基于DSP與FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(hào)。本文對(duì)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(hào)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(hào)最高頻率為4MP/s；能接收和處理4路編碼器反饋信號(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)的控制策略進(jìn)行修改，對(duì)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。

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(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)的TPS767D318芯片來(lái)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(chǔ)器，它具有接口簡(jiǎn)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(chǔ)器CY7C1021作為存儲(chǔ)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(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(wàn)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(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JTAG接口對(duì)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。

輸入輸出開關(guān)量接口設(shè)計(jì)。輸入信號(hào)主要包括限位開關(guān)信號(hào)LIMX+、LIMX-～LIMU+、LIMU-，伺服報(bào)警信號(hào)ALMX～ALMU和回零信號(hào)HMX～HMU。輸出信號(hào)主要包括伺服使能信號(hào)SRVX～SRVU和復(fù)位信號(hào)RSTX～RSTU。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)警清除。

(2)輸出控制脈沖電路設(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)過電平轉(zhuǎn)換，將FPGA的I/O引腳的3.3 V變?yōu)? V，再經(jīng)過光電隔離，然后再經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后輸出。由于脈沖和方向信號(hào)需要進(jìn)行差分，所以將信號(hào)接入差動(dòng)線驅(qū)動(dòng)器后再輸出。XPLS～UPLS為脈沖信號(hào)，XDIR～UDIR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)反饋脈沖處理電路設(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-作為反饋。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饋信號(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)的精確定位。

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)進(jìn)行相應(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，程序的總體結(jié)構(gòu)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)字積分法進(jìn)行插補(bǔ)[1]。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，積分累加器累加一次，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，操作為初始化各寄存器，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：時(shí)序電路產(chǎn)生的插補(bǔ)脈沖作為此模塊的累加脈沖，每累加1次，剩余累加次數(shù)減1。當(dāng)剩余累加次數(shù)為0時(shí)，此次插補(bǔ)過程結(jié)束。

本文設(shè)計(jì)了一種通用型四軸伺服運(yùn)動(dòng)控制器，該運(yùn)動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以模塊化和易于擴(kuò)展，這樣可以滿足用戶的各種需求。在軟件部分中，采用有限狀態(tài)機(jī)的插補(bǔ)方法，在插補(bǔ)速度處理環(huán)節(jié)做了優(yōu)化，使脈沖輸出更加穩(wěn)定。此設(shè)計(jì)采用了模塊化思想，各電機(jī)可以單獨(dú)控制，具有較為全面的運(yùn)動(dòng)控制功能、較高的控制精度和較快的反應(yīng)速度，其性能可靠、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。