基于DSP與FPGA的運動控制器設(shè)計

運動控制技術(shù)是數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)水平的高低將直接影響一個國家裝備制造業(yè)的發(fā)展水平。目前，多軸伺服控制器越來越多地運用在運動控制系統(tǒng)中，具有較高的集成度和靈活性，可實時完成運動控制過程中復(fù)雜的邏輯處理和控制算法，能實現(xiàn)多軸高速高精度的伺服控制。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(jìn)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(jìn)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/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(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，有較強的通用性，適合于模塊化設(shè)計，能夠提高算法效率，且易于維護和擴展。總體設(shè)計方案原理框圖如圖1所示。

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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(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芯片來實現(xiàn)TMS320F2812的電源設(shè)計，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，所以選擇大小為64 KB的隨機存儲器CY7C1021作為存儲器擴展芯片。DSP F2812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。EP1C6TC44C8具有2個鎖相環(huán)，包含5 980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(jìn)行重配置，可以增加系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。
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。
　　(2)輸出控制脈沖電路設(shè)計。輸出控制脈沖信號為伺服電機的4路脈沖控制輸出信號。此控制采用“脈沖+方向”指令，由于每個控制軸分別有脈沖和方向信號，所以4路共8個輸出信號。輸出控制脈沖信號由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需要進(jìn)行差分，所以將信號接入差動線驅(qū)動器后再輸出。XPLS～UPLS為脈沖信號，XDIR～UDIR為方向信號。差動線驅(qū)動器由AM26LS31構(gòu)成，該電路的功能是將輸入的單極性的方波信號轉(zhuǎn)化為一對極性相反的電機驅(qū)動信號，它的高阻抗輸出狀態(tài)在電源掉電時是有保障的。
　　(3)反饋脈沖處理電路設(shè)計。伺服電機的編碼器信號直接接入到電機驅(qū)動器中，驅(qū)動器提供三對差分信號A+、A-、B+、B-、Z+、Z-作為反饋。這三對信號由于受到驅(qū)動器內(nèi)部大電源的干擾，在電機旋轉(zhuǎn)時，所發(fā)出的信號會出現(xiàn)許多毛刺，直接接到FPGA中會引起誤判斷，所以三對信號經(jīng)過差分電路轉(zhuǎn)化為單路信號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極性相反的編碼器反饋信號轉(zhuǎn)化為單極性的方波信號。A、B兩路為正交編碼脈沖，Z路每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個低電平脈沖，用于回零時的精確定位。
2.4 數(shù)字量輸入輸出接口模塊
　　考慮到系統(tǒng)的可擴展性和DSP的GPIO口的數(shù)量，此運動控制器在DSP與FPGA上分別設(shè)計8路，共16路數(shù)字量輸入輸出。運動控制器的所有數(shù)字量輸入輸出信號均采用光電隔離處理，并對每一路信號進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字濾波處理，以消除噪聲信號。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、限位信號的輸入等；數(shù)字量輸出通道用于各軸方向、脈沖信號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

　　軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，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、插補運算等為中斷任務(wù)或子函數(shù)任務(wù)的形式。位置速度控制主要負(fù)責(zé)對實時運動狀態(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定時中斷構(gòu)成，主程序啟動后，首先完成對TMS320F2812的初始化及系統(tǒng)的一些基本配置，并處于等待狀態(tài)。運動控制功能是在伺服中斷服務(wù)程序中實現(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主要完成運動控制器的精插補功能，采用數(shù)字積分法進(jìn)行插補[1]。把數(shù)字積分法分為3個狀態(tài)：(1)狀態(tài)WAIT，等待插補信號；(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)機如圖5所示。

　　觸發(fā)條件T1：沒有啟動信號，下一狀態(tài)為WAIT，無操作；觸發(fā)條件T2：有啟動信號，下一狀態(tài)為L1，操作為初始化各寄存器，置忙信號；觸發(fā)條件T3：剩余累加次數(shù)大于0，下一狀態(tài)為L2，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；無觸發(fā)條件：下一狀態(tài)為L1。
　　具體實現(xiàn)方法為：時序電路產(chǎn)生的插補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，此次插補過程結(jié)束。
　　本文設(shè)計了一種通用型四軸伺服運動控制器，該運動控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以模塊化和易于擴展，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)機的插補方法，在插補速度處理環(huán)節(jié)做了優(yōu)化，使脈沖輸出更加穩(wěn)定。此設(shè)計采用了模塊化思想，各電機可以單獨控制，具有較為全面的運動控制功能、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)簡單、價格便宜。