FPGA_ASIC一种高精度运动控制器IP核设计与实现.pdfVIP

一种高精度运动控制器IP核设计与实现 闫永志 王宏 杨志家 刘鹏 (中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016) (中国科学院研究生院，北京 100039) 摘 要：本文提出了一种运动控制器软 IP 的设计方案，该控制器可以控制 4 个轴的步进电机或数字伺服电 机，可以进行各轴独立的定位控制、速度控制，也可任选 2 轴或 3 轴来进行直线、圆弧和位模式插补。文 中介绍了其系统结构、基本功能和插补算法。设计最终形成软IP 核，并在 Xilinx 公司的 Vertex2 系列 FPGA 中予以实现和验证。 关 键 词：运动控制 插补 IP ASIC FPGA 中图法分类号: TN4 文献标识码：A Design and Implementation of High Precision Motion Controller IP Yongzhi Yan1,2 Hong Wang1 Zhijia Yang1 Peng Liu1 1 ( Shenyang Institute of Automation , Chinese Academy of Sciences, Liaoning Shenyang, 110016) 2 ( Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100039) Abstract: This paper designs a motion controller soft IP, it can control 4 axes of either stepper motor or pulse type servo drivers for position, speed, and interpolation. Any 2 or 3 axes can be selected to perform linear, circular, and bit pattern interpolation. We describe structure, function and interpolation arithmetic of the motion controller. Finally, the montion controller soft IP is implemented and verified in Xilinx Vertex2 FPGA. Key words: motion control interpolation IP ASIC FPGA 1 引言 随着计算机、控制理论、微电子等技术的迅速发展，运动控制技术取得了巨大的进步， 已成为推动新的产业革命的关键技术。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速 度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动[1] 。早期的 运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术发展而来的。近年来， 随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品， 已经应用在越来越多的产业领域中。 目前基于PC(Personal Computer)总线的以DSP(Digital Signal Processing)或专用运动控制 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)作为核心的开放式运动控制技术已经成为主流。 将 PC 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在 一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点[2] 。本设计 使用 verilog 硬件描述语言设计了一种带有通用的 PC 机总线接口的运动控制器软 IP(Intellectual Property)核，并通过 FPGA(Field Programmable Gate Array)予以实现和验证。 2 系统结构和基本功能 本设计是一个用于实现 4 轴运动控制的控制器，通过这个控