[发明专利]多轴步进电机插补控制器及多轴步进电机运动控制卡

说明书

技术领域

本发明涉及步进电机的控制，更具体地说是涉及一种多轴步进电机插补控制器及一种多轴步进电机运动控制卡。

背景技术

随着现代加工制造业的迅猛发展，普通三轴数控机床已满足不了人们对加工零件的要求，多轴数控机床由于能加工异型、复杂的零件曲面，因而在现代加工制造业中，特别是在航天、航空、军事工业中得到广泛地应用，因此，研究高精度、高性能的多轴数控机床已经成为整个机床行业的研究重点。多轴运动控制卡是多轴数控机床的重要组成部件，作为数控机床的下位控制单元，它与PC机构成主从式控制结构，能对步进电机进行复杂逻辑处理、速度控制、联动控制等。计算机控制步进电机的常用方法是在计算机内部安装运动控制卡，该运动控制卡的输出插头与步进电机驱动电路相连接，控制步进电机运行。

插补控制器是机床数控系统的基本单元，用来完成运动轨迹的拟合。随着加工零件结构复杂程度的提高，对数控系统的插补控制器性能也有了更高的要求，不仅要求插补控制器具有高精度、高速度，还要求具有多轴联动控制功能，以便于对复杂曲面零部件进行加工。目前广泛采用具有五轴联动线性插补功能的插补控制器，但是，目前数控系统采用的多为软件插补器，其对数控指令的轨迹的插补计算是采用CPU通过软件计算各个轴发出的脉冲量和速度，直接由软件插补器发出脉冲指令信号控制各个轴的驱动。由于该计算通常是以软件计数中断服务程序来实现，因而机床的轴数越多，程序行就越长。通常一个三轴的中断插补服务程序要几十行，考虑到CPU的指令周期，每个插补周期就会较长，这样就限制了轴数扩展和插补运行速度的提高。而新近出现的采用基于DSP+FPGA设计结构的多轴运动控制卡，其DSP与FPGA完全分离，设计复杂，开发成本较高。

发明内容

针对以上情况，本发明的第一目的，在于提供一种速度快、精度高、实时性强而性价比较高的基于数字积分算法(DDA)的多轴步进电机插补控制器。

本发明的第二目的，在于提供一种能对步进电机进行复杂逻辑处理、速度控制、联动控制、性价比高、能应用于多轴复杂数控系统中的多轴步进电机运动控制卡。

一、本发明多轴步进电机插补控制器的技术方案为：

本发明多轴步进电机插补控制器，其信号输入端直接或间接地与上位机相连，其信号输出端直接或间接地与步进电机功率驱动模块的步进脉冲输入端相连；其特别之处在于：本插补控制器包括有寄存器文件单元和任务逻辑单元；

(1)所述寄存器文件单元，是所述任务逻辑单元与上位机的数据通道，用于寄存上位机发送来的加工数据、控制信号和所述任务逻辑单元发送来的插补控制器运行状态信号，包括有分频因子寄存器、各轴坐标寄存器、状态寄存器、总步进数寄存器、控制寄存器；所述分频因子寄存器，用于寄存由上位机发来的所述任务逻辑单元可编程分频器的分频因子，用以调整、控制插补器的插补速度；所述各轴坐标寄存器，分别用于寄存各轴步进电机的运动终点坐标值，并作为本次数字积分器的被积函数，如果某一轴坐标值越大，意味着该轴的运动距离越远，故而在单位时间内数字积分器应产生的步进脉冲越多；所述状态寄存器，用于寄存表明插补控制器当前所处“闲”或“忙”的运行状态信号，可用高或低电平来表示；所述总步进数寄存器，用于寄存各步进电机要走的总步进数总和；所述控制寄存器，用于寄存步进电机的多种控制信息，包括暂停控制信号、启动信号和各步进电机的转动方向控制信号；

(2)所述任务逻辑单元，用于实现多轴步进电机的联动控制和速度控制，包括有可编程分频器、多轴数字积分器模块、终点判定模块和状态机模块；

所述可编程分频器，包括有系统时钟信号输入端、分频因子数据输入端和分频信号输出端；所述分频因子数据输入端与所述寄存器文件单元中的分频因子寄存器的数据输出端相连，所述分频信号输出端与所述多轴数字积分器模块的工作时钟输入端相连，以根据所述分频因子寄存器中寄存的分频因子值对系统时钟进行分频，向所述多轴数字积分器模块提供工作时钟，从而实现步进电机的速度控制；