一种基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统

1.一种基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统包括:
通过CAN通信接口与上位机连接，至少集成有一组步进电机控制IP核，用于与上位机的通信，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机的FPGA控制模块；
与FPGA控制模块互逆连接，至少集成一组功率驱动和位置及电流采集电路，用于步进电机的功率驱动，以及将电机位置及电流的实时信号采集并反馈给FPGA控制模块的多路功率驱动及信号采集模块；
与多路功率驱动及信号采集模块互逆连接，至少设置一组步进电机/编码器，用于步进电机转子位置的实时检测的步进电机/编码器组。
2.如权利要求1所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述FPGA控制模块，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路步进电机控制IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通Nios II微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路。
3.如权利要求2所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接上位机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与上位机之间的串行通讯。
4.如权利要求2所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述Nios II微处理器，用于与上位机的数据交互，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机。
5.如权利要求2所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述步进电机控制IP核，包括Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块和时序规划模块；用于实现步进电机电流细分驱动和轨迹运动的控制；
所述Avalon总线接口模块，用于与Nios II微处理器的数据交互，接收Nios II微处理器过来的配置信息和运行信息，并将状态信息反馈给Nios II微处理器；
所述速度剖面产生模块用于根据配置信息和运行信息进行梯形速度剖面参数的运算，实时计算出每一个步进脉冲的控制周期，并生成步进脉冲信号CP和转向信号Dir；
所述细分电流计算模块用于根据步进脉冲信号CP和转向信号Dir计算步进电机两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*；
所述AD接口控制模块用于控制外部的双通道AD转换器完成模数转换，以读取外部AD转换器的电流采样结果；
所述电流调理模块用于根据电流采样结果计算出步进电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；
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所述电流调节器用于根据两相绕组电流的给定值Ia 和Ib 和反馈值Ia和Ib分别进行电流PI闭环运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；
所述PWM输出模块用于根据脉冲占空比信号Duty和转向信号Dir，以生成相应绕组电流控制所需的PWM信号；
所述位置反馈处理模块用于获取当前电机转子位置信息；
所述时序规划模块用于Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块的时序调度，使得它们按照一定的顺序执行以完成步进电机的控制。
6.如权利要求1所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述功率驱动及信号采集模块，包括电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路、电流传感器、电流调理电路、AD转换电路和位置调理电路；所述步进电机控制IP核输出的PWM信号经电平转换电路后接驱动电路的输入端；
所述驱动电路的输出端接功率H桥电路的输入端；
所述功率H桥电路的输出端接两相步进电机的一相绕组；
所述电流传感器串联在步进电机绕组回路中，用于绕组电流的采集，依次通过电流调理电路、AD转换电路和电平转换电路后接步进电机控制IP核的电流信号输入。
7.如权利要求1所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述步进电机后端设置有光电编码器用于采集电机转子位置信号，依次通过位置调理电路、电平转换电路后接步进电机控制IP核的转子位置信号输入。
8.如权利要求5所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，所述速度剖面产生模块根据Avalon总线接口模块的配置信息和运行信息；
首先计算出速度剖面各阶段所需的控制参数；按梯形速度剖面运行时，则加速阶段、匀速阶段和减速阶段的加速度a1、a2、a3分别为：
其中，启动速度为Fs，匀速速度为Fc，停止速度为Fe，加速步数为N1，匀速步数为N2，减速步数为N3；
其次实时计算出每一个步进脉冲的控制周期；由步进电机工作原理及运动学方程，得加速阶段、匀速阶段和减速阶段每个步进脉冲的步进周期Δti、Δtj和Δtk分别为：
最后生成相应的步进脉冲信号CP和转向信号Dir；步进电机在高速运行时，步进周期Δt的数值在us甚至ns量级，用计算出的步进周期Δt除以计数器的基本计数单位T，得到一个计数初值c0，将这个值写入到计数器中，并使之开始减1计数；
比较器的值为计数初值c0的一半；当计数器计数值大于比较器的值时，脉冲信号CP输出为低；反之输出为高；同时根据每个步进脉冲的控制周期Δt的符号，确定转向信号Dir值；
若控制周期Δt为正，则转向信号Dir为1，否则为0。
9.如权利要求5所述的基于FPGA芯片的多轴步进电机控制器系统，其特征在于，细分电流计算模块根据Avalon总线接口模块的配置信息、速度剖面产生模块的步进脉冲信号CP和转向信号Dir，计算步进电机两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*；步进电机绕组电流采用微步细分驱动方式时，其运算公式如下：
式(3)中，Imax为电机的绕组电流峰值，N为微步细分数，由微处理器通过Avalon总线接口模块设定；s为当前所需要的步数，由速度剖面产生模块输出的步进脉冲信号CP和方向信号Dir决定，当方向信号为1时，检测到步进脉冲信号的上升沿时步数s加1，否则s减1；
电流调理模块根据AD接口控制模块输出的两相绕组电流采样结果，依次进行数字滤波、零点漂移校正补偿、逆电流调理转换运算和锁存处理，计算得到步进电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；
电流调节器根据细分电流计算模块的两相绕组电流给定值Ia*和Ib*、电流调理模块的两相绕组电流反馈值Ia和Ib、以及Avalon总线接口模块的调节器控制参数，完成两路电流闭环算法运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；电流调节算法采用PI控制，其运算公式如下：
式(4)中，Kp、Ki为电流调节器的比例系数和积分系数，T为电流调节器的控制周期，由微处理器通过Avalon总线接口模块设置。

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