精密運動控制方法在球面打標機中的應用研究

姚 遙，王少輝，程鐵漢

（1.周口師范學院 物理與電子工程系，河南 周口 466001；2.河南平高電氣股份有限公司 河南 平頂山 467000）

精密運動控制方法在球面打標機中的應用研究

姚 遙1，王少輝1，程鐵漢2

（1.周口師范學院 物理與電子工程系，河南 周口 466001；2.河南平高電氣股份有限公司 河南 平頂山 467000）

針對國家對鋼印標記的要求和現有球面打標機在打標精度、速度方面的不足，提出一種基于FPGA（現場可編程邏輯門陣列）的步進電機伺服控制器設計。設計中采用了改進的比較積分法和S型加減速控制方法，并對可能產生的誤差進行了研究和解決。實驗結果表明，該控制器可以有效的提高打印標記的精度和速度。該控制器已成功應用于球面打標機中。

球面打標機；現場可編程邏輯門陣列；比較積分法；S型加減速；誤差分析

高壓容器鋼瓶按國家標準規定在出廠前必須進行嚴格的質量檢查。《氣瓶安全監察規程》（2000版）第二章第12條規定：氣瓶的鋼印標記是識別氣瓶的依據，鋼印標記必須準確、清晰，并對鋼印的位置和內容進行了詳細的規定[1]。打標機的控制器的性能的優劣直接影響打印質量，目前控制器核心主要由單片機實現，通過單片機收發打印指令、指令運算、生成步進脈沖，單片機的工作是相當繁重的，提高打印速度就容易產生掉筆、缺字現象，不符合標準規定。廖欣[2]提出采用基于FPGA的PCI伺服控制卡實現步進電機控制器，但其核心算法采用的是梯形加減速控制算法，打印速度較低，生產效率不高。本文采用FPGA作為打標機的控制核心，核心算法采用改進的比較積分法和S型加減速控制方法，能夠在提高打印速度的情況下達到打字準確、清晰、不掉筆、缺字。

1 FPGA控制器設計

本球面打標機控制器的FPGA采用了ALTERA公司的Cyclone系列產品EP1C3和QuartusII集成開發環境。Cyclone系列是ALTERA中等規模FPGA，EP1C3有2 910個邏輯單元，支持接近5萬門的設計，內嵌RAM共59 904 bits，可配置為用戶程序RAM，也可以配置為雙口RAM或FIFO存儲器，完全滿足系統的設計要求[3]。

FPGA功能總體設計框圖如圖1所示。

圖1 FPGA功能框圖Fig.1 FPGA functional block diagram

整個FPGA模塊采用VHDL開發[4]。各模塊功能簡述如下：

核心控制器主要負責將存儲器中的數據讀出，然后分發到插補器和升降頻控制器中；處理外部反饋信號，并生成特定的反饋數據格式通過總線發送到主機。同時根據插補器的完成狀態，給出內部控制信號，協調各個模塊的工作。在前一條指令讀出后，如果數據存儲器內還有指令，則將該指令讀出，在前一條指令執行完成后，馬上開始執行。核心控制器中還包含多個狀態寄存器，在各種事件發生后將其置位，以便主機獲取狀態。

加減速控制器負責按照核心控制器從數據指令中給定的初始速度和末速度給出步進脈沖，送插補器作為參考輸出脈沖。

插補器的作用是根據核心控制器提供的信號，分別選通各個軸的輸出脈沖，最終實現插補脈沖輸出。

位置反饋是將本地的輸出脈沖計數，得到打印頭當前位置，通過核心控制器可以將打印頭位置讀到主機上。

2 運動控制方法

運動控制系統中，控制方法對于其實現不同的性能要求起著關鍵的作用。在FPGA中的控制方法主要包含插補運算和加減速控制兩部分，下面對其分別進行闡述。

2.1 插補運算

球面打標機在實際加工中有自由曲線、曲面、方程曲線和曲面體構成的復雜零件輪廓，還有一系列實驗或經驗數據表示的、沒有表達輪廓形狀的曲線方程的曲線，理論上，應該保證針頭中心軌跡應與零件輪廓形狀一致，但實際上，筆者只能通過一系列的直線或圓弧去逼近它。

插補的任務就是根據進給速度的要求，在輪廓起點和終點之間計算出若干個中間點的坐標值。由于每個中間點計算所需的時間直接影響系統的控制速度，而插補中間點坐標值的計算精度又影響到系統的控制精度，所以插補算法對整個系統的性能指標至關重要。

按照運算方式分，常用的插補方法有：逐點比較法、數字積分法、時間分割法、數字脈沖乘法器法、比較積分法等。不管是以哪一種方式實現插補，其基本原理都是相同的。在現場應用中，選取何種插補運算方法，可以用算法簡便程度、插補精度高低、執行時間長短來評價。

本設計中在PC機上已經將曲線分段，得到每段直線各軸的步數、方向和速度。在已知直線運動步數的情況下，按照設定速度產生一個基準參考脈沖，各軸需要的脈沖從該參考脈沖中提取。為在FPGA中方便運算，所有的速度都轉換為周期數（本設計中采用的是100 ns的整數倍）進行運算。這樣，就能很容易產生給定頻率的脈沖。文中采用的是改進的比較積分法[2]適合FPGA運算，單軸算法實現框圖如圖2所示。

在系統時鐘的控制下，每當檢測到一個參考脈沖的邊沿，就啟動一次該算法。參考脈沖根據當前的輸出脈沖周期決定。在所有的軸都完成運動指定步數后結束整個算法。從圖中可以看出，每一路算法相同。該算法優于普通數字積分算法在于插補脈沖都是均勻的輸出，這對于直線運動時的平穩度很重要。另一個優點在于適合FPGA運算，因為它避開了非常耗資源的乘除法運算，只有加減法運算，并且可以很方便地擴充為多路插補運動，而VHDL程序只需要很小的修改。

圖3是兩路插補輸出的SingalTap波形，分別輸出9、5個脈沖。

圖2 直線插補算法Fig.2 Linear interpolation algorithm

圖3 兩路插補SingalTap波形Fig.3 Two-way waveform interpolation SingalTap

從圖中可以看出，插補點正好均勻分布，達到插補要求。

2.2 加減速控制

打標機做直線運動最復雜的就是電機的加減速控制，為了防止電機失步，不能直接發送給定頻率的脈沖，需要有加速和減速的過程。加減速控制有兩種方法，梯形方法和S型方法。如圖4所示，梯形方法是采用恒定加速度，S型方法是采用變加速度和恒定加速度的2次加速方案。

圖4 加減速控制曲線Fig.4 Acceleration and deceleration control curve

傳統梯型加減速實現簡單，計算方便，適用于低速、低精度要求的場合。但是在變速點存在速度突變，對系統造成柔性沖擊，不適用于高速、高精度要求的場合。S型加減速控制方式速度過渡平滑，加速度與加加速度變化平穩，提高了高速打標系統的柔性，適用于高速、高精度要求的場合，所以本設計采用的是S型加減速控制方法。程序框圖[5]如圖5所示。

圖5 S型加減速程序框圖Fig.5 S-type acceleration and deceleration block diagram

實驗得到，利用梯形加速，電機從速度0加速到頻率200 kHz，加速時間最短在0.4 s左右，而用S型可以在不到0.1 s內成功啟動。

圖6是兩路插補加速輸出的SingalTap波形。

圖6 S型加速插補SingalTap波形Fig.6 S-type acceleration waveform interpolation SingalTap

圖中第一個波形就是參考脈沖輸出，后面兩個分別是插補兩個軸的輸出脈沖。明顯可以看出輸出頻率不斷增加，實現的加速功能。

3 系統誤差

系統的誤差主要是從系統的運行過程來進行分析的，具體體現在打印標記的輸入、打印指令的形成、數據傳輸、數據處理以及電機驅動的各個環節[6]。由于打印標記的輸入環節是圖形界面部分，圖形算法已經比較成熟，校正比例為double型，因此在此處存在的誤差在系統可接受范圍；數據傳輸過程認為是比較理想的，不會出現誤差，即使出現問題，那也將是錯誤，而非誤差；數據處理部分的FPGA在數字信號處理能力方面是相當成熟的，若出現誤差也是在合理的范圍內；因此，可校正的誤差主要集中在由圖形標記轉化為指令格式的指令形成階段。

在伺服機構（步進電機、驅動器和傳動裝置）確定的情況下，可以計算出步進電機在每個脈沖下帶動針頭所運動的確切距離，稱為最小步進距離。在形成運動數據指令時，先計算運動下一點到當前點的實際距離，然后除以最小步進距離得到的就是實際運動的步數。但由于運動步數只能是整數形式，必然存在著最大的±1最小步進距離的誤差。如果數據處理出來的每個指令都忽略這個誤差，將會使累積誤差增大，甚至影響打印效果。

在本設計中，每生成一條數據指令后，以實際計算的步數再乘以最小步進距離來確定當前的實際位置。這樣，理想情況下的實際針頭位置和軟件上記錄的實際位置只相差±1個最小步進距離，從而消除了累積誤差。

4 結束語

本控制器充分利用FPGA的高速并行處理能力，在開放式數控中能夠發揮出較好的運動控制性能。實際性能：在40 MHz的時鐘頻率下，實現0.1 μm的插補精度，可達到4～5字符/秒的打印速度，性能好于以前的控制器。出于環保和經濟的考慮，燃氣汽車越來越多，天然氣的承裝必須用鋼瓶，因而該控制器有著廣泛的應用前景。

[1]國家質量技術監督總局.氣瓶安全監察規程[S].北京：技術標準出版社，2000.

[2]劉曉明，廖欣，熊東，等.基于FPGA的高速PCI伺服卡的實現[J].自動化與儀表，2008（1）:45-49.

LIU Xiao-ming，LIAO Xin，XIONG Dong，et al.Realization of high speed PCI servo control card based on FPGA[J].Automation and Instrumentation，2008（1）:45-49.

[3]Silicon Laboratories.CP2102 Data Sheet[EB/OL].（2004）http://www.silabs.com.

[4]侯伯亨，顧新.VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計（修訂版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，1999.

[5]陸悅，張峰，賀超.基于FPGA的直線插補器的研究與設計[J].電氣自動化，2010，32（1）:27-29.

LU Yue，ZHANG Feng，HE Chao.Design of line interpolator based on FPGA[J].Electrical Automation，2010，32（1）:27-29.

[6]劉曉明，姚遙，王泉，等.鋼瓶刻印機刻印算法及應用研究[J].自動化與儀表，2009（3）:50-56.

LIU Xiao-ming，YAO Yao，WANG Quan，et al.Research of the algorithm and application of cylinder mark printer[J].Automation and Instrumentation，2009（3）:50-56.

Research on applications of precision motion control method in spherical marker

YAO Yao1， WANG Shao-hui1， CHENG Tie-han2
（1.Physics and Electron Engineering Department，Zhoukou Normal University，Zhoukou466001，China；2.Henan Pinggao Electric Co.Ltd.，Pingdingshan467000，China）

For the requirements of the state to Cylinders marked and the shortage of sphere mark printer in marking accuracy and speed，a design of stepper motor servo controller based on FPGA （field programmable gate array）is proposed.Improved compare integration method and S-shape acceleration/deceleration control algorithm are used in the design，and possible errors are studied and resolved.Experimental results show that the controller can effectively improve the accuracy and speed of marking.The controller has been successfully applied in the sphere mark printer.

sphere mark printer； field programmable gate array； compare integration method； S-shape acceleration/deceleration；error analysis

TP273.5

A

1674－6236（2012）03-0109-03

2011-12-16 稿件編號：201112097

周口師范學院青年科研基金項目（zknuqn201133B）

姚 遙（1984—），男，河南周口人，碩士研究生，助教。研究方向：信號與信息處理系統設計。