基于FPGA技术的高速数控DDA插补器的设计与研究_陆俊 圆弧插补
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合的方 法 进 行 编 程, 实 现 了 基 于 FPGA 技术 的 高 速 数 控 DDA 插 补 器。 选 用 Cyc lone 系 列 的
EP 1C3T144C8芯片设计数字积分法插补器, 通过 QUARTU S 9 0 软件进行编译仿真。实验数据分
析表明在 40MH z的时钟频率下, 实现 0 1 m 的插补精度, 理论上可达到 60m /m in的插补进给速度。
DDA 法的插补误差较大, 大于 1个脉冲当量。减 少 DDA插补误差的措施通常有减小脉冲当量和采用 余数寄存器预置数两个方法。减小脉冲当量会降低 插补速度, 余数寄存器预置简单易行。设置余数寄存 器预置数常用的有两种: 全加载和半加载。半加载是 指在插补运算前余数寄存器 JRx、JRy 中初值不为 0, 而 是预先装入了 2i- 1, 即最高位为 1, 其他位为 0。半加载 可使直线误差减小到半个脉冲当量以内, 圆弧的径 向误差在 1个脉冲当量以内, 本文设计采用半加载余 数寄存器预置法。
e lsif line= 0' 'then
为圆弧插补
ห้องสมุดไป่ตู้
if y ichu = 1' 'then
有溢出产生
if arc= 1' 'then
是顺圆弧
count_ int < = count_int + q; 在初始值上加修正值 q
e lse
不是顺圆弧
count_ int < = count_int - q; 在初始值上减修正值 q
进行分析发现, 经过半加载后的插补模块的误差皆 小于 1, 插补精度明显提高了, 也到达了预期的效果。
2 5 积分器模块
积分器模块是该插 补器的核心模块, 由累加器 和被积寄存器 组成。当插补时钟脉冲到来, 终点坐 标值或 X、Y 的即时坐标值向累加器累加一次, 如果 累加器有溢出, 则在相应方向输出进给一 步。本文 设计的积分器由时序发生器来进行控制, 保证了整 个精插补运算的时序脉冲输出。积分器实际上是通 过 16位加法器的累加来实现的, 经过修正后的各轴 数据和余数寄存器中的数据通过加法器不断的进行 累加运算, 累加结果再送入余数寄存器, 反复上述过 程直至积分运算结束。加法器是整个积分器的核心 模块, 其实现 16加法器的主要 VHDL 程序如下:
可以分成无穷多个小区域 t, 当 t足够小时, m 个 t
的和等于 T i - T 0。面积约等于 m 个长方形小面积之
m- 1
m- 1
和, 即 S = X i t = t
X i。取 t = 1, 则 S =
i= 0
i= 0
m- 1
X i。这样, 可以采用两个寄存器和一个全加器构成
i= 0
积分器。
图 1 数字积分法的原 理图
end if
e lse
没有溢出的话
count_ int< = count_ int;
数据不变
end if
2 4 余数寄存器预置
本设计中的预置数 采用半加载方式, 即把两个
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控制与检测
组合机床与自动化加工技术
寄存器的最高有效位置 1。只要把 load加载信号接 到两个寄存器的数据输入端的最高位即实现这两个 余数寄存器的半加载。对起点为 ( 0, 6) 终点为 ( 6, 0) 的顺圆弧 进行时序 仿真, 得到的仿 真图 3, 4 如下。 通过时序仿真图可以 得到圆弧的插 补轨迹图 5, 6。 对未加载和半加载的插补电路时序仿真图和轨迹图
0 引言
现在工业发达国家都把生产高速、高精度加工 机床作为其重要的发展目标, 其生产能力和技术水 平已经成为 衡量一个 国家制 造技术 水平的 重要标 志。为此, 新一代高速化、高精度化和开放化的现代 数控系统将成 为今后 的发 展趋 势和 研究重 点。目 前, 数控系统 的插补算法一般是由微处理器结合软 件来实现的 ( 即软件插补器 ) , 其插补速度受到微处 理器速度的限制, 难以实现高速、高精度的控制。而 基于 ASIC ( A pplicat ion Spec ific Integrated C ircuit) 的 插补器功能固定, 难以扩展和重构, 电路设计复杂,
D esign and Research of H igh-speed DDA In terpolator Based on FPGA LU Jun, CHEN A n-m ing
( Nan jing Un iversity of Sc ience and T echno logy Schoo l Of M echan ical Eng ineering, Jiangsu 210094, Ch ina) Abstract: This paper introduces the high-speed DDA hardware-interpo lator based on FPGA. Th is interpolator is programmed by VHDL(Very h igh speed in tegrate circuitHard D escription Language) and Block D iagram& Schematic File, and realized through FPGA. The EP1C3T144C8 ch ip of Cyclone series is selected to design DDA interpolator, and functionally simulated by QUARTUS 9. 0 tools. Experimen tal date analysis show s that in the 40MHz frequency it can realize 0 1 m in terpolation accuracy, and the in terpolation feed rate can reach 60m /min in theory. In th is design, the in terpolator can be comb ined w ith the host computer in to a motion con trol system w hich has the function of rough and fine in terpolation, so as to realize the motion control of any high-speed、high-precision straigh t line and comp licated arc. K ey w ord s: high-speed CNC; Field P rogrammab le Gates A rray(FPGA ); Very h igh speed in tegrate circu it Hard D escription Language(VHDL); D igital d ifferen tial analyzer (DDA ); hard-interpolator
1 2 DDA 插补质量的改进方法介绍
1 2 1 左移规格化 左移规格处理: 直线插补时, 被积函数寄存器中
存放的最高位为 1时称为规格化数, 规格化数累加两 次必有溢出, 因此直线插补时左移规格化处理能加 快溢出速度, 提高切削加工的效率。圆弧插补的左移 规格处理与直线的基本相同, 只是此时被积函数寄 存器中存放的次高位为 1时就称为规格化数了, 以保 证修改被积函数时不致直接导致溢出。 1 2 2 减小插补误差的方法
3 DDA 插补器的软件仿真
本系统中, FPGA 的内部设计由 VH DL 语言与原 理图结合来进行编程的, 编写完成后使用 A ltera公司 的 Quartus 集成开发系统对系统进行软件仿真。对 第一象限的逆圆弧插补仿真, 起起点坐标为 ( 8, 0, ), 终点坐标为 ( 0, 8), 此时把选择圆弧插补的时能信号 yuanhuchabu置 1 , 顺逆 圆弧选择信号 arc置 1 , 同时象限控制信号 X _contro,l Y _contro l都置 1 , 说 明在第一象限内进行插补。其仿真波形如图 7, 脉冲 输出序列符合 DDA 插补要求。
圆弧插补时, 被积的数值是圆弧的起始坐标, 在
插补过程中不断的修正。但有点不同, 由于开始对被 积数进行了左移规格化处理, 相当于坐标值扩大了 2i 倍, 相应的修正值也不再是加减 1了, 应是加减 2i 了。 用 VHDL 语言描述的修正电路如下:
count_ int< = data_in
给寄存器装初始值
2 2 自动左移电路设计
寄存器中的数字量能在时钟信号的控制下实现 左移, 自动左移电路能在 左移规格化完成后自动停 止。直线插补时, 当被积函数寄存器中所存放的数字 量的最高位为 1时, 称为规格化数, 而圆弧则是当被 积函数寄存器中所存放的数字量的次高位为 1时称 为规格化数。
2 3 x 轴, y 轴坐标修正模块
控制与检测
组合机床与自动化加工技术
文章编号: 1001- 2265( 2010) 10- 0052- 03
基于 FPGA 技术的高速数控 DDA 插补器的设计与研究*
陆俊, 陈安明
( 南京理工大学 机械工程学院, 南京 21094)
摘要: 文章介绍了采用 FPGA 技术设计的高速数控 DDA硬件插补器。利用 VHDL 语言和原理图相结
该插补器可与上位机构成具有粗、精插补功能的运动控制系统, 来实现高速、高精度的各种直线和复
杂曲线的运动控制。
关键词: 高速数控; 现场可编程逻辑门阵列 ( FPGA ) ; 超高速集成电路硬件描述语言 ( VHDL ); 数字积
分法 ( DDA ); 硬件插补器
中图分类号: TH 16; TG65
文献标识码: A
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