可改写为，(t)=fo+^。。￡／丁，其中，r为加减 速时间常数^。。为与加减速度等效的脉冲。 基于定时采样插补的数控系统是以一定的采样周 期T(即将t离散化为r、2r、3r、…、nr)对上述加减速 过程进行离散采样控制，因此可采用如下迭代计算实 现梯形加减速算法： fsi=五丁+∑厶。。木r 0瑙×÷ @端ZUU ‰ ∥ @’ ，年幂O M ˝ • ‰ ˚ 

Function UnilsofCNC Machines数控机床功能郜件 式中lSi为第i个采样周期的输出进给脉冲的分频值； Z为当前第i周期的进给脉冲频率。 若采用硬件方式实现式(3)，则其中的方程一可 用加／减法器和计数器来实现，方程二可用基于累加溢 出的任意分频器实现。图2为加入定量脉冲控制和自 动加减速控制功能后，梯形加减速控制器寄存器模型 图。其中，输入信号FData 1为指令脉冲设置值， FData2为加减速率设置值，Fs。为加减速起始／截止频 率设置值(即五r)，以上三个参数除以丁(累加分频器 决定)即为相应脉冲信号频率；PulseNum为指令脉冲 总数；CLK为参考时钟信号。 图2梯形加减速控制器寄存器模型图 图2中，位置处理模块根据指令脉冲总数，以及对 输入指令脉冲和输出进给脉冲的计数值，控制指令脉 冲的产生和进给脉冲的输出，实现定量脉冲控制。同 时，位置处理模块还需实现减速点位置判断功能。在 相同的加减速率下，减速点位置判断可用加速阶段累 计输出脉冲数等于减速阶段累计输出脉冲这一原理实 现。具体可设计一个可逆计数器，对输出的进给脉冲， 在加速阶段加计数，减速阶段减计数。当剩余输出脉 冲数小于此可逆计数器值时(i4条件)，加减速控制模 块即可强制进行进给脉冲减速输出控制。 加减速控制模块的自动加减速控制功能，通过设 计一个状态机来实现，其转换条件如图3所示。 图2中，累加分频器需单独实现，其寄存器模型如 图4所示。 累加分频器原理就是通过对输人数．s的累加不断 产生溢出脉冲，再通过占空比调整后输出脉冲频率信 号。设累加器位数为n位，可知输出脉冲频率fo=5／ 丁，下=2“织lk。 累加分频器一般取参考脉冲频率兀。为输出脉冲 频率五的4倍以上(最小2倍)，其产生的频率信号在 相邻脉冲周期之间存在最大1个参考时钟脉冲的误 囝尝ZUU等等 ，+月D m R．．。 ；’ 差。当工，。足够大时，此误差可忽略并由电动机本身惯 性所吸收。为了增强进给脉冲的驱动能力，还需对输 出脉冲进行占空比调整。 iI条件：五=瓜t)i2条件：工<且t) i3条件：工>删 i4条件：到达减速点位置 图3梯形自动加减速状态转换图 图4累加分频器寄存器模型图 基于硬件实现的梯形加减速控制方法，采样周期 T远小于基于软件定时采样的加减速控制方法，实时 性强，频率线性变化的连续性好，可减少柔性冲击，增 加伺服系统运行的稳定性。 2．2 指数加减速控制器实现 参考梯形加减速实现方法，指数加减速控制可以 采用迭代计算代替复杂的指数运算，算法如下： ”” f5i=厶r+∑(fo-A)T J k=S。×÷ r4、 一 指令脉冲控制 图5指数加弦速控制器寄存器模型图 ˝ • ‰ ˚ 

数控机床功能部件Funclion Unils ofcNcMachines 图6梯形和指数加减速控制器仿真波形 式中：S。为第i个采样周期的指令脉冲数与迸给脉冲 (PulseNum)和指令脉冲设置值(FDDatal)设置相同， 数之间误差的累加值；．^为第七采样时刻的进给脉冲 梯形加减速率(FDData2)设置为16，指数加减速率 频率莎为当前i采样时刻的进给脉冲频率。 由于丁=r／f,札，而累加分频器位数n一般为固定 (FDData2)设置为255，Close为指令脉冲控制信号， Stop为进给脉冲控制信号。由仿真波形图可知进给脉 值，所以可通过调节参考时钟工，。频率来调整指数升降 冲(Pulse)输出分别实现J，按梯形和指数变化规律的 速时间常数丁。指数加减速控制器寄存器模型如图5 所示。 图5中输入信号定义同梯形加减速控制器。当 FDatal设置一定的分频值，累加分频器1输出对应频 率指令脉冲。每输出一个指令脉冲值，指令脉冲计数 器加1，与此同时，每送出一个进给脉冲，，进给脉计数 器加1，两计数器的差值加上起始频率数FS。后输出 si。s。送累加分频器3累加，当累加器有溢出时，输出 进给脉冲．f。 自动加减速控制以及定量脉冲控制功能。 4 结语 基于硬件复用技术的Ic设计方法具有开发设计 周期短、风险低、系统集成度高、功耗低等优点，将是芯 片设计的主流方向。开放式数控系统中，研究实现能 硬件复用的加减速模块以及相关功能模块，利用可编 程逻辑器件的可重构能力，能按需求灵活实现功能全 定制的运动控制芯片。 上述指数加减速控制硬件快速实现算法本身实现 了自动加减速控制。同时由于算法已用到了对指令脉 冲和进给脉冲的累加计数，因此配合输入指令脉冲总 数(PluseNum)即可实现定量脉冲控制。指数加减速 本文设计了数控系统中的单轴梯形和指数加减速 控制器。在此基础上，只需扩展相应个数的加减速模 块即町实现多轴联动加减速控制。为保护知识产权， 还可用Xilinx公司ISE开发环境自带的IP核生成工 硬件实现算法比梯形加减速控制算法的实现还简单。 具生成IP软核，可供设计时灵活调用。 3 设计仿真与功能验证 为实现上述梯形和指数加减速控制算法，采用 Verilog语言编程，用ModelSim进行功能仿真并在基于 Xilinx公司SpartanⅢXC3S200一FT256芯片的Digi— lent Spartan一3开发板上进行了功能验证。SpartanⅢ XC3S200芯片，采用90 nm技术，具有4 320个逻辑单 上述加减速控制器已在笔者所在部门研制的基于 PC的开放式三维雕刻机数控系统中得到应用。 1 MCX314 User§Manual WWW novaelec．corll cn 参考文献 2 丛爽，李泽湘实用运动控制技术，北京：电子工、【k出版社，2006． 3 康健，陶涛，梅雪松．基于数字信号处理器的指数加减速算法仿真． 系统仿真学报．2003，15(5)：678～680 4 王文，秦必，陈子辰基于可编程逻辑器件的可重构数控系统研究． 元，200 k系统门，并集成有12个18位乘法器¨J。 计算机集成制造系统CIMS 2002，8(7)：555～569 限于篇幅，本文不再给出相关Verilog源程序和详 细原理图。按上述方法设计的梯形和指数加减速控制 器的ModelSim仿真波形如图6所示。仿真环境中，两 种加减速控制器的起始速率(SSpeed)、指令脉冲总数 5 Xilinx．Spartan一3 FPGA Family：Complete Data Sheet April 26， 2006 (编辑徐洁兰) (收稿日期：2006—12—29) 文章编号：7614 如果您想发表对本文的看法，请将文章编号-：tlt入读者意见调查表中的相应位置。 —塑箩型ZU爨91；嚣8 R；i扩 +月o M ˝ • ‰ ˚