一種嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 一種嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn) 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)水平的高低將直接影響一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)的發(fā)展水平。目前，多軸伺服控制器越來(lái)越多地運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，具有較高的集成度和靈活性，可實(shí)時(shí)完成運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中復(fù)雜的邏輯處理和控制算法，能實(shí)現(xiàn)多軸高速高精度的伺服控制。本文選用DSP與FPGA作為運(yùn)動(dòng)控制器的部件，設(shè)計(jì)了通用型運(yùn)動(dòng)控制器。其中DSP用于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、速度控制及位置控制等功能；FPGA完成運(yùn)動(dòng)控制器的精插補(bǔ)功能，用于計(jì)算步進(jìn)電機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)元件的控制脈沖，同時(shí)接收并處理脈沖型位置反應(yīng)信號(hào)。本文對(duì)該運(yùn)動(dòng)控制器的總體構(gòu)造、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)開(kāi)

2、展了描述。 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)控制器的總體性能指標(biāo)為：作為一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)控制器使用，控制信號(hào)采用數(shù)字量方式輸出，能控制四軸的伺服電機(jī)；脈沖輸出頻率為4MP/s，能處理的編碼器反應(yīng)信號(hào)頻率為4MP/s；能接收和處理4路編碼器反應(yīng)信號(hào)；可以處理原點(diǎn)信號(hào)、正負(fù)方向信號(hào)、到位信號(hào)以及急停信號(hào)等數(shù)字量輸入信號(hào)；提供16路數(shù)字量輸出信號(hào)和16路數(shù)字量輸入信號(hào)接口。運(yùn)動(dòng)控制器采用DSP與FPGA芯片作為主控芯片，主要包括DSP模塊、FPGA模塊、FPGA外圍電路模塊和數(shù)字量輸入輸出接口模塊。 采用基于DSP與FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器，能夠?qū)崟r(shí)完成復(fù)雜的軌跡運(yùn)算，而且利用DSP的高速數(shù)字信號(hào)處理功能和FPGA

3、功耗低、主頻高的優(yōu)點(diǎn)，能充分顯示該運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)。采用DSP與FPGA相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)控制器可以方便地對(duì)系統(tǒng)的控制策略開(kāi)展修改，對(duì)控制參數(shù)開(kāi)展修正，并可使設(shè)備具有良好的可靠性、可維修性，而且還降低了成本。系統(tǒng)還可以采用更多的智能控制策略，構(gòu)造靈活，有較強(qiáng)的通用性，適合于模塊化設(shè)計(jì)，能夠提高算法效率，且易于維護(hù)和擴(kuò)展?？傮w設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖1所示。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1 DSP模塊 本控制器采用TI公司的TMS320F2812為主控芯片，它是32位的控制專(zhuān)用DSP，內(nèi)含F(xiàn)LASH，主頻高達(dá)150MHz，具有數(shù)字信號(hào)處理、事件管理和嵌入式控制功能，適用于大批量數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)合。 選用TI公司生產(chǎn)

4、的TPS767D318芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)TMS320-F2812的電源設(shè)計(jì)，將5V電源分別轉(zhuǎn)換為3.3V和1.8V。 SRAM是DSP常用的外圍存儲(chǔ)器，它具有接口簡(jiǎn)單、讀寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇大小為64KB的隨機(jī)存儲(chǔ)器CY7C1021作為存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。DSPF2812與CY7C1021接口電路如圖2所示。 復(fù)位電路設(shè)計(jì)采用TI公司的TPS382x系列電壓監(jiān)控電路，此系列電路不需要外圍電路即可組成監(jiān)控電路。SCI模塊用于擴(kuò)展RS-232和RS-485串行通信接口；CAN模塊和外部CAN工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線相連；外部接口用于與FPGA連接和擴(kuò)展數(shù)字量輸入輸出。 2.2 FPGA模塊 FPGA芯片選用Alter

5、a公司的Cyclone系列EP1C6TC44C8，這是一款高性能、低功耗的FPGA。EP1C6TC44C8具有2個(gè)鎖相環(huán)，包含5980個(gè)邏輯單元，相當(dāng)于12萬(wàn)門(mén)的規(guī)模，同時(shí)還包含了頻率200MHz、92160bit的內(nèi)部RAM。該芯片所擁有的邏輯門(mén)數(shù)量、頻率和引腳I/O等資源都能很好地滿足運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)要求。由于本系統(tǒng)的控制對(duì)象是伺服電機(jī)，所以設(shè)計(jì)中主要利用EP1C6TC44C8的I/O口設(shè)計(jì)電機(jī)控制信號(hào)的輸入輸出、編碼器信號(hào)的輸入與部分?jǐn)?shù)字量輸入輸出。另外，該芯片在整個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后還可以通過(guò)JTAG接口對(duì)硬件開(kāi)展重配置，可以增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。 2.3 FPGA外圍電路模塊 X軸伺

6、服電機(jī)控制電路如圖3所示。Y軸、Z軸、U軸伺服電機(jī)控制電路與X軸相同。 （1）輸入輸出開(kāi)關(guān)量接口設(shè)計(jì)。 輸入信號(hào)主要包括限位開(kāi)關(guān)信號(hào)LIMX+、LIMX-LIMU+、LIMU-，伺服報(bào)警信號(hào)ALMXALMU和回零信號(hào)HMXHMU。輸出信號(hào)主要包括伺服使能信號(hào)SRVXSRVU和復(fù)位信號(hào)RSTXRSTU。當(dāng)檢測(cè)到這些信號(hào)后，確定具體觸發(fā)的信號(hào)，限位信號(hào)觸發(fā)，則立即停止對(duì)應(yīng)電機(jī)該方向的運(yùn)動(dòng)，直到限位消除，電機(jī)才能在該方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；回零信號(hào)觸發(fā)，則電機(jī)等待Index信號(hào)的輸入后立即讓電機(jī)反向運(yùn)行用戶設(shè)定的回零距離作為機(jī)械零點(diǎn)；伺服報(bào)警信號(hào)輸入時(shí)，程序立即停止該電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，直到用戶將報(bào)警去除。 （2）輸

7、出控制脈沖電路設(shè)計(jì)。 輸出控制脈沖信號(hào)為伺服電機(jī)的4路脈沖控制輸出信號(hào)。此控制采用“脈沖+方向”指令，由于每個(gè)控制軸分別有脈沖和方向信號(hào)，所以4路共8個(gè)輸出信號(hào)。輸出控制脈沖信號(hào)由FPGA輸出，要先經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，將FPGA的I/O引腳的3.3V變?yōu)?V，再經(jīng)過(guò)光電隔離，然后再經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器整形后輸出。由于脈沖和方向信號(hào)需要開(kāi)展差分，所以將信號(hào)接入差動(dòng)線驅(qū)動(dòng)器后再輸出。XPLSUPLS為脈沖信號(hào)，XDIRUDIR為方向信號(hào)。差動(dòng)線驅(qū)動(dòng)器由AM26LS31構(gòu)成，該電路的功能是將輸入的單極性的方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為一對(duì)極性相反的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它的高阻抗輸出狀態(tài)在電源掉電時(shí)是有保障的。 （3）反應(yīng)脈沖處理電

8、路設(shè)計(jì)。 伺服電機(jī)的編碼器信號(hào)直接接入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，驅(qū)動(dòng)器提供三對(duì)差分信號(hào)A+、A-、B+、B-、Z+、Z-作為反應(yīng)。這三對(duì)信號(hào)由于受到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部大電源的干擾，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，所發(fā)出的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)許多毛刺，直接接到FPGA中會(huì)引起誤判斷，所以三對(duì)信號(hào)經(jīng)過(guò)差分電路轉(zhuǎn)化為單路信號(hào)A、B、Z。差分電路由AM26LS32構(gòu)成，該芯片功能與AM26LS31相反，該電路的功能是將輸入的一對(duì)極性相反的編碼器反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極性的方波信號(hào)。A、B兩路為正交編碼脈沖，Z路每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖，用于回零時(shí)的定位。 2.4 數(shù)字量輸入輸出接口模塊 考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和DSP的GPIO口的數(shù)量，此運(yùn)動(dòng)控制器在DSP

9、與FPGA上分別設(shè)計(jì)8路，共16路數(shù)字量輸入輸出。運(yùn)動(dòng)控制器的所有數(shù)字量輸入輸出信號(hào)均采用光電隔離處理，并對(duì)每一路信號(hào)開(kāi)展相應(yīng)的數(shù)字濾波處理，以消除噪聲信號(hào)。數(shù)字量輸入通道可以根據(jù)用戶的要求自定義用途，用于零點(diǎn)、限位信號(hào)的輸入等；數(shù)字量輸出通道用于各軸方向、脈沖信號(hào)的輸出以及一些外部設(shè)備的啟停控制等。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，程序的總體構(gòu)造采用以數(shù)據(jù)管理和位置速度控制為主，以I/O端口控制、邏輯控制、插補(bǔ)運(yùn)算等為中斷任務(wù)或子函數(shù)任務(wù)的形式。位置速度控制主要負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控與調(diào)節(jié)；I/O端口控制主要負(fù)責(zé)掃描輸入端口、設(shè)置輸出端口等輔助性任務(wù)。 DSP控制程序主要由一

10、個(gè)定時(shí)中斷構(gòu)成，主程序啟動(dòng)后，首先完成對(duì)TMS320F2812的初始化及系統(tǒng)的一些基本配置，并處于等待狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)控制功能是在伺服中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的。主程序和伺服中斷服務(wù)程序基本流程如圖4所示。 FPGA主要完成運(yùn)動(dòng)控制器的精插補(bǔ)功能，采用數(shù)字積分法開(kāi)展插補(bǔ)。把數(shù)字積分法分為3個(gè)狀態(tài)： （1）狀態(tài)WAIT，等待插補(bǔ)信號(hào)； （2）狀態(tài)L1，判斷總的脈沖數(shù)； （3）狀態(tài)L2，積分累加器累加，如有溢出，相應(yīng)的輸出脈沖為高電平，剩余累加次數(shù)減1。 數(shù)字積分法的有限狀態(tài)機(jī)如圖5所示。 觸發(fā)條件T1：沒(méi)有啟動(dòng)信號(hào)，下一狀態(tài)為WAIT，無(wú)操作； 觸發(fā)條件T2：有啟動(dòng)信號(hào)，下一狀態(tài)為L(zhǎng)1，操作為初始化各存放器，置忙信號(hào)； 觸發(fā)條件T3：剩余累加次數(shù)大于0，下一狀態(tài)為L(zhǎng)2，操作為各軸輸出脈沖為低電平； 觸發(fā)條件T4：剩余累加次數(shù)為0，下一狀態(tài)為WAIT，操作為各軸輸出脈沖為低電平，清忙標(biāo)志； 無(wú)觸發(fā)條件：下一狀態(tài)為L(zhǎng)1。 具體實(shí)現(xiàn)方法為：