基于DSP與FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2009-10-21 來源：網(wǎng)絡(luò)

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　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)國家裝備制造業(yè)的發(fā)展水平。目前，多軸伺服控制器越來越多地運(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)控制器的核心部件，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，用于精確計(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饋信號。本文對該運(yùn)動(dòng)控制器的總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。
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，控制信號采用數(shù)字量方式輸出，能控制四軸的伺服電機(jī)；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/s；能接收和處理4路編碼器反饋信號；可以處理原點(diǎn)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(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)字信號處理功能和FPGA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系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行修改，對控制參數(shù)進(jìn)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(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。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/163515.htm

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位的控制專用DSP，內(nèi)含F(xiàn)LASH，主頻高達(dá)150 MHz，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(shí)現(xiàn)TMS320F2812的電源設(shè)計(jì)，將5 V電源分別轉(zhuǎn)換為3.3 V和1.8 V。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(diǎn)，所以選擇大小為64 KB的隨機(jī)存儲器CY7C1021作為存儲器擴(kuò)展芯片。DSP F2812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Altera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5 980個(gè)邏輯單元，相當(dāng)于12萬門的規(guī)模，同時(shí)還包含了最高頻率200 MHz、92 160 bit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(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)要求。由于本系統(tǒng)的控制對象是伺服電機(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(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后還可以通過JTAG接口對硬件進(jìn)行重配置，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。