[发明专利]一种基于FPGA的高性能裁床运动控制系统

权利要求书

1.一种基于FPGA的高性能裁床运动控制系统，其特征在于，所述裁床包括刀具、分别驱动所述刀具沿三维方向进行直线运动的X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机及驱动所述刀具旋转以调节刀刃方向的U轴步进电机，所述基于FPGA的高性能裁床运动控制系统包括主处理器ARM和FPGA模块，所述FPGA模块包括FMC接口模块、指令数据处理模块、电机转速控制模块、插补模块，其中：

所述FMC接口模块，用于主处理器ARM和FPGA模块之间通信；

所述指令数据处理模块，用于对从主处理器ARM接收的指令数据信息进行译码，得到所述刀具在三维方向上的初始坐标值、终点坐标值、位移量、预定角度和给定走刀轮廓线形，以及得到所述刀具的在三维方向上直线运动的初始速度、给定进给速度、初始加速度、初始加加速度与进给距离，以及得到所述刀具的刃口初始方向、刃口旋转角度及刃口旋转速度；

所述电机转速控制模块，用于根据所述初始速度、所述给定进给速度、所述初始加速度、初始加加速度以及所述进给距离计算出刀具在加加速过程，减加速过程，匀速过程，加减速过程和减减速过程的各个轴向的速度、位移和加速度；

所述插补模块，用于根据所述刀具的给定进给速度与给定走刀轮廓线形，在所述给定走刀轮廓线形的已知点之间，确定所述刀具行走路径的若干个中间点；所述插补模块包括直线插补模块以及圆弧插补模块，所述直线插补模块应用最小偏差法，用于根据所述初始坐标值和终点坐标值，通过不断判断每轴的偏差函数进行轨迹的插补；所述圆弧插补模块将计算机图形学中的Bresenham画圆方法应用在圆弧插补运算中，用于根据所述初始坐标值、半径值，计算出圆弧内的点和圆弧外的点两点的中点距离圆弧的距离大小，并给出两个方向上的进给脉冲完成轨迹的插补；

其中，直线插补模块应用最小偏差法，用于根据所述初始坐标值和终点坐标值，通过不断判断每轴的偏差函数进行轨迹的插补，包括：

在X轴和Y轴、Z轴所形成的三维平面中，投影为XY、YZ、XZ平面上，若在XY平面上，假设目标运动轨迹是一条F＝kx(k＜1)，直线插补其长轴偏移偏差函数为：F(Δx),同时在长轴和短轴上的偏差函数为F(Δx,Δy)；

进一步地判断F_i的符号；

F_i＝|F(Δx,Δy)-F(Δx)|

若P当前点坐标值为(x_i,y_i)，则下一个插补点A点坐标值为(x_i+1,y_i+1)，或者下一个插补点B点坐标值为(x_i+1,y_i)，目标轨迹上C点坐标值为(x_i,k(x_i+1))；

F(x)＝Y(B)-Y(C)＝y_i-k(x_i+1)

F(x,y)＝Y(A)-Y(C)＝y_i+1-k(x_i+1)

如果目标运动轨迹到达的终点坐标值为(x_end,y_end)，则有

若F(Δx)＜0，F(Δx,Δy)＞0，则有

F_i＝|F(Δx,Δy)-F(Δx)|＝F(x,y)+F(x)＝2*x_end*y_i-2*y_end*x_i-2*y_end+x_end

进一步地判断运动终止条件，若连续给X轴运动当量，当x_step＝x_end，则表明到达终点，运动终止，若没有，则继续运动；

其中，所述圆弧插补模块将计算机图形学中的Bresenham画圆方法应用在圆弧插补运算中，用于根据所述初始坐标值、半径值，计算出圆弧内的点和圆弧外的点两点的中点距离圆弧的距离大小，并给出两个方向上的进给脉冲，包括：

在X轴和Y轴所形成的二维平面中，若目标运动轨迹是一个圆弧，若P点坐标值为(x_i,y_i)，则A点坐标值为(x_i,y_i+1)，B点坐标值为(x_i-1,y_i+1)，利用A、B中点C点来判断进给轨迹，即C点坐标值为则偏差函数为：

由于在运动控制系统中，每个轴地运动量都是脉冲当量地整数倍，所以，R＞1，在只考虑偏差值符号的情况下，上式偏差函数可以化简为：

进一步地判断F_i的符号；

若F_i≥0，则目标运动到B点，则下一个目标中点为

F_i+1与F_i两式相减：F_i+1＝2*y_i+5+F_i-2*x_i；

若F_i＜0，则目标运动到C点，则下一个目标中点为

F_i+1与F_i两式相减：F_i+1＝2*y_i+3+F_i；

进一步地判断运动终止条件，若连续给Y轴运动当量，当y_step＝y_end，则表明到达终点，运动终止，若没有，则继续运动。