基于PCIE總線(xiàn)3D打印機運動(dòng)控制系統設計

摘要：為了使3D打印機的多個(gè)伺服電機運動(dòng)得更快、更精確，提出一種基于PCIE總線(xiàn)運動(dòng)控制系統的解決方案，并設計完善了整個(gè)運動(dòng)控制系統的硬件架構。該系統的創(chuàng )新之處在于硬件部分通過(guò)PI3EQX5801對PCIE總線(xiàn)信號進(jìn)行加強處理，使PCIE總線(xiàn)信號在經(jīng)過(guò)長(cháng)達1～3 m的傳輸后仍保持高度的有效性。實(shí)際應用表明，此系統具有響應時(shí)間短、定位準確的特點(diǎn)，滿(mǎn)足設計要求。

引言

目前3D打印機在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到廣泛應用，隨著(zhù)3D打印技術(shù)的革新，3D打印不僅在傳統的制造行業(yè)體現出非凡的發(fā)展潛力，而且其魅力延伸至食品制造、服裝奢侈品、影視傳媒以及教育等多個(gè)與人們生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)對比各種芯片性能，選用PEX8311與X7043協(xié)同工作，PEX8311芯片對 PCIE總線(xiàn)信號進(jìn)行譯碼，生成16路總線(xiàn)數據和地址信號，這些控制信號可用于X7043運控控制芯片，保證同時(shí)對最多4臺伺服電機進(jìn)行實(shí)時(shí)同步的控制。實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現即使3D打印機與主控機相距3 m，誤碼率仍在萬(wàn)分之一以下，對3D打印機的運動(dòng)控制性能有明顯提升。

1 總體設計

該套方案的系統結構圖如圖1所示，在整個(gè)設計中，用戶(hù)控制主機，向下發(fā)送指令，指令信息最先到達PCIE板卡，指令經(jīng)過(guò)處理(如打包)按照PCIE總線(xiàn)協(xié)議發(fā)送到信號加強轉接板，該板需插入機箱內部插槽(金手指)，經(jīng)過(guò)信號加強芯片，對PCIE總線(xiàn)信號加強，P13EQX5801芯片對信號重驅動(dòng)后，信號能傳輸的有效距離將大大增加。

總線(xiàn)信號中的讀/寫(xiě)信息都是以高頻差分對的形式傳輸，對特征阻抗的要求非常高，按照PCI2.0總線(xiàn)協(xié)議，差分對在PCB走線(xiàn)時(shí)不能超過(guò)15 cm，只有進(jìn)行重驅動(dòng)，才能使PCIE總線(xiàn)信號到達打印機的運動(dòng)控制模塊，否則在線(xiàn)路傳輸中信號將被干擾而失真，不能實(shí)現主機對3D打印機運動(dòng)控制系統的實(shí)時(shí)操作。

運動(dòng)控制系統硬件主要由上位機、工控機、P13EQX5801重驅動(dòng)電路、PEX8311解析電路、X7043控制電路和3臺伺服電機驅動(dòng)系統組成，圖2 所示即為整個(gè)系統結構。上位機為用戶(hù)提供操作界面，工控機則用來(lái)發(fā)送上位機下達的指令給下位機，PCIE總線(xiàn)信息首先經(jīng)過(guò)PI3EQX5801進(jìn)行重驅動(dòng)處理，以使信號在進(jìn)行遠距離傳輸后不失真。在多軸運控控制電路板上裝有PEX8311、X7043和CPLD芯片，PEX8311對傳輸過(guò)來(lái)的總線(xiàn)進(jìn)行信號解析，產(chǎn)生能被X7043使用的數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)信號，CPLD用于采集編碼信號和來(lái)自伺服電機驅動(dòng)器的信號，進(jìn)而準確控制電機運行狀態(tài)。著(zhù)重介紹具有創(chuàng )新意義的PI3EQX5801的使用。

2 PI3EQX5801的電路設計

PI3EQX5801特性：兼容PCIe 2.0協(xié)議，可調節量化接收器，兩路5.0 Gbps差分信號對，100 Ω匹配電阻差分輸入端，為引腳加強的配置輸出且能控制擺幅輸出，單通道的輸入信號檢測和去噪，自動(dòng)接收檢測，低電壓工作為-330 mW(3.3 V)/-150 mW(1.5 V)，采用TQFN(4×4 mm)20引腳封裝。

這款低功耗、高性能的信號驅動(dòng)器是為PCIE 2.0協(xié)議特別研制的，芯片提供可編程量化器，去加重，具有輸出幅度控制功能，通過(guò)抑制系統內多樣的物理媒介產(chǎn)生的干擾來(lái)優(yōu)化芯片的性能。芯片支持兩路100 Ω特征阻抗的差分信號輸入/輸出，使用戶(hù)平臺上的ASIC協(xié)議信號在經(jīng)過(guò)轉換機構、導線(xiàn)或遠程數據線(xiàn)路后仍有效。

當通道使能時(shí)，EN#=0，開(kāi)始操作，通道的輸入信號極性決定輸出極性，而不管輸出是否激活。當輸入通道的信號下降到閾值(Vth-)以下時(shí)，輸出也被驅動(dòng)到相同的電壓。另外在有信號條件下，當EN#=1時(shí)，芯片會(huì )進(jìn)入低功耗的待機模式。PI3EQX5801還包含一個(gè)完全可編程的I2C總線(xiàn)接口。當 I2C總線(xiàn)控制模式使能時(shí)，I2C EN=1，量化、輸出擺動(dòng)和去加重功能的設置可以通過(guò)編輯相應的寄存器得到調整。

特別注意的是該芯片的輸出振幅設置，當信號頻率為2.5 GHz時(shí)，電阻的選型可根據表1進(jìn)行選擇，在默認情況下輸出的振幅為被加強。

數據發(fā)送周期以主控制器產(chǎn)生的一位開(kāi)始位開(kāi)始，芯片在識別這個(gè)開(kāi)始位后，將監督下一位信息，看該數據是否與它的地址匹配。當發(fā)現匹配后，在接下來(lái)的時(shí)鐘信號里，它將回應一個(gè)讀或寫(xiě)的數據。每字節后都必須跟著(zhù)一位應答位，除非最后的一個(gè)字節以一位停止位結束。在一個(gè)發(fā)送周期中，跟著(zhù)地址字節的第一個(gè)數據字節是偽字節或填充字節，并不被PI3EQX5801使用。這個(gè)字節是為了兼容使用10位地址的系統而產(chǎn)生的。數據傳輸中最先傳輸最重要的數據。

重驅動(dòng)的電路設計參考了百利通公司給出的標準圖，為了讓電路具有對其他設備的適用性，保留了官方配置時(shí)需要的各個(gè)電阻，在做PCB板時(shí)加入了撥碼開(kāi)關(guān)，可以根據不同需要進(jìn)行模式選擇。

3 PEX8311設計

PEX8311起到橋梁作用，它將PCIE總線(xiàn)變成一般的局部總線(xiàn)信號。芯片支持3種不同的總線(xiàn)協(xié)議或模式。由于該芯片引腳足夠滿(mǎn)足本控制系統的設計要求，所以該系統中使用C(非復用)模式，總共96個(gè)引腳。作為L(cháng)ocal總線(xiàn)的主控方，PEX8311提供了一個(gè)32位的地址用于數據傳輸，8位數據傳輸時(shí)，LAD[31：0]提供字節地址;16位數據傳輸時(shí)，LAD[31：1]提供字地址，LAD[0]為0;32位數據傳輸時(shí)，LAD[31：2]提供雙字地址，LAD[1：0]為00。作為L(cháng)ocal總線(xiàn)的從控方，主控方以32位地址訪(fǎng)問(wèn)PEX8311，LAD[1：0]忽略，在A(yíng)DS#有效期間、LCLK上升沿到達時(shí)或者ALE有效時(shí)，輸入的地址被鎖存入PEX8311中。

在一個(gè)數據周期中，作為L(cháng)ocal總線(xiàn)的主控方，PEX8311通過(guò)總線(xiàn)數據寬度訪(fǎng)問(wèn)方式可以提供8/16/32位數據傳輸通道;作為L(cháng)ocal總線(xiàn)的從控方，32位的數據總線(xiàn)被用來(lái)讀取/寫(xiě)入PEX8311。

PEX8311上電后接收PCIE協(xié)議信息完成自身的初始化，對局部總線(xiàn)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。初始化過(guò)程代碼如下：

4 X7043電路設計

X7043作為大規模集成電路，能產(chǎn)生控制伺服電機和步進(jìn)電機速度和位置的脈沖序列，最多能控制4個(gè)軸。芯片單元包含一個(gè)S形或線(xiàn)性的加速/減速脈沖發(fā)生器、一個(gè)線(xiàn)性插值除法器、一個(gè)基于形或三角形驅動(dòng)的減速點(diǎn)自動(dòng)計算器、多個(gè)編碼器和計數器的輸入腳(可用作當前位置計數器或偏差計數器)，一個(gè)回原點(diǎn)的傳感器接口、一個(gè)限位傳感器接口、一個(gè)伺服驅動(dòng)接口、一個(gè)8位多用途的輸入口和一個(gè)8位多用途的輸出口。輸入為PEX8311解碼后的數據信號，包括16位地址和8位數據，由于X7043只有8位輸入，所以我們只用到了16位地址線(xiàn)中的8位。

X7043擁有多種指令形式，分別對應多種功能，發(fā)送命令代碼時(shí)，代碼先進(jìn)入命令寄存器中。該系統最常用的命令代碼有00h、01h、指數驅動(dòng)，這樣的驅動(dòng)形式伴隨加速和減速過(guò)程，電機會(huì )先加速到最高速度，在最高速運行一定時(shí)間后進(jìn)入減速狀態(tài)，到達目標位置時(shí)剛好停止。電機轉速狀態(tài)如圖3所示。

X7043使用前需先下載應用文件，對需要的功能進(jìn)行配置，具體配置方法參考官方的使用手冊。

梯形正弦加速度設置公式：

Tsg=f×K×R5/131 072

梯形正弦減速度設置公式：

Tsg=f×K×R6/131 072。

其中，K代表速度分辨率，K=f/65536×R0;f為參考時(shí)鐘頻率;R0頻率系數寄存器值;R5為加速度設置寄存器值;R6是減速度設置寄存器值。

PEX8311寫(xiě)給X7043的程序代碼如下：

實(shí)驗中，對伺服驅動(dòng)器輸出數值進(jìn)行采集，并對各軸的目標位置與實(shí)際位置進(jìn)行分析，調整梯形規劃算法并優(yōu)化上位機程序，以提高電機響應速度。實(shí)際效果圖如圖4所示。

圖中預設是反向220 r/min，粗線(xiàn)是實(shí)際轉速，細線(xiàn)為設置轉速，可以看出電機的轉停沒(méi)有較大的沖擊，并且能夠達到很高的控制精度。

結語(yǔ)

此運動(dòng)控制系統采用具有高速數據處理能力的芯片，對從上位機下發(fā)的指令信號進(jìn)行一整套的解析，在3D打印機的多軸控制試驗中取得了很好效果，這套體系也可用于多軸控制的其他設備中。作為新方案，軸的運動(dòng)速度及精度與進(jìn)口3D打印機相比還有一定差距。若要達到國外高級3D打印機的打印精度，還需在控制算法上進(jìn)行深入研究。目前，3D打印機在國內應用市場(chǎng)前景很廣闊，這套運動(dòng)控制系統為高精度、高效率的3D打印機設計提供了新思路。