高速四轴联动运动控制卡上软硬件的设计

伯特利数控陈生

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。

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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。

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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]

。TMS320F2812DSP 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 ALTERAFLEX10K 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。

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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。

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4 四轴联动仿真与调试

首先, 通过 TDS510 JTAGEmulator 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。

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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。

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。

表1

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。

表2

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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 3.9 m。如果电机的脉冲当量是 1m, 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。

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