本文選用DSP與FPGA作為運動控制器的核心部件，設(shè)計了通用型運動控制器。其中DSP用于運動軌跡規(guī)劃、速度控制及位置控制等功能;FPGA完成運動控制器的精插補功能，用于精確計算步進電機或伺服驅(qū)動元件的控制脈沖，同時接收并處理脈沖型位置反饋信號。本文對該運動控制器的總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進行了描述。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
運動控制器的總體性能指標(biāo)為：作為一個單獨的運動控制器使用，控制信號采用數(shù)字量方式輸出，能控制四軸的伺服電機;最高脈沖輸出頻率為4MP/s，能處理的編碼器反饋信號最高頻率為4MP/繞行電感器s;能接收和處理4路編碼器反饋信號;可以處理原點信號、正負(fù)方向信號、到位信號以及急停信號等數(shù)字量輸入信號;提供16路數(shù)字量輸出信號和16路數(shù)字量輸入信號接口。運動控制器采用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的運動控制器，能夠?qū)崟r完成復(fù)雜的軌跡運算，而且利用DSP的高速數(shù)字信號處理功能和FPGA功耗低、主頻高的優(yōu)點，能充分顯示該運動控制器的優(yōu)點。采用DSP與FPGA相結(jié)合的運動控制器可以方便地對系統(tǒng)的控制策略進行修改，對控制參數(shù)進行修正，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，結(jié)構(gòu)靈活，有較強的通用性，適合電感器生產(chǎn)廠家于模塊化設(shè)計，能夠提高算法效率，且易于維護和擴展?？傮w設(shè)計方案原理框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 DSP模塊
本控制器采用TI公司的TMS320F2812為主控芯片，它是32位的控制專用DSP，內(nèi)含F(xiàn)LASH，主頻高達150MHz，具有數(shù)字信號處理、事件管理和嵌入式控制功能，適用于大批量數(shù)據(jù)處理的場合。
選用TI公司生產(chǎn)的TPS767D318芯片來實現(xiàn)TMS320-F2812的電源設(shè)計，將5V電源分別轉(zhuǎn)換為3.3V和1.8V。
SRAM是DSP常用的外圍存儲器，它具有接口簡單、讀寫速度快等優(yōu)點，所以選擇大小為64KB的隨機存儲器CY7C1021作為存儲器擴展芯片。DSPF2812與CY7C1021接口電路如圖2所示。
復(fù)位電路設(shè)計采用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)場總線相連;外部接口用于與FPGA連接和擴展數(shù)字量輸入輸出。2.2 FPGA模塊
FPGA芯片選用Altera公司的Cyclone系列EP1C6TC44C8，這是一款高性能、低功耗的FPGA。E塑封電感器P1C6TC44C8具有2個鎖相環(huán)，包含5980個邏輯單元，相當(dāng)于12萬門的規(guī)模，同時還包含了最高頻率200MHz、92160bit的內(nèi)部RAM。該芯片所擁有的邏輯門數(shù)量、頻率和引腳I/O等資源都能很好地滿足運動控制器的設(shè)計要求。由于本系統(tǒng)的控制對象是伺服電機，所以設(shè)計中主要利用EP1C6TC44C8的I/O口設(shè)計電機控制信號的輸入輸出、編碼器信號的輸入與部分?jǐn)?shù)字量輸入輸出。另外，該芯片在整個硬件系統(tǒng)設(shè)計完畢后還可以通過JTAG接口對硬件進行重配置，可以增加系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。
電感器廠家 2.3 FPGA外圍電路模塊
X軸伺服電機控制電路如圖3所示。Y軸、Z軸、U軸伺服電機控制電路與X軸相同。
(1)輸入輸出開關(guān)量接口設(shè)計。
輸入信號主要包括限位開關(guān)信號LIMX+、LIMX-～LIMU+、LIMU-，伺服報警信號ALMX～ALMU和回零信號HMX～HMU。輸出信號主要包括伺服使能信號SRVX～SRVU和復(fù)位信號RSTX～RSTU。當(dāng)檢測到這些信號后，確定具體觸發(fā)的信號，限位信號觸發(fā)，則立即停止對應(yīng)電機該方向的運動，直到限位消除，電機才能在該方向繼續(xù)運動;回零信號觸發(fā)，則電機等待Index信號的輸入后立即讓電機反向運行用戶設(shè)定的回零距離作為機械零點;伺服報警信號輸入時，程序立即停止該電機的運動，直到用戶將報警清除。 大功率電感廠家 |大電流電感工廠
