吳君曉，白敬彩

(河南機電高等專科學校自動控制系，河南 新鄉(xiāng) 453002)

運動控制是在電機技術(shù)及驅(qū)動技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，隨著科學技術(shù)的發(fā)展而形成的一門綜合性多學科的交叉技術(shù)。當前基于板上微處理器型的運動控制器發(fā)展很快，其特點是選用微處理器(MCU或DSP)為核心構(gòu)成運動控制系統(tǒng)，控制器利用微處理器的強大功能，對電機進行速度控制、加速度控制、插補驅(qū)動和位置控制等［1］，使PC機得以從繁重的數(shù)據(jù)采集和計算中解放出來，只負責整個控制系統(tǒng)的管理工作，微處理器和主機之間一般采用總線式的通訊方式。此類控制器具有高精度、高速度、體積小、靈活性強、適應性好、升級方便等諸多優(yōu)點，是當前運動控制器發(fā)展的主流［2］。

1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計擬控制四軸交流伺服電機的數(shù)字系統(tǒng)，對控制的實時性和精度要求都較高，且考慮以后能夠方便升級，系統(tǒng)選用TMS320F2812 DSP芯片作為核心構(gòu)成運動控制系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:×16位0等待周期片上SRAM和存取時間為36 ns的128 K×16位片上FLASH。該處理器既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的時間管理能力和嵌入式控制能力，非常適合電機的伺服驅(qū)動控制。

圖1 運動控制器的總體硬件框圖

1)核心處理器TMS320F2812，是TI公司推出的32位定點DSP芯片，支持運算，兼容TMS320LF2407指令系統(tǒng)，最高工作主頻可以達到150MHz，并帶18K

2)控制電路，其作用是將速度信號數(shù)字量經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，送至電機伺服驅(qū)動模塊，從而控制各軸的運行。

3)采集電路，其作用是對光電編碼器發(fā)出的正交脈沖進行循環(huán)計數(shù)，從而確定各軸電機的位置向量。

4)PCI接口電路，其作用是使運動控制器通過PCI接口芯片與PC機的PCI總線相連，可以進行高速數(shù)據(jù)傳輸。

5)光電隔離電路，其作用是在運動控制器的低電壓和驅(qū)動器的高電壓之間進行一些隔離措施。以保證運動控制器安全、可靠地運行。

2 運動控制器的硬件電路設(shè)計

2.1 控制電路

控制電路的主要作用是產(chǎn)生控制電機速度的模擬信號。控制對象是四路交流伺服電機，它的驅(qū)動器接收的速度指令信號是－10V～+10V的直流電壓信號。采用IO端口輸出數(shù)字信號，外加DAC轉(zhuǎn)換器，將其變?yōu)槟M電壓信號，送給電機驅(qū)動器。每軸電機都需要一個模擬量的輸入，總共需要四路DAC。IO空間數(shù)據(jù)線將數(shù)字量送給一個DAC，就會產(chǎn)生一路模擬量信號，但如果送給第二個DAC，前一個DAC的模擬量信號將不能保持，所以要為每一路DAC做一個鎖存器，將數(shù)字信號鎖存下來，如果沒有新的輸入，模擬量將會保持下來。這樣就可以使IO空間數(shù)據(jù)線為每個DAC送入正確的值了。用一片CPLD元件EPM570實現(xiàn)上述的4個鎖存器。將4個鎖存器的地址定義為1500H ～1503H，分別對應了 X、Y、Z、W 四軸，用VHDL語言實現(xiàn)四個鎖存器的功能，并且還實現(xiàn)對四個鎖存器的地址分配。

給每個鎖存器送數(shù)字量不可能是同時進行的，肯定是要按照順序依次輸入，而且在某種情況下還可能中間要間斷一點時間。但是該系統(tǒng)是多軸聯(lián)動系統(tǒng)，對電機的控制卻要求速度信號的驅(qū)動要同步進行，如果輸入信號的前后有時間差，勢必會造成系統(tǒng)誤差，誤差累計后可能大大降低了系統(tǒng)的精度。出于以上情況考慮，需讓4個鎖存器同時刷新，以便使DAC同時產(chǎn)生速度模擬量，驅(qū)動電機。將鎖存器設(shè)計為兩級鎖存器，分別對每個DAC的一級鎖存器進行寫入，當四路數(shù)字量全部寫入一級鎖存器后，再通過一個開關(guān)，將4個數(shù)字量同時刷新到二級鎖存器中，即可完成上述目的。在CPLD中建立一個新的鎖存器單元，將其地址定義為1504H，在每次向1504H寫入時，使其能夠產(chǎn)生一個脈沖信號，這個信號可以完成4個鎖存器的一級鎖存器向二級鎖存器同時刷新的任務。整個鎖存器數(shù)字電路的框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字信號輸出鎖存器的結(jié)構(gòu)

2.2 反饋電路

本系統(tǒng)采用增量式光電編碼器實時反饋伺服電機的位置，對得到的4路正交脈沖進行4倍頻和辨向，然后用CPLD實現(xiàn)4路12位循環(huán)計數(shù)器，用以記錄編碼脈沖個數(shù)。當電機正向轉(zhuǎn)動，正反方向信號為1，循環(huán)計數(shù)器呈增計數(shù);當電機反向轉(zhuǎn)動，正反方向信號為0，循環(huán)計數(shù)器呈減計數(shù)。電機轉(zhuǎn)動一周，光電編碼器發(fā)出10000個編碼脈沖，循環(huán)計數(shù)器一周計數(shù)值為4096個，所以循環(huán)計數(shù)器的計數(shù)值和電機在一周轉(zhuǎn)動中所在的位置并不一一對應，電機轉(zhuǎn)動一周，循環(huán)計數(shù)器大約計數(shù)2.5個周期。想要記錄電機的位置，可以采集循環(huán)計數(shù)器的計數(shù)值，通過軟件的簡單處理，得到電機的所在位置。反饋電路的框圖如圖3所示。

圖3 反饋電路的結(jié)構(gòu)框圖

2.3 PCI接口電路

運動控制器從PC機獲得運動控制指令，包括各個軸的運動類型、速度、加速度和所要到達位置等，數(shù)據(jù)量大;同時PC機也要從控制器上獲得運動的實際位置等信息，因此通信部分要求能夠?qū)崿F(xiàn)實時控制、高速的數(shù)據(jù)交換等功能。本設(shè)計采用PCI總線通信方式，可以提高通信接口的速度、開放性和可擴展性［3－4］。本設(shè)計中選用PLX公司專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的PCI9030芯片來設(shè)計PCI接口電路。

2.4 光電隔離電路

該運動控制器上的最高電壓為直流正負12V，電壓較低，功率較小。要控制的是220V單相交流電供電的交流伺服電機，電機的驅(qū)動器上攜帶的也是220V交流電。為了避免電機上的強電干擾對控制器的影響，本系統(tǒng)中單獨設(shè)計一塊接口隔離板，連接在控制器和驅(qū)動器之間，實現(xiàn)對強弱電的隔離。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。光電隔離芯片采用TLP521－4。隔離板上的電路，對控制器上輸出的12路IO信號進行隔離保護，對電機反饋的4對正交位置脈沖也進行了光電隔離，并將控制器上輸出的4路正負10V范圍的模擬電壓量進行了驅(qū)動，同時也起到了隔離的作用。設(shè)計隔離電壓可以達到2500V，光電隔離的開關(guān)速度可以達到100MHz，完全可以滿足實際應用的要求。

圖4 隔離電路板結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié)論

本文針對被控系統(tǒng)的特性，設(shè)計了一種基于DSP運動控制器的硬件電路，還設(shè)計了一個與之相匹配的光電隔離板。加入軟件系統(tǒng)后，整個硬件系統(tǒng)的功能完全符合對四軸電機聯(lián)動的運動控制系統(tǒng)的控制要求。

［1］吳宏，蔣仕龍，龔小云，等.運動控制器的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.制造技術(shù)與機床，2004，(01):24 －27.

［2］Kazuo Yamazaki，etc.Autonomously Proficient CNC Controller for High Performance Machine Tools Based on an Open Architecture Concept Annals of the CIRP［J］.Mechatronics.1997，46(1):275 －278.

［3］Costescu N，Dawson D，Loffler M.QMator 2.0－A Real－time PC Based Control Environment［J］.IEEE Control Systems magatine.1999，19(3):68－76.

［4］王寶全.PCI9052在ISA與PCI總線接口中的應用［J］.電子技術(shù).2001，28(8):47 －49.