基于FPGA的五轴联动控制器的设计

凌 松，骆敏舟，王善杰

（1.常州大学，常州 213000；2.常州先进制造技术研究所，常州 213000；3.合肥工业大学，合肥 230022）

基于FPGA的五轴联动控制器的设计

凌 松1，骆敏舟1，王善杰3

（1.常州大学，常州 213000；2.常州先进制造技术研究所，常州 213000；3.合肥工业大学，合肥 230022）

0 引言

在机器人运动控制系统中，要求机器人沿某一指定轨迹运行时，必须将轨迹分割成许多小段，通过求解各个中间点的逆运动学方程，计算出一系列的关节角度，控制器根据得出的每个时刻的关节量驱动各轴电机联动，以保证准确的经过所有中间点。一般伺服电机和步进电机的驱动器采用脉冲加方向的控制模式，脉冲的数量对应运行位置，脉冲频率对应运行速度，所以多路脉冲的输出控制，成为多轴联动的关键技术之一。

在文献[1,2]中，作者主要是利用DSP的PWM模块来实现多路脉冲的输出以达到多轴联动，经过分析得出，采用这种方法，需要占用DSP的内部资源，降低了处理速度，而且输出的脉冲频率范围窄，分辨率不高。

本文以控制5路步进电机为例，采用现场可编程门阵列（FPGA）利用直接数字频率合成(Direct Distal Frequency Synthesis，DDS)算法实现了的5路脉冲输出，并设计了SPI接口与DSP芯片通讯。这种方案有效减轻了控制系统中DSP的负担，而且实现了较高分辨率的脉冲输出，提升了多轴联动的效果。

1 总体设计方案

系统主要由三个部分组成，如图1所示。DSP采用TI公司的TMS320F28335芯片，主要用于空间轨迹的规划计算，通过求解逆运动学方程，得出各个轴在不同时刻的位移量，然后再转换成脉冲的数量和频率，通过通信口发送给FPGA处理。FPGA用的是Altera公司的EP2C5T144C8N芯片，通过设计SPI通信模块，接收DSP的脉冲信息，然后通过脉冲生成模块完成对5路脉冲数量和频率的控制。步进电机为三相混合电机，驱动器型号为斯达特的MSa-3H110M，设置为脉冲加方向的控制模式。

图1 总系统框图

2 多轴联动的设计

本文通过对利用DSP的脉冲模块生成脉冲的方法与采用DDS算法生成脉冲的方法进行了介绍和比较，阐明了后者控制算法的优越性。

2.1 基于DSP的多路脉冲的控制

TMS320F28335有多达6路独立的PWM模块，可以同时产生6路独立的PWM。PWM频率是由周期寄存器TBPRD和计数器模式决定的，现将PWM模块工作于增计数模式。每步增加时间由时基时钟TBCLK决定，TBCLK由系统时钟SYSCLKOUT标定，系统时钟SYSCLKOUT设置为150MHz。

由DSP芯片手册,见参考文献[3]，可得在增计数模式下PWM频率的计算公式：

其中，SYSCLKOUT=150000000，寄存器HSPCLKDIV设为1，寄存器CLKDIV设为64，整理后得：

由公式（3）可知更改寄存器TBPRD就可以改变PWM频率。

表1给出了生成PWM频率的范围。周期寄存器TBPRD是16位寄存器，能表示的十进制的范围为0-65535，超出这个范围的频率无法产生。并且当忽略小数部分的时候，会影响输出频率的精度。从数据结果可以得出，由PWM模块生成的脉冲频率范围很窄，在当前寄存器配置情况下频率范围在30Hz和500KHz之间，这样就带来了电机调速的局限性，只能在很小的范围内进行调速。

从表1格数据可以看出在35Hz到3000Hz之间PWM的分辨率较高，精度大于1Hz，而在频率相对较高的时候（10KHz以上），分辨率很差，步进频率大于5Hz，在多轴联动的情况下，容易产生某个运动轴运动过快或者过慢，造成机械臂的抖动。

从上述结果可以得出，由DSP芯片生成的PWM脉冲频率范围和分辨率不理想，实际使用范围有限。

2.2 基于FPGA的多路脉冲的控制

采用DDS算法实现了多路脉冲的发生功能，同时设计了SPI通讯接口和通信协议完成对脉冲的控制。

表1 生成频率与周期寄存器值对照表

2.2.1 DDS算法实现

DDS是用于频率合成的一种方法[4]，在给定时钟脉冲的驱动下，相位累加器和频率控制控制字进行累加运算，然后将结果作为下一次的输入值,其原理图如图2所示。相位累加器的溢出的频率就是所合成信号的频率，通过改变累加寄存器的计数步长就可以更改输出波形的频率。

图2 DDS原理图

合成信号的频率f和和频率控制字K满足以下函数关系式：

本文中FPGA的输入时钟为50MHz，为了产生步进为1Hz的脉冲频率，现在将累加寄存器N计数最大值设为50M，当K=1时，DDS频率分辨率的1/N。

采用Verilog HDL语言设计程序如下：

上述程序是用于产生单路脉冲的方法，可以看出采用DDS算法生成脉冲的程序编写简单。多路脉冲只需要在单路的基础上复制和稍加修改就能实现。其中,改变data_memory的值就能实现脉冲频率的改变，数值每增加1，相应的脉冲频率就增加1Hz，即脉冲步进为1Hz，能够实现高分辨率的脉冲输出。通过对cnt11的读取就能得出已发出的脉冲数量，实现对脉冲数量的控制。

2.2.2 SPI模块的设计

为了让DSP能够实现对脉冲频率和数量的控制，需要在FPGA上设计通信模块和相关协议。SPI的通信简单，只需4根线就能完成全双工、高速、同步的通讯[5]，非常易于在FPGA上实现。SPI总线的的时序如图3所示。

图3 SPI时序图

最终采用Verilog HDL语言编写完成后的SPI模块如图4所示。

图4 SPI模块框图

其中，SCK为SPI时钟；SDI为数据串行输入端口；SDO为数据串行输出端口；CS为片选信号；R/W为读写信号；DATA为输出寄存器，用于将接收到的数据发送给脉冲产生模块处理。SPI模块接收完一个完整的数据包后，还需要将脉冲数据存入对应的脉冲产生模块的寄存器中。

通信协议可以自定义，只需将每个轴的脉冲频率、数量和方向按自定义格式放在SPI总线上发送即可，FPGA就能根据协议进行数据分析，控制各轴的脉冲输出。

3 实验结果

实验中利用DSP芯片通过SPI总线发送5路脉冲的频率和数量的信息，利用示波器观察FPGA输出的波形（如图6所示）。发送协议如图5所示，依次发送的是从第一个轴到第五个轴的脉冲数量和频率。

表2 脉冲输出对照表

图5 SPI通讯协议

从表2可以观察出，控制器能够准确解析通信协议，实际输出的脉冲与理论要求的值吻合。并且输出脉冲在1Hz～50KHz范围内，波形特性良好，可以满足电机联动控制的要求，如图6所示。

图6 五路联动步进脉冲信号

4 结论

本文主要研究了基于FPGA实现多路脉冲的输出控制，为多轴联动提供了硬件基础，可以让上位机专注于运动控制算法的处理，无需操作底层的脉冲输出，提升运动控制系统的运行效率，并在实际中得到很好的应用。

[1]许贤泽,喻佳,张立英.步进电机多轴联动DSP控制系统研究[J].机电产品开发与创新,2005,18(5):110-112.

[2]童勇鑫.基于TMS320F2812的模拟数控系统[J].机械,2008,35(11):68-69.

[3]Texas Instruments.Digital Signal Controller (DSC)[DB/OL].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/sm320f28335.pdf.

[4]杨秀增.基于FPGA和DDS的信号源设计[J].电子设计工程,2009,17(11):7-8.

[5]华卓立,姚若河.一种通用SPI总线接口的FPGA设计与实现[J].微计算机信息,2008,24(17):212-213.

The design of 5-axis coordinate controller based on FPGA

LING Song1, LUO Min-zhou2, WANG Shan-jie3

在机器人运动控制系统中，利用脉冲增量法进行多轴联动控制时，需要在运行过程中实时改变

各轴伺服电机的脉冲数量和频率，以保证机械臂能够准确经过期望路径点。本文利用FPGA芯片，采用DDS算法实现了高精度5路脉冲的产生，并且设计了SPI接口和通讯协议与DSP主控芯片通信，完成了5路脉冲的实时控制。文中通过对比直接采用DSP芯片内部PWM模块来生成多路脉冲的方法，从产生的脉冲频率精度，范围以及控制方式上，阐明该控制方法的优势。最后采用Altera公司的EP2C5T144C8N搭建了硬件控制实验平台，实现了对五个步进电机的联动控制。

FPGA，DDS算法；步进电机；多轴联动

凌松（1986 -），男，江苏常州人，硕士，主要研究方向为机器人和嵌入式系统。

TP271

A

1009-0134(2014)06(上)-0138-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).39

2014-03-11