一種嵌入式運動(dòng)控制器的實(shí)現

　　FPGA芯片選用Altera公司的Cyclone系列EP1C6TC44C8，這是一款高性能、低功耗的FPGA。EP1C6TC44C8具有2個(gè)鎖相環(huán)，包含5980個(gè)邏輯單元，相當于12萬(wàn)門(mén)的規模，同時(shí)還包含了最高頻率200MHz、92160bit的內部RAM。該芯片所擁有的邏輯門(mén)數量、頻率和引腳I/O等資源都能很好地滿(mǎn)足運動(dòng)控制器的設計要求。由于本系統的控制對象是伺服電機，所以設計中主要利用EP1C6TC44C8的I/O口設計電機控制信號的輸入輸出、編碼器信號的輸入與部分數字量輸入輸出。另外，該芯片在整個(gè)硬件系統設計完畢后還可以通過(guò)JTAG接口對硬件進(jìn)行重配置，可以增加系統設計的靈活性。

　　2.3 FPGA外圍電路模塊

　　X軸伺服電機控制電路如圖3所示。Y軸、Z軸、U軸伺服電機控制電路與X軸相同。

　　(1)輸入輸出開(kāi)關(guān)量接口設計。

　　輸入信號主要包括限位開(kāi)關(guān)信號LIMX+、LIMX-～LIMU+、LIMU-，伺服報警信號ALMX～ALMU和回零信號HMX～HMU。輸出信號主要包括伺服使能信號SRVX～SRVU和復位信號RSTX～RSTU。當檢測到這些信號后，確定具體觸發(fā)的信號，限位信號觸發(fā)，則立即停止對應電機該方向的運動(dòng)，直到限位消除，電機才能在該方向繼續運動(dòng);回零信號觸發(fā)，則電機等待Index信號的輸入后立即讓電機反向運行用戶(hù)設定的回零距離作為機械零點(diǎn);伺服報警信號輸入時(shí)，程序立即停止該電機的運動(dòng)，直到用戶(hù)將報警清除。

　　(2)輸出控制脈沖電路設計。

　　輸出控制脈沖信號為伺服電機的4路脈沖控制輸出信號。此控制采用“脈沖+方向”指令，由于每個(gè)控制軸分別有脈沖和方向信號，所以4路共8個(gè)輸出信號。輸出控制脈沖信號由FPGA輸出，要先經(jīng)過(guò)電平轉換，將FPGA的I/O引腳的3.3V變?yōu)?V，再經(jīng)過(guò)光電隔離，然后再經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器整形后輸出。由于脈沖和方向信號需要進(jìn)行差分，所以將信號接入差動(dòng)線(xiàn)驅動(dòng)器后再輸出。XPLS～UPLS為脈沖信號，XDIR～UDIR為方向信號。差動(dòng)線(xiàn)驅動(dòng)器由AM26LS31構成，該電路的功能是將輸入的單極性的方波信號轉化為一對極性相反的電機驅動(dòng)信號，它的高阻抗輸出狀態(tài)在電源掉電時(shí)是有保障的。

　　(3)反饋脈沖處理電路設計。

　　伺服電機的編碼器信號直接接入到電機驅動(dòng)器中，驅動(dòng)器提供三對差分信號A+、A-、B+、B-、Z+、Z-作為反饋。這三對信號由于受到驅動(dòng)器內部大電源的干擾，在電機旋轉時(shí)，所發(fā)出的信號會(huì )出現許多毛刺，直接接到FPGA中會(huì )引起誤判斷，所以三對信號經(jīng)過(guò)差分電路轉化為單路信號A、B、Z。差分電路由AM26LS32構成，該芯片功能與AM26LS31相反，該電路的功能是將輸入的一對極性相反的編碼器反饋信號轉化為單極性的方波信號。A、B兩路為正交編碼脈沖，Z路每轉產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖，用于回零時(shí)的精確定位。

　　2.4 數字量輸入輸出接口模塊

　　考慮到系統的可擴展性和DSP的GPIO口的數量，此運動(dòng)控制器在DSP與FPGA上分別設計8路，共16路數字量輸入輸出。運動(dòng)控制器的所有數字量輸入輸出信號均采用光電隔離處理，并對每一路信號進(jìn)行相應的數字濾波處理，以消除噪聲信號。數字量輸入通道可以根據用戶(hù)的要求自定義用途，用于零點(diǎn)、限位信號的輸入等;數字量輸出通道用于各軸方向、脈沖信號的輸出以及一些外部設備的啟?？刂频?。