基于TMS320F2812 DSP的運(yùn)動(dòng)控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳君曉，白敬彩

(河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校自動(dòng)控制系，河南 新鄉(xiāng) 453002)

運(yùn)動(dòng)控制是在電機(jī)技術(shù)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而形成的一門綜合性多學(xué)科的交叉技術(shù)。當(dāng)前基于板上微處理器型的運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)展很快，其特點(diǎn)是選用微處理器(MCU或DSP)為核心構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，控制器利用微處理器的強(qiáng)大功能，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制、加速度控制、插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)和位置控制等［1］，使PC機(jī)得以從繁重的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算中解放出來，只負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的管理工作，微處理器和主機(jī)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(qiáng)、適應(yīng)性好、升級(jí)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前運(yùn)動(dòng)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(jì)

本設(shè)計(jì)擬控制四軸交流伺服電機(jī)的數(shù)字系統(tǒng)，對(duì)控制的實(shí)時(shí)性和精度要求都較高，且考慮以后能夠方便升級(jí)，系統(tǒng)選用TMS320F2812 DSP芯片作為核心構(gòu)成運(yùn)動(dòng)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(shí)間為36 ns的128 K×16位片上FLASH。該處理器既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的時(shí)間管理能力和嵌入式控制能力，非常適合電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)控制。

圖1 運(yùn)動(dòng)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(diǎn)DSP芯片，支持運(yùn)算，兼容TMS320LF2407指令系統(tǒng)，最高工作主頻可以達(dá)到150MHz，并帶18K

2)控制電路，其作用是將速度信號(hào)數(shù)字量經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，送至電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制各軸的運(yùn)行。

3)采集電路，其作用是對(duì)光電編碼器發(fā)出的正交脈沖進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)，從而確定各軸電機(jī)的位置向量。

4)PCI接口電路，其作用是使運(yùn)動(dòng)控制器通過PCI接口芯片與PC機(jī)的PCI總線相連，可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

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

2 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制電路

控制電路的主要作用是產(chǎn)生控制電機(jī)速度的模擬信號(hào)?？刂茖?duì)象是四路交流伺服電機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)器接收的速度指令信號(hào)是－10V～+10V的直流電壓信號(hào)。采用IO端口輸出數(shù)字信號(hào)，外加DAC轉(zhuǎn)換器，將其變?yōu)槟M電壓信號(hào)，送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。每軸電機(jī)都需要一個(gè)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(gè)DAC，就會(huì)產(chǎn)生一路模擬量信號(hào)，但如果送給第二個(gè)DAC，前一個(gè)DAC的模擬量信號(hào)將不能保持，所以要為每一路DAC做一個(gè)鎖存器，將數(shù)字信號(hào)鎖存下來，如果沒有新的輸入，模擬量將會(huì)保持下來。這樣就可以使IO空間數(shù)據(jù)線為每個(gè)DAC送入正確的值了。用一片CPLD元件EPM570實(shí)現(xiàn)上述的4個(gè)鎖存器。將4個(gè)鎖存器的地址定義為1500H ～1503H，分別對(duì)應(yīng)了 X、Y、Z、W 四軸，用VHDL語言實(shí)現(xiàn)四個(gè)鎖存器的功能，并且還實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)鎖存器的地址分配。

給每個(gè)鎖存器送數(shù)字量不可能是同時(shí)進(jìn)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(diǎn)時(shí)間。但是該系統(tǒng)是多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)的控制卻要求速度信號(hào)的驅(qū)動(dòng)要同步進(jìn)行，如果輸入信號(hào)的前后有時(shí)間差，勢(shì)必會(huì)造成系統(tǒng)誤差，誤差累計(jì)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(gè)鎖存器同時(shí)刷新，以便使DAC同時(shí)產(chǎn)生速度模擬量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。將鎖存器設(shè)計(jì)為兩級(jí)鎖存器，分別對(duì)每個(gè)DAC的一級(jí)鎖存器進(jìn)行寫入，當(dāng)四路數(shù)字量全部寫入一級(jí)鎖存器后，再通過一個(gè)開關(guān)，將4個(gè)數(shù)字量同時(shí)刷新到二級(jí)鎖存器中，即可完成上述目的。在CPLD中建立一個(gè)新的鎖存器單元，將其地址定義為1504H，在每次向1504H寫入時(shí)，使其能夠產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以完成4個(gè)鎖存器的一級(jí)鎖存器向二級(jí)鎖存器同時(shí)刷新的任務(wù)。整個(gè)鎖存器數(shù)字電路的框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字信號(hào)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(shí)時(shí)反饋伺服電機(jī)的位置，對(duì)得到的4路正交脈沖進(jìn)行4倍頻和辨向，然后用CPLD實(shí)現(xiàn)4路12位循環(huán)計(jì)數(shù)器，用以記錄編碼脈沖個(gè)數(shù)。當(dāng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，正反方向信號(hào)為1，循環(huán)計(jì)數(shù)器呈增計(jì)數(shù);當(dāng)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，正反方向信號(hào)為0，循環(huán)計(jì)數(shù)器呈減計(jì)數(shù)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，光電編碼器發(fā)出10000個(gè)編碼脈沖，循環(huán)計(jì)數(shù)器一周計(jì)數(shù)值為4096個(gè)，所以循環(huán)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和電機(jī)在一周轉(zhuǎn)動(dòng)中所在的位置并不一一對(duì)應(yīng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，循環(huán)計(jì)數(shù)器大約計(jì)數(shù)2.5個(gè)周期。想要記錄電機(jī)的位置，可以采集循環(huán)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，通過軟件的簡(jiǎn)單處理，得到電機(jī)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(yùn)動(dòng)控制器從PC機(jī)獲得運(yùn)動(dòng)控制指令，包括各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)類型、速度、加速度和所要到達(dá)位置等，數(shù)據(jù)量大;同時(shí)PC機(jī)也要從控制器上獲得運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置等信息，因此通信部分要求能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制、高速的數(shù)據(jù)交換等功能。本設(shè)計(jì)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(kuò)展性［3－4］。本設(shè)計(jì)中選用PLX公司專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PCI9030芯片來設(shè)計(jì)PCI接口電路。

2.4 光電隔離電路

該運(yùn)動(dòng)控制器上的最高電壓為直流正負(fù)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(jī)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器上攜帶的也是220V交流電。為了避免電機(jī)上的強(qiáng)電干擾對(duì)控制器的影響，本系統(tǒng)中單獨(dú)設(shè)計(jì)一塊接口隔離板，連接在控制器和驅(qū)動(dòng)器之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)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(duì)控制器上輸出的12路IO信號(hào)進(jìn)行隔離保護(hù)，對(duì)電機(jī)反饋的4對(duì)正交位置脈沖也進(jìn)行了光電隔離，并將控制器上輸出的4路正負(fù)10V范圍的模擬電壓量進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也起到了隔離的作用。設(shè)計(jì)隔離電壓可以達(dá)到2500V，光電隔離的開關(guān)速度可以達(dá)到100MHz，完全可以滿足實(shí)際應(yīng)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(duì)被控系統(tǒng)的特性，設(shè)計(jì)了一種基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器的硬件電路，還設(shè)計(jì)了一個(gè)與之相匹配的光電隔離板。加入軟件系統(tǒng)后，整個(gè)硬件系統(tǒng)的功能完全符合對(duì)四軸電機(jī)聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求。

［1］吳宏，蔣仕龍，龔小云，等.運(yùn)動(dòng)控制器的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.制造技術(shù)與機(jī)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(yīng)用［J］.電子技術(shù).2001，28(8):47 －49.