基于DSP與FPGA的運動(dòng)控制器設計
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1 系統總體設計
運動(dòng)控制器的總體性能指標為：作為一個(gè)單獨的運動(dòng)控制器使用，控制信號采用數字量方式輸出，能控制四軸的伺服電機；最高脈沖輸出頻率為4MP/s，能處理的編碼器反饋信號最高頻率為4MP/s；能接收和處理4路編碼器反饋信號；可以處理原點(diǎn)信號、正負方向信號、到位信號以及急停信號等數字量輸入信號；提供16路數字量輸出信號和16路數字量輸入信號接口。運動(dòng)控制器采用DSP與FPGA芯片作為主控芯片，主要包括DSP模塊、FPGA模塊、FPGA外圍電路模塊和數字量輸入輸出接口模塊。
采用基于DSP與FPGA的運動(dòng)控制器，能夠實(shí)時(shí)完成復雜的軌跡運算，而且利用DSP的高速數字信號處理功能和FPGA功耗低、主頻高的優(yōu)點(diǎn)，能充分顯示該運動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)。采用DSP與FPGA相結合的運動(dòng)控制器可以方便地對系統的控制策略進(jìn)行修改，對控制參數進(jìn)行修正，并可使設備具有良好的可靠性、可維修性，而且還降低了成本。系統還可以采用更多的智能控制策略，結構靈活，有較強的通用性，適合于模塊化設計，能夠提高算法效率，且易于維護和擴展?？傮w設計方案原理框圖如圖1所示。
2 系統硬件設計
2.1 DSP模塊
本控制器采用TI公司的TMS320F2812為主控芯片，它是32位的控制專(zhuān)用DSP，內含FLASH，主頻高達150 MHz，具有數字信號處理、事件管理和嵌入式控制功能，適用于大批量數據處理的場(chǎng)合。
選用TI公司生產(chǎn)的TPS767D318芯片來(lái)實(shí)現TMS320F2812的電源設計，將5 V電源分別轉換為3.3 V和1.8 V。SRAM是DSP常用的外圍存儲器，它具有接口簡(jiǎn)單、讀寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇大小為64 KB的隨機存儲器CY7C1021作為存儲器擴展芯片。DSP F2812與CY7C1021接口電路如圖2所示。
復位電路設計采用TI公司的TPS382x系列電壓監控電路，此系列電路不需要外圍電路即可組成監控電路。SCI模塊用于擴展RS-232和RS-485串行通信接口；CAN模塊和外部CAN工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)相連；外部接口用于與FPGA連接和擴展數字量輸入輸出。
2.2 FPGA模塊
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5 980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200 MHz、92 160 bit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。
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