1 引言

數控機床的加T精度主要南位置檢測系統的精度決定，位置檢測系統一般包括傳感器(旋轉變壓器，光電編碼器，光柵)、四倍頻鑒相電路、計數電路等，系統通過這些檢測電機的位移和速度，發出反饋信號，從而構成閉環或半閉環控制。形成差值控制電機，進而提高機床加工精度。數控機床位置檢測系統采用模塊化和開放式控制，可減少電路規模和提高數控機床的加工精度，形成高密度、高精度的數控機床。采用數字電路的傳統位置檢測系統面積龐大、精度不高、發應速度慢，而采用CPLD器件代替數字電路正好彌補這些缺陷。

2 CPLD簡介和器件選型

利用可編程邏輯器件CPLD(Complex Programable Logic Device)設計硬件系統非常方便。工程師通過傳統的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由設計數字系統。通過軟件仿真驗證事先設計的正確性。在PCB完成后，還可利用CPLD在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路。因此，使用CPLD可大大加快硬件電路設計進程，減少PCB面積，提高系統可靠性。

根據所需邏輯門數量以及將與其連接的電路引腳數，選用ALTERA公司的EPM570T144C5型CPLD，該器件采用TQFP144封裝，內部有570個邏輯單元，相當于440個宏單元，而此前常用的EPM7128只有128個宏單元。

EPM570T144C5內部有2個I／O分區，共116個通用I／O，引腳延時為8．8 ns，滿足位置檢測系統所需的90多個通用I／O和延時不超過10 ns的設計要求。

3 位置檢測系統組成

在介紹位置檢測系統前，先簡要介紹伺服電機控制系統(圖1)。CPLD先對伺服電機光電編碼器上發出的反饋信號進行譯碼、四倍頻鑒相計數，然后將計數值存入鎖存器，當用于電機控制的DSP控制器對CPLD進行讀操作時，CPLD將鎖存器里的計數值通過三態門輸出給DSP控制器，由其控制電機的位移和速度。



位置檢測系統采用CPLD器件實現硬件電路功能，用VHDL語言編程實現譯碼器、四倍頻鑒相計數器、選通器等模塊。圖2為位置檢測系統組成原理圖。圖2 中，光電編碼器A和四倍頻鑒相計數器A(光電編碼器B和四倍頻鑒相計數器B)構成單軸計數電路，將兩個單軸計數電路配合譯碼器、選通器則構成雙軸計數電路，就是用譯碼器控制選通器，以選通兩個計數器的計數結果并傳輸到總線．總線和選通器之間增加三態門進行控制。這樣就實現雙軸位置檢測。



4 系統設計

該系統設計的主要部分為伺服電機控制系統中的位置檢測系統。在Ouartus II開發環境下設計系統，系統設計包括四倍頻鑒相計數器、二四譯碼器和選通器的VHDL程序設計，如圖3所示。通過圖2所示的原理框圖，將該系統設計的各個模塊組合起來形成頂層文件，構成雙軸的檢測系統。圖3中YMO模塊為譯碼電路，用來選通哪軸輸出，Y0、Y2用來控制計數器的清零與計數，Y1控制選通器選通，譯碼器真值表如表1所示。





四倍頻鑒相計數器的VHDL程序代碼如下：





5 系統仿真

圖4為系統仿真結果。當譯碼器控制信號AB=00時，可看出 A1超前B1，所以軸1正轉；B2超前A2所以軸2反轉。



三態門使能信號EN=1時，數據選擇器選通G口所對應的汁數器，即軸2，清零F口對應計數器，即對軸1清零。并將計數結果傳輸到總線，輸出信號H從FFF 變化到FF8表明軸2反轉，因此汁數器逆向計數。同時在AB譯碼器控制信號改變時和軸1，軸2正反轉的其他情況時，仿真結果均正確，滿足雙軸位置檢測系統設計。

6 結束語

在現代數控系統中，采用 CPLD實現位置檢測系統已成為主流。新一代CPLD產品MAX II EPM570以面積小、集成度高和 GPIO口多等特點使得電路板集成度和抗干擾性都得以提高，方便結合DSP控制伺服電機位臀。總之，CPLD器件的發展使得邏輯電子電路的設計更靈活、方便。它將推動數控機床甚至工業各領域的發展。