一种三轴步进电机控制平台制造技术

本发明专利技术公布的三轴步进电机控制平台，用于晶圆检测显微镜三轴的位置控制。包括有ＡＲＭ处理器、现场可编程逻辑门阵列ＦＰＧＡ、步进电机驱动器、手柄控制模块和用于Ｘ、Ｙ、Ｚ轴步进电机位置反馈的光栅尺等，现场可编程逻辑门阵列ＦＰＧＡ内部建立有Ｘ、Ｙ、Ｚ轴运动参数寄存器、位置反馈寄存器及其它控制寄存器。ＡＲＭ处理器通过通讯线路从控制计算机获取控制命令，将控制命令译码成为ＦＰＧＡ所需要的控制参数配置到ＦＰＧＡ中相应的控制寄存器中，ＦＰＧＡ检测控制寄存器中值的变化，并根据给定的值驱动各轴步进电机的运行。该步进电机控制平台运用ＡＲＭ和ＦＰＧＡ的联合控制策略，克服了采用专用步进电机控制芯片的桎梏，给用户的二次开发带来了很大的扩展空间，同时也增强了控制的稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种三轴步进电机控制平台，用于控制晶圆检测用显微镜三 轴的位置，实现晶圆检测的自动化。
技术介绍
晶圆检测设备用于检测光刻后的晶圆产品。晶圆检测设备经过三轴电控化改 造，再配合专门的晶圆检测软件可以实现自动对焦、自动检测等功能。可以将在 检测中的人为因素减到最小，不仅解放了人力，也大大提高了检测精度。目前用 于三轴步进电机控制平台的控制策略多采用微处理器配合国外专用步进电机控 制芯片的方案。采用专用步进电机控制芯片的方案在简化设计的同时也带来了一 个问题，就是设计的扩展空间不大。检测设备的特殊控制要求往往得不到满足。 本专利技术涉及的三轴步进电机控制平台采用ARM加FPGA的控制方案，在FPGA 内部设置运动控制寄存器，ARM接收控制命令并根据命令配置FPGA内部不同 轴的运动控制寄存器，间接控制FPGA完成控制任务。FPGA设计很像ASIC设 计， 一旦逻辑设计固化后工作就很稳定。如果想更改设计只要简单的重写程序即 可，所以ARM加FPGA的控制方案给以后的功能扩展带来了很大的空间。
技术实现思路
结合晶圆检测设备的自动化改造项目，同时针对采用专用运动控制芯片设计 带来的成本高和限制大的缺点，本专利技术公开了一种基于ARM和FPGA的三轴步 进电机控制平台。本专利技术采用ARM接收控制计算机的控制指令，指令译码后将 相应的运动控制参数配置进FPGA内部预设的运动控制寄存器中，FPGA探测到 运动控制寄存器中运动控制参数的变化，根据变化的情况改变运动状态。整个设 计简洁有效，柔性很大，有利于后来的功能扩展。本专利技术的技术方案如下一种三轴步进电机控制平台，其特征在于包括有ARM处理器、现场可编程逻辑门阵列FPGA、歩进电机驱动器、手柄控制模块和用于X、 Y、 Z轴步进 电机位置反馈的光栅尺，现场可编程逻辑门阵列FPGA内部建立有X、 Y、 Z轴 运动参数寄存器、位置反馈寄存器及其它控制寄存器，ARM处理器外接有外部 扩展RAM和外部护展ROM,控制计算机通过RS232通讯接口与ARM处理器 通讯连接；根据事先规定好的通讯协议，控制计算机通过RS232通讯接口将控 制命令和配置数据传送给ARM处理器，ARM处理器将接收到的数据处理后， 通过与FPGA相连的数据线和地址线将处理后的数据写入FPGA内的与X、 Y、 Z轴运动参数寄存器中；FPGA内嵌有细分控制模块、扭矩控制模块和电流控制 模块三个控制逻辑，细分控制模块用于控制步进电机的细分参数、扭矩控制模块 设置步进电机的最大扭矩、电流控制模块用于设置流过步进电机相线圈的最大电 流值，并受控于X、 Y、 Z轴运动参数寄存器中的值；FPGA通过细分控制模块、 扭矩控制模块和电流控制模块三个控制逻辑控制步进电机驱动器，步进电机驱动 器驱动X、 Y、 Z轴步进电机产生运动；光栅尺将检测到的X、 Y、 Z轴步进电 机的实际位置参量反馈给FPGA，在FPGA内部有逻辑比较X、 Y、 Z轴步进电 机的理论位置值和实际位置参量之间的偏差并自动给予补偿；手柄控制模块通过 通讯控制总线接入FPGA，以实现手柄对X、 Y、 Z轴步进电机的控制。所述的三轴步进电机控制平台，其特征在于-ARM处理器选择ARM7或ARM9系列芯片；外部扩展RAM选择SRAM或SDRAM;外部扩展ROM可选择FLASH或ROM;FPGA选择Altera公司的Cyclone、 CycloneII或CycloneIII系列芯片。在本专利技术中首先确定了控制计算机和ARM处理器的通讯协议，然后确定了 ARM和FPGA之间的控制策略。ARM和FPGA的控制策略主要是确定每一个 轴所需要的运动控制寄存器的种类、每一种寄存器的比特数以及用于控制的二级 寄存器的数量和数据流向。ARM处理器从控制计算机接收到控制指令，控制指令在ARM中译码。处 理器首先对控制计算机传输过来的操作数做数据处理，形成FPGA需要的控制数 据，包括歩进电机的启动速度、加速度、驱动高速和运行距离等等。此时ARM 并不直接配置FPGA的控制寄存器，而是读取FPGA内部所要操作轴的运行状 态寄存器，从状态寄存器获取当前轴的运行状态， 一旦轴状态可以更改，则将数 据通过ARM的数据线和地址线写入FPGA中。FPGA内部的每个轴的寄存器分成3种命令寄存器、运行参数寄存器和运 行状态寄存器。命令寄存器用于装载各种不同的运动命令字，如正向运行命令字、 负向运行命令字、立即停止命令字、减速停止命令字和改变驱动速度命令字等等。 运行参数寄存器用于装载与每个轴要完成一个运行所必需的参数，如驱动速度 值、运行距离值、加速度值、中断源选择等等；运行状态寄存器用于保存当前轴 的运行状态，如当前轴是否处于加速状态、当前轴停止的原因、当前轴产生中断 的中断源等等。当ARM改变FPGA内部的命令寄存器后，FPGA通过内部的逻辑执行命令 寄存器中的指令，给步进电机驱动器输出驱动脉冲流、驱动方向信号和驱动器使 能信号。FPGA输出的驱动脉冲流就包括了运行参数寄存器中的信息，如加速或 减速等等。FPGA输出的驱动脉冲流是弱电信号，不足以驱动步进电机的线圈， 脉冲流经过步进电机驱动器的环形分配、细分处理和功率放大后输出给步进电机 的线圈带动步进电机转动。在执行定步长驱动时，驱动过程完成后，FPGA会比较光栅尺所反馈的实际 位置和理论位置之间的误差，在不需要ARM干涉的情况下自动补偿到指定位置。 同时，可以通过在FPGA指定的寄存器中存储丝杠的回程误差，开启控制平台的 自动回程补偿功能，实现在运行中对丝杠回程误差的补偿。光栅尺的实际位置反 馈使每一个轴工作于闭环状态，配合丝杠的回程误差补偿功能，使每个轴的工作 更精确更稳定。在检测显微镜应用中还需要使用手柄控制(control stick), control stick的控制 也需要集成在运动控制平台上，并且control stick控制和控制计算机的控制不能相互冲突。本专利技术采用FPGA完成此功能，通过功能按钮来切换不同渠道的脉冲 流，脉冲流的驱动源有两个 一个是FPGA内部根据运动控制寄存器而生成的运 动控制脉冲流；另一个就是通过joystick控制模块产生的运动控制脉冲流，功能 按钮通过切换这两个脉冲流渠道来切换控制主体。同现有技术相比，本专利技术的优点为1)设计简洁，功能完整，定位精度高。 2)新功能开发拓展方便，满足新产品的开发各种需求。3)成本低廉，经济适用。附图说明图l本专利技术结构原理框图。图2本专利技术硬件结构图。图3本专利技术电机及控制手柄接口4 本专利技术FPGA电路图。图5本专利技术ARM电路图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做详细描述。图1所示为系统的结构原理框图，由图中可见整个控制平台分成5个部分ARM处理器部分这个部分还包括外部RAM和外部Flash。外部RAM存 有运行时的临时数据，外部Flash用于存放ARM的运行代码。ARM通过RS232 接口同主机联系，接收控制计算机的控制命令。ARM通过另外一路RS232接口 与晶圆检测用显微镜联系，给显微镜发送控制命令，控制显微镜的光栏和目镜的 转换。ARM通过16根数据线和8根地址线与FPGA相连，和FPGA交换数据。FPGA部分FPGA内部有若干运动控制寄存器，FPG本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三轴步进电机控制平台，其特征在于：包括有ＡＲＭ处理器、现场可编程逻辑门阵列ＦＰＧＡ、步进电机驱动器、手柄控制模块和用于Ｘ、Ｙ、Ｚ轴步进电机位置反馈的光栅尺，现场可编程逻辑门阵列ＦＰＧＡ内部建立有Ｘ、Ｙ、Ｚ轴运动参数寄存器、位置反馈寄存器及其它控制寄存器，ＡＲＭ处理器外接有外部扩展ＲＡＭ和外部护展ＲＯＭ，控制计算机通过ＲＳ２３２通讯接口与ＡＲＭ处理器通讯连接；根据事先规定好的通讯协议，控制计算机通过ＲＳ２３２通讯接口将控制命令和配置数据传送给ＡＲＭ处理器，ＡＲＭ处理器将接收到的数据处理后，通过与ＦＰＧＡ相连的数据线和地址线将处理后的数据写入ＦＰＧＡ内的与Ｘ、Ｙ、Ｚ轴运动参数寄存器中；ＦＰＧＡ内嵌有细分控制模块、扭矩控制模块和电流控制模块三个控制逻辑，细分控制模块用于控制步进电机的细分参数、扭矩控制模块设置步进电机的最大扭矩、电流控制模块用于设置流过步进电机相线圈的最大电流值，并受控于Ｘ、Ｙ、Ｚ轴运动参数寄存器中的值；ＦＰＧＡ通过细分控制模块、扭矩控制模块和电流控制模块三个控制逻辑控制步进电机驱动器，步进电机驱动器驱动Ｘ、Ｙ、Ｚ轴步进电机产生运动；光栅尺将检测到的Ｘ、Ｙ、Ｚ轴步进电机的实际位置参量反馈给ＦＰＧＡ，在ＦＰＧＡ内部有逻辑比较Ｘ、Ｙ、Ｚ轴步进电机的理论位置值和实际位置参量之间的偏差并自动给予补偿；手柄控制模块通过通讯控制总线接入ＦＰＧＡ，以实现手柄对Ｘ、Ｙ、Ｚ轴步进电机的控制。...

【技术特征摘要】
1.一种三轴步进电机控制平台，其特征在于包括有ARM处理器、现场可编程逻辑门阵列FPGA、步进电机驱动器、手柄控制模块和用于X、Y、Z轴步进电机位置反馈的光栅尺，现场可编程逻辑门阵列FPGA内部建立有X、Y、Z轴运动参数寄存器、位置反馈寄存器及其它控制寄存器，ARM处理器外接有外部扩展RAM和外部护展ROM，控制计算机通过RS232通讯接口与ARM处理器通讯连接；根据事先规定好的通讯协议，控制计算机通过RS232通讯接口将控制命令和配置数据传送给ARM处理器，ARM处理器将接收到的数据处理后，通过与FPGA相连的数据线和地址线将处理后的数据写入FPGA内的与X、Y、Z轴运动参数寄存器中；FPGA内嵌有细分控制模块、扭矩控制模块和电流控制模块三个控制逻辑，细分控制模块用于控制步进电机的细分参数、扭矩控制模块设置步进电机的最大扭矩、电流控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄福光，苟成全，
申请(专利权)人：芯硕半导体中国有限公司，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]