高速四轴联动运动控制卡设计
2008-07-25
作者：来跃深, 雷兵丰
摘 要：多轴联动控制系统的设计是开放式数控系统" title="开放式数控系统">开放式数控系统研究的核心内容之一。根据开放式数控系统的定义和特点，介绍一种采用DSP和FPGA技术，基于ISA总线的四轴联动" title="四轴联动">四轴联动运动控制卡" title="运动控制卡">运动控制卡的软硬件设计与调试。该卡可以控制四个步进电机" title="步进电机">步进电机、直流电机或交流电机实现高速、高精度运动，且结构简单、可靠性高。通过对BS42HB47-01型步进电机的四轴联动控制测试，验证了该控制卡的性能。
关键词：开放式数控； 运动控制； DSP； FPGA
开放式数控系统是一个模块化、可重构、易扩充的控制系统，数控系统的体系结构向开放式结构发展已成为潮流，国内各科研生产单位纷纷对其展开了研究[1]。本文根据开放式数控系统的定义和特点，采用模块化的设计思想建立了一种开放式数控系统的结构模型，并对其中的关键模块(轴控制单元)采用DSP（TMS320F2812）和FPGA技术进行了详细的设计与调试。该控制卡可以实现四个坐标轴高速、高精度运动，结构简单，且四个控制电机可以任意选择。标准化的设计，使更多轴联动时，可以选择多块控制卡，操作方便。
1 开放式数控系统结构模型
鉴于PC机的强大功能及特点，基于PC机的开放式数控系统成为当前研究的热点[2-3]。这种系统的结构可以分为三种类型：PC嵌入NC型、NC嵌入PC型和全软件型。而比较经济、容易实现的开放式数控系统是NC嵌入PC型结构型式。这种数控系统的硬件部分由开放式体系结构的运动控制卡和PC机组成，即在通用PC机的扩展槽中插入专用的CNC卡(如运动控制卡)，机床的运动控制和逻辑控制功能主要由运动控制卡完成。因此，卡的设计成为系统性能实现的关键[4-5]。本系统采用NC嵌入PC机的结构模型，将以往的运动控制卡功能进行了分解，做了进一步的模块化设计，并将其做成独立的标准化单元控制模板，虽然系统的模块数量有所增加，但开放性更强。整个系统的功能模块有：轴控制模块、伺服驱动模块、位置检测反馈模块、开关量控制及辅助功能模块、故障检测模块等。各功能模块通过总线与PC机进行通信，由PC机来控制各实时模块工作。系统的结构模型如图1所示。
其中，轴控制模块由TMS320F2812 DSP和FPGA构成，通过ISA总线与PC机通信，实现不同电机(步进电动机、直流电动机、交流电动机)的多轴联动控制。位置反馈模块主要用于闭环和半闭环数控系统中，直接或间接测出机床运动部件的位移，经位置反馈装置进行处理后通过总线送回到控制系统和伺服系统中，并与控制指令相比较后经过控制计算，输出控制指令，控制电机运行。用户可以根据自己的实际需要选择使用或不使用该模块，可以自行设计该模块所要实现的功能，灵活组建系统。增加了系统的开放性，提高了系统的性价比。
2 运动控制卡的硬件设计
轴控制模块是系统的核心控制单元之一，主要由TMS320F2812 DSP和FPGA构成[7]。TMS320F2812 DSP处理器是TI公司最新推出的32位定点处理器，实时控制能力很强，处理速度达150MIPS，指令周期6.67ns，能够在一个周期内完成32×32位的乘法累加运算，或两个16×16位乘法累加运算，能够实时处理许多复杂的控制算法。处理器提供了多个通用数字量I/O引脚，这些引脚绝大部分是多功能复用引脚。内部有两个事件管理器EVA和EVB，具有强大的控制功能，特别适合运动控制和电机控制。每个事件管理器包括通用定时器(GP)、比较器、PWM单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路(QEP)。EVA和EVB两个模块有相同的外设，可以实现多轴运动控制。TMS320F2812 DSP支持多种外设中断， CPU能够相当快地响应外设产生的中断。而且DSP支持在线仿真和调试，用户根据自己的要求，可以改写自己的控制程序，通过JTAG接口进行调试和仿真。采用FPGA芯片设计系统，提高了系统硬件的集成度和二次开发的能力，从而增强了产品的可靠性和市场竞争能力。本次设计采用ALTERA FLEX10K系列的FPGA，有96个I/O引脚，1 728个逻辑单元，216个逻辑阵列块，20 000多个可用门数，具有高密度和易于在设计中实现复杂宏函数与存储器的特点[8]。
轴控制模块的原理图如图2所示。DSP完成比较复杂的插补" title="插补">插补和位置控制计算，通过GPIO产生步进电机联动的控制信号；通过EVA和EVB控制伺服电机的驱动信号的产生。FPGA接收DSP最新脉冲宽度，产生PWM控制信号，控制伺服电机运动。通过ISA总线与PC机通信。双口RAM用于PC机与DSP交换信息，实现数据双向通信。
3 系统的软件设计
软件设计主要是实时插补程序设计及部分通信与管理软件设计。选择改进后的DDA插补方法，DSP可以在单个周期内完成取指、译码、执行操作，DSP最小时钟周期为6.67ns，完成一次四轴的插补运算，大约需要75个指令周期。在插补控制中，对于步进电机的控制可以直接插补生成步进脉冲和转向控制信号；对于直流电机的控制，经过插补计算和位置控制后，再通过PWM控制输出信号；对于交流电机的控制，经过插补和位置控制后，通过SPWM或SVPWM控制输出信号。DSP工作流程如图3所示。
4 四轴联动仿真与调试
首先，通过TDS510 JTAG Emulator和编程环境CCS2.0将编制好的控制程序和插补程序通过14针的接口下载到DSP中，对DSP进行在线调试，采用示波器观测步进电机的控制脉冲和方向信号。然后对FPGA的逻辑、设计进行调试，通过示波器观看波形。调试无误后，将程序烧写到EPROM中。四轴联动插补仿真时，设定当前坐标原点为O(0,0,0,0)，终点为A(15，9,5,3),加工直线为OA。插补过程如图4所示。deltx、delty、deltz、deltt代表x、y、z、t 四个轴溢出的脉冲，jrx、jry、jrz、jrt为余数寄存器存放的累加结果。图4所示是经过左移规格化、半加载后插补运算的结果。
图4 四轴联动软件模拟
通过仿真器下载步进电动机的控制程序到TMS320F2812 DSP中进行波形检测，来验证控制算法和插补算法的正确性。
图5为检测到的四轴联动步进脉冲控制信号，图6为步进脉冲信号和方向控制信号。联动脉冲信号的分布与用VC仿真的数据吻合，证明电路工作正常。
图5 四轴联动步进脉冲信号
将控制卡与电机相连，调试四轴联动性能。步进电机选用型号为BS42HB47-01的电机，其电气规格如表1所示。
驱动器选用等角度恒力矩细分型Q2HB44MA型驱动器，驱动电压为直流12V～40V，内部采用独特的控制电路，很好地兼顾了电机的高低速性能，使电机在高速运行时,输出力矩比采用一般驱动器提高30%以上；低速运行时，具有良好的细分定位精度和平稳性（最高为200细分，最高反应频率可达200KP/s）。
实际测试时，DSP TMS320F2812工作时钟为30MHz。由于电机反应频率最高只能达到200KP/s，因此需在程序中加入延时，调整延时时间，使DSP TMS320F2812的输出脉冲频率为200kHz。实测电机转速如表2所示。
表中电机脉冲当量δ和电机线速度V计算如下：
δ=π×d/(360°/α×k)
v =π×d×n×60
式中，k为细分数，n为电机转速。
从表2中可见，输出脉冲频率为200kHz，当驱动器的细分数设定为20时，电机的线速度为47.1m/min。
而DSP的最高工作时钟是150MHz，其输出脉冲频率可达2MHz，如果电机的最高反应频率能够与之相匹配，电机的最高线速度可达:
47.1m/min×2MHz/200kHz=471m/min
此时电机的脉冲当量为3.9μm。如果电机的脉冲当量是1μm，则电机最高线速度为471/3.9=121m/min。
本文采用模块化的设计思想，提出了一种开放式数控系统的结构模型。对系统中运动控制卡的设计采用了高性能的DSP TMS320F2812和高集成度的FPGA技术，使该系统硬件结构简单、可靠性强；可以控制不同类型电机运动，操作灵活、适应性强。经测试，其运行速度高，可满足高性能数控系统的需求，同时,因是标准化设计，提高了系统的性能价格比，值得推广。
参考文献
[1] 周祖德,魏仁选,陈幼平. 开放式控制系统的现状、趋势与对策[J]. 中国机械工程, 1999,10(10):1090-1093.
[2] 赵春红，秦现生，唐虹. 基于PC的开放式数控系统研究.机械科学与技术, 2005(9):1108-1113.
[3] 李刚，杨继东.基于PC的开放式数控系统的开发.机床与液压,2006(4):82-83.
[4] 康健，陶涛，梅雪松．基于数字信号处理的多轴运动控制器设计[J].西安交通大学学报，2003，5(5)
[5] 刘军锋，尹泉，万淑芸．基于DSP和FPGA的开放式伺服平台设计[J]．电气传动，2004，5(4)．
[6] 王文武，曹治国，张贵清，等．基于FPGA和DSP的并行数据采集系统的设计[J]． 微计算机信息．2004，20(11).
[7] 杨特育.高性能DSP芯片TMS320F2812在电机控制器中的应用[J]. 电子元器件应用,2006,8(3):56.
[8] 杨恒,李爱国,王辉,等.FPGA/CPLD最新实用技术指南[M].北京:清华大学出版社,2005.