基于FPGA精插補方法改進

王金領 盧 鷗

(海天塑機集團有限公司技術中心，浙江 寧波 315800)

在數控系統中，各個運動軸的插補算法是運動控制的核心之一，良好的插補算法是設備加工精度、運行平穩的關鍵因素。

數控系統的插補實現一般有兩種方式：(1)“一次插補法”，又被稱為“基準脈沖插補”。這種插補算法實現比較簡單，所有的插補運算全部由一個CPU實現，在每次插補運算中每個進給軸只能產生一個脈沖，所以無論怎樣改進插補算法，其產生的脈沖頻率都會受到CPU頻率的限制。并且因為采用單CPU工作方式，如果CPU占用率過高，任務調度開銷嚴重，還會出現脈沖頻率波動現象。(2)“二次插補法”現代中高檔數控系統基本采用了二次插補方式，該算法采用兩塊CPU分別進行粗插補和精插補，粗插補CPU一般由ARM或DSP擔任，實現加工代碼譯碼、速度控制、粗插補等運算；而精插補一般是采用FPGA實現，這是利用了FPGA超強的并行運算能力，可以同時處理多個運算。

由于二次插補方式的這些優點，所以現代系統基本都是采用該方式實現運動插補。

1 傳統FPGA精插補實現方法

傳統的FPGA精插補方式一般采用除法運算，在每個插補周期開始時，由一次插補周期內FPGA的時鐘數Clocks除以該周期需要輸出的脈沖數Pulse，從而得到每產生一個脈沖需要間隔的時鐘數Period，即:

Period=Clocks÷Pulse

(1)

如果Clocks能夠被Pulse整除，則該除法算式不會產生余數，按照每Period個FPGA時鐘產生一個脈沖輸出，則在一個插補周期結束時，就會產生Pulse個脈沖輸出。但是在Clocks不能夠被整除時，則會產生余數，如果這時候仍然按照每間隔Period個時鐘周期產生一個脈沖輸出，則有可能在一個插補周期結束時，產生超過Pulse個脈沖的輸出。

若要解決這個算法存在的問題，一般是在脈沖輸出部分添加一個積分電路，將每次的余數計入積分器，在積分器數值達到Period脈沖時，進行一次脈沖輸出的修正，從而達到最終輸出Pulse個脈沖的目的。

雖然能夠輸出正確的脈沖個數，但是在脈沖修正的過程中，必然會造成輸出脈沖頻率的變化，從而會導致設備進給速度的變化，可能會造成設備的抖動或者刀具紋路的變化，從而降低了設備的加工精度。

2 FPGA精插補算法的改進

為了解決傳統FPGA精插補算法的缺陷，產生理論上完全均勻化的脈沖輸出，對傳統精插補算法進行了改進。在每個插補周期開始時，利用同步時鐘將脈沖累加器Sum清零，在以后的每個FPGA時鐘將累加器的值加上插補周期需要輸出的脈沖數Pulse，然后判斷累加器的值是否超出插補周期內FPGA的時鐘周期數Clocks/ 2，若是則產生一個脈沖的上升沿，如果累加器的值超出Clocks，則產生一個下降沿輸出，同時將Sum值減去Clocks。這樣在一個插補周期內累加器的累加值每次累加Pulse，共計累加了Clocks次，在不考慮溢出的情況下總的累加值為

Sum=Pulse×Clocks

(2)

由此可以算出，累加器一共溢出了Sum/Clocks次，也就是Pulse次，也就產生了一個占空比為50%，脈沖數為Pulse的脈沖。并且是誤差值在一個FPGA時鐘周期之內的理論上最佳均勻化的脈沖輸出。

該算法只采用了加法運算，并且不需要前置處理，僅僅利用加法產生的Sum值與Clocks比較作為脈沖的輸出信號，就產生了均勻化的脈沖輸出。大大提高了FPGA的執行效率和算法的簡便性。

3 新插補算法的功能擴展

除了良好地實現了均勻化脈沖輸出的目的，該算法還可以靈活地進行一些功能擴展。

3.1 波形相位移動

有時要求輸出波形的起始脈沖為高電平輸出或低電平輸出，或者要求首脈沖要進行相位移動以滿足驅動設備的要求。

若要實現以上要求，只需要根據不同的要求設置脈沖累加器Sum的初始值，初始值越大，則波形的相位向左移動，初始值變小，則波形的相位向右移動。只要設置合適的初始值就可以得到不同相位的輸出脈沖，并且產生的仍然是準確的、均勻化的脈沖輸出。

3.2 波形倍頻輸出

當需要精插補產生N倍的輸出脈沖時，只需要將累加器每次的累加值乘以N就可以產生N倍Pulse的脈沖輸出。并且產生的仍然是準確的、均勻化的脈沖輸出。

3.3 可調占空比PWM輸出

在數控系統的模擬輸出方式或者一些需要DA輸出的場合，可以將PWM波輸出端加濾波電容，產生模擬量的輸出。模擬電壓的高低可以由PWM的占空比控制，PWM的占空比越高，則濾波產生的電壓越高；PWM的占空比越低，則濾波產生的電壓越低。

模擬輸出電壓值Vo、和脈沖輸出高電平的電壓VDD以及PWM占空比R之間的關系為:

Vo=VDD×R

(3)

若要產生可調占空比的PWM波形輸出，首先計算出需要進行上升沿輸出的累加器值PP:

PP=Clocks×(1-R)

(4)

與產生占空比50%脈沖的相比，累加器仍然在每個FPGA時鐘累加Pulse，只是不再判斷累加器的值是否大于等于Clocks/ 2，而是判斷累加器的值是否大于等于PP，若是則產生一個脈沖的上升沿，如果累加器的值超出Clocks，則產生一個下降沿輸出，同時將Sum值減去Clocks。這樣就會產生一個占空比為R，每個插補周期內輸出脈沖個數為Pulse的PWM波形。

這種PWM波不僅可以調頻，而且可以調整輸出的占空比，具有非常廣泛的應用范圍。

4 結語

本文介紹了一種FPGA精插補的實現算法，在實現了理論上的均勻化脈沖輸出外，并且顯著降低了FPGA代碼的復雜度。并且該算法還可以方便地進行輸出脈沖的相位平移、輸出脈沖的倍頻輸出以及輸出可調占空比的PWM波，具有非常廣泛的應用范圍。

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