運(yùn)動控制卡已經(jīng)在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)用設(shè)備、繪圖儀、IC電路制造設(shè)備、IC封裝等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，取得了良好的效果。目前運(yùn)動控制卡大部分采用8051系列的8位單片機(jī)，雖然節(jié)省了開發(fā)周期但缺乏靈活性，難以勝任高要求運(yùn)作環(huán)境，而且運(yùn)算能力有限。
DSP的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理功能強(qiáng)大，即使在很復(fù)雜的控制中，采樣周期也可以取得很小，控制效果更接近于連續(xù)系統(tǒng)。把DSP與PC的各自優(yōu)勢結(jié)合將是高性能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本運(yùn)動控制器采用TI公司的高性能浮點(diǎn)DSP作為主控芯片，通過ISA接口與PC協(xié)調(diào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以PC計算機(jī)作為基本平臺，以DSP高速運(yùn)動控制卡作細(xì)插補(bǔ)、伺服控制的核心，對直線電機(jī)的運(yùn)動進(jìn)行控制，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。
1高速高精運(yùn)動控制卡的主要硬件構(gòu)成
本運(yùn)動控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制直線電機(jī)的運(yùn)動，要求4軸輸入和4軸輸出，采用光柵尺對輸入計數(shù)，16位并行高速DA輸出，運(yùn)動定位精度要求達(dá)到10nm，響應(yīng)時間<100ns。
高速直線電機(jī)是本系統(tǒng)的控制對象，它具有加速快(a>10g)，運(yùn)動速度高(v>300mm/s)的特點(diǎn)。要求控制系統(tǒng)有足夠短的響應(yīng)時間(<100ns)和足夠高的定位精度(10nm級)，因而系統(tǒng)的核心CPU的處理能力及運(yùn)算能力必須滿足高速要求；此外，直線電機(jī)運(yùn)動定位的核心是高精度的反饋控制裝置。直線電機(jī)的反饋控制裝置是光柵尺和高精度脈沖計數(shù)器，光柵尺發(fā)出與運(yùn)動距離成線性關(guān)系的脈沖數(shù)，脈沖計數(shù)器的計數(shù)值表示直線電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)動位置。經(jīng)計算，計數(shù)長度為28位的計數(shù)器才能滿足定位的精度要求，同時計數(shù)頻率很高。一般的通用計數(shù)器參數(shù)無法達(dá)到，所以設(shè)計一個特殊計數(shù)器是必要的。為了方便設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)，使運(yùn)動控制卡具有比較好的人機(jī)交互功能，系統(tǒng)必模壓電感器須具有與PC機(jī)通信的功能。
綜合考慮上述要求，系統(tǒng)的設(shè)計采用DSP+FPGA的形式，由DSP主控芯片作為中央處理模塊，F(xiàn)PGA作為反饋計數(shù)模塊且負(fù)責(zé)板上的部分邏輯譯碼工作，PC通信接口模塊采用雙口RAM，輸出模塊用D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn),如圖1所示。 
1.1DSP模塊
基于DSP的運(yùn)動控制系統(tǒng)一般采用TI公司的TMS320C24x系列芯片，但24x系列是16位定點(diǎn)處理器，運(yùn)算能力有限。不能滿足本系統(tǒng)規(guī)劃的高速高精要求，為此，我們選用了TI公司的TMS320C32DSP作為主控芯片。
TMS320C3X系列芯片是美國TI公司推出的第一代浮點(diǎn)DS電感公式P芯片，具有豐富的指令集、很高的運(yùn)算速度、較大的尋址空間和較高的性價比，在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。TMS320C32是TMS320系列浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器的新產(chǎn)品，在TMS320C30和TMS320C31的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化和改進(jìn)。在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)主要包括可變寬度的存儲器接口、更快速的指令周期時間、可設(shè)置優(yōu)先級的雙通道DMA處理器、靈活的引導(dǎo)程序裝入方式、可重新定位的中斷向量表以及可選的邊緣/電平觸發(fā)中斷方式等。
對TMS320C32的開發(fā)可以用匯編語言，也可以用C語言。使用匯編語言的優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)行速度快、可以充分利用芯片的硬件特性，但開發(fā)速度較慢，程序的可讀性差；而C語言的優(yōu)勢在于編程容易、調(diào)試快速、可讀性好，可以大大縮短開發(fā)周期，但C語言對于其片內(nèi)的沒有映射地址的特殊功能寄存器不能操作，如IF和IE，AR0～AR7等。
1.2FPGA模塊
該部分主要功能為大功率電感一個4通道的針對光柵尺的脈沖計數(shù)器，此外，還承擔(dān)部分地址譯碼的工作。但由于脈沖計數(shù)頻率高，計數(shù)量大，所以必須選擇高容量、高性能的可編程邏輯器件。
ALTERAFLEX(FlexibleLogicElementMatrix)10K系列FPGA，規(guī)模從一萬門到十萬門,可提供720功率電感器～5392個觸發(fā)器及6144～24576位RAM,提供30ns、40ns及50ns等幾個速率等級，可適應(yīng)18～105MHz的信號處理速率。ALTERAFLEX10K系列FPGA主要由輸入輸出單元IOE、掩埋陣列EAB、邏輯陣列LAB及內(nèi)部連線組成。EAB是在輸入和輸出端口加有寄存器的RAM塊,其容量可靈活變化。所以,EAB不僅可以用于存儲器,還可以事塑封電感器先寫入查表值來用它構(gòu)成如乘法器、糾錯邏輯等電路。當(dāng)用于RAM時,EAB可配制成多種形式的字寬和容量。
LAB主要用于邏輯電路設(shè)計,一個LAB包括8個邏輯單元LE,每一個LAB提供4個控制信號及其反相信號,其中兩個 大功率電感廠家 |大電流電感工廠
