[发明专利]基于DDS技术的步进电机运动控制器

说明书

技术领域

本发明属于运动控制技术领域，具体的说，是指在FPGA(现场可编程逻辑门阵列)芯片内部实现了基于DDS技术的三轴步进电机运动控制器。可以应用于任何使用步进电机的线性运动控制场合。 

背景技术

晶圆检测设备是半导体生产过程中的必需设施，晶圆检测设备中显微镜的运动控制非常关键，三轴步进电机运动控制器是显微镜电动控制台的核心部分。显微镜电动控制台一般采用专业运动控制芯片或运动控制卡来实现，价格昂贵，采用FPGA来实现运动控制器，可大幅度降低费用，以极低的成本实现运动控制器，并且可以非常方便的进行二次开发。 

发明内容

本发明提供一种基于DDS技术的步进电机运动控制器，将DDS技术应用于运动控制领域，在一片FPGA芯片内部设计实现了三轴步进电机运动控制器，该控制器可以实现梯形调速及S形调速，输出脉冲频率连续可调，分辨率极高，可达0.011176Hz。有正向定步长运行、负向定步长运行、正向持续运行、负向持续运行、归零五种运动方式。设置了软限位功能和限位开关接口以保证整个运动系统的安全性。留有微处理器接口，可以使用ARM等微处理器方便的进行控制。内部设有逻辑位置寄存器可以纪录步进电机当前的逻辑位置。 

本发明的技术方案如下： 

一种基于DDS技术的步进电机运动控制器，其特征在于是在FPGA芯片中，建立微处理器接口和X、Y轴的初始速度寄存器、驱动速度寄存器、加速度寄存器、减速度寄存器、加/减速度变化率寄存器、运行步长寄存器、正向软限位寄存器、负向软限位寄存器、命令字寄存器，以及X、Y、Z轴运动控制模块；X、Y、Z轴的各寄存器分别与X、Y、Z轴运动控制模块建立通讯连接，微处理器接口由存储器和二级寄存器构成，存储器为12个16bit结构，负责接收外部处理 器的命令并转发给相应的寄存器以控制X、Y、Z轴运动控制模块，或者从相应的寄存器中提取X、Y、Z轴运动控制模块的当前运行状态并发送给外部处理器；X、Y、Z轴运动控制模块分别控制X、Y、Z三轴步进电机；X、Y、Z轴运动控制模块由建立于FPGA中的直接数字频率合成器、状态机、逻辑位置计数器、软限位模块、运行步长控制器、加速模块、减速模块、多路数据选择器、限位开关模块构成，状态机负责其相互之间的控制工作。 

所述步进电机运动控制器，采用直接数字频率合成DDS技术来实现输出脉冲控制器，输出脉冲频率连续可调，分辨率极高。在此基础上增加了加速模块和减速模块来实现梯形和S形加速。 

所述步进电机运动控制器，其特征在于：有正向定步长运行、负向定步长运行、正向持续运行、负向持续运行、归零五种运动方式。 

所述步进电机运动控制器，其特征在于：设计了软限位模块，可通过微处理器设置运动控制器内部软限位寄存器来实现软件限位的功能，并留有外部限位开关要求。 

所述步进电机运动控制器，其特征在于：内部设计了逻辑位置寄存器，可根据电机的运行状况自动记录当前的逻辑位置。 

所述步进电机运动控制器，其特征在于：步进电机运动控制器的运行过程是在状态机的控制下进行的，状态机是整个系统的控制中心。 

与现有技术相比，本发明的优点是：(1)采用了具有高速性能和内部逻辑资源丰富的现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片，具有集成度高，电路结构简单的特点；(2)使用直接数字频率合成DDS技术来控制脉冲频率的输出，工作稳定可靠，输出脉冲频率连续可调，分辨率极高；(3)本发明可用在步进电机线性运动控制场合以取代价格昂贵的运动控制芯片、运动控制卡；(4)价格低廉，操作简单，经济实用；(5)本发明在一片FPGA中实现，体积小，可直接焊接在电路板上，便于二次开发；(6)本发明是在FPGA中用verilog HDL语言编程实现硬件的，可以很方便的在不同厂商，不同型号的FPGA芯片上移植。 

附图说明

图1是三轴步进电机控制器功能结构框图。 

图2是基于DDS技术的运动控制器框图。 

图3是步进电机控制器状态机的状态转换过程图。 

图4是DDS的原理结构图。 

图5是加速模块的原理结构图。 

图6是减速模块的原理结构图。 

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。