基于CPLD的編碼器解碼接口、PWM輸出方案及其在運動(dòng)控制卡和伺服驅動(dòng)器中的應用

　　引言

　　在數控機床或其他數控設備中，往往都會(huì )用到光柵尺或編碼器等位置傳感部件，用以來(lái)測量機械運動(dòng)部件的實(shí)際運動(dòng)位置及速度信息。那么光柵尺或編碼器測量到的數值，就需要專(zhuān)門(mén)的接收部件來(lái)處理。一般的編碼器輸出的信號是AB(或ABZ)相正交編碼信號，之所以這樣編碼也是為了將方向信息加入碼流，同時(shí)也有利抗干擾等方面的處理。因此在接收這個(gè)信號時(shí)就需要專(zhuān)門(mén)的解碼接口電路，將所得的數據也就是實(shí)際運動(dòng)位置/位置信息傳遞給處理單元，或通過(guò)總線(xiàn)(比如PCI)傳遞給數控設備的中央控制系統中，讓控制系統的軟硬件根據測來(lái)的實(shí)際信息與理想(邏輯)信息進(jìn)行對比，然后根據比較的誤差結果再去調節運動(dòng)部件的位置和速度，或做其他中斷、開(kāi)關(guān)性的輸出動(dòng)作以達到控制機械運動(dòng)的目的。甚至，通過(guò)一套完整的算法來(lái)把位置、速度、力矩等信息納入體系中來(lái)，做實(shí)時(shí)反饋處理，這也就是我們所說(shuō)的閉環(huán)(半閉環(huán))處理，我們常見(jiàn)的算法就是PID(或PI)算法。這樣以來(lái)，就比較方便于讓機械設備在全自動(dòng)的運行下達到快、準、柔的特性。

　　1 用CPLD來(lái)實(shí)現編碼器解碼接口及PWM輸出功能

　　現在市面上已經(jīng)有專(zhuān)用的編碼器信號/AB相正交編碼信號解碼接口芯片，主要是歐美等國家提供的芯片，比如HCTL-2016/HCTL-2020等產(chǎn)品。但是這些產(chǎn)品性能價(jià)格比還是比較差，功能不夠豐富，使用起來(lái)也不靈活方便，很難適合廣大客戶(hù)的需求。

　　而用中規模的CPLD來(lái)完成AB相正交編碼信號解碼功能的設計，就成了一個(gè)選擇，加之CPLD的可塑性，及日益走好的性?xún)r(jià)比趨勢，這種方案甚至成為了唯一的最優(yōu)選擇。

　　一般情況，Altera/Lattice/Xilinx的市面主流的CPLD都可以滿(mǎn)足設計的需求，邏輯在中等規模，約500-1000宏單元，就可以完成1-4通道解碼AB相正交編碼信號解碼功能，并且可以外加1-4通道的PWM發(fā)生，以及多路數字量I/O的擴展功能?；蛘咄瓿?-4軸AB相解碼外加可編程脈沖發(fā)生功能。

　　而要充分利用CPLD的資源，并且達到一個(gè)高性能、高可靠性的設計，是需要足夠的技術(shù)力量保障的，這樣才會(huì )有高性加比的產(chǎn)品出現。

　　深圳市斯邁迪科技發(fā)展有限公司正式這樣的公司，專(zhuān)業(yè)從事運動(dòng)控制SOPC(即CPLD、 FPGA)的芯片級技術(shù)方案和平臺級技術(shù)方案開(kāi)發(fā)，并向市場(chǎng)推出多款運動(dòng)控制SOPC芯片產(chǎn)品。其中SM2100系列就是1-4路的ABZ相編碼器信號的解碼及PWM輸出功能SOPC產(chǎn)品。

　　以下是2100系列的功能介紹

　　1.1 SM2100特點(diǎn)簡(jiǎn)介

　　SM2100提供了1-4通道的ABZ相解碼、4倍頻、16位的編碼器計數范圍和16位的PWM脈沖發(fā)生的功能。同時(shí)在芯片內部附加了8路通用輸入和8路通用輸出。由于芯片是SOPC技術(shù)方案，因此還可以根據客戶(hù)的具體需求做定向化的設計。

　　圖1是其功能框圖。下面是其性能指標：

　　輸入時(shí)鐘CLK頻率最高到80MHz，標準輸入頻率40MHz;

　　PWM的占空比調節范圍0～4095，頻率調節范圍150Hz~150KHz;

　　16位編碼器計數器，可達計數范圍為：1~ 65535;

　　AB相輸入可4倍頻，AB相輸入內接3階數字低通濾器，濾波帶寬4級可調。

　　圖1：SM2100功能框圖

　　1.2 SM2100的設計應用說(shuō)明

　　SM2100是一個(gè)SOPC方案，它的應用特點(diǎn)如同常見(jiàn)的ASIC一樣方便，通過(guò)8位CPU接口與主控器件接口，通過(guò)內部寄存器來(lái)設置其工作狀態(tài)及功能。

　　其中CPU接口非常簡(jiǎn)單：

　　8根雙向數據總線(xiàn)：D0~7;

　　7根地址總線(xiàn)：A0~6;

　　1根片選線(xiàn)：CS_n;

　　1根讀允許線(xiàn)：RD_n;

　　1根寫(xiě)允許線(xiàn)：WR_n。

　　也可以根據用戶(hù)需要，提供16位總線(xiàn)接口。除了數據總線(xiàn)增加到16根外，其它信號與8位總線(xiàn)接口相同。

　　下面是主要的功能設置寄存器介紹。通過(guò)這些寄存器的描述，應用工程師們可以一目然地看清了SM2100的具體功能及如何使用。

　　1.3 SM2100的主要功能原理及應用介紹

　　A、編碼器解碼計數功能

　　下圖2是解碼計數部分的原理：

　　圖2：解碼計數部分的原理

　　SM2100芯片有1-4通道16位ABZ相編碼器計數器。通過(guò)讀取各通道的計數寄存器(CNT*)可以得到該通道當前的計數值。對各通道的計數清零寄存器(CNT*_CLR)的寫(xiě)操作將把該道的計數寄存器清零。

　　每道計數器的輸入端都有4倍頻電路和3階數字濾波器電路。數字濾波器的帶寬分4檔可調，分別是10M,5M,2.5M,625K，分別可以濾除ABZ相信號上的寬度小于300ns、600ns、1.2us、4.8us的干擾。對模式寄存器(MODE)的寫(xiě)操作可以分別設定各通道的濾波器帶寬。

　　在Z相信號的上升沿，會(huì )把當前的編碼器計數值鎖存在索引寄存器(CNT*_IDX)中，同時(shí)把狀態(tài)寄存器(STATUS)中的對應標志位置1。CPU芯片可以依據SM2103的狀態(tài)寄存器和索引寄存器的值進(jìn)行回零點(diǎn)處理。狀態(tài)寄存器的索引標志位在狀態(tài)寄存器讀操作后自動(dòng)清零。

　　B、PWM輸出

　　SM2100芯片有1-4通道16位PWM輸出。用于產(chǎn)生互補(差分)的脈寬調制信號有死區控制功能?？梢杂脕?lái)對3相位晶體管的控制完成電機控制中的功率驅動(dòng)和3相逆變器功能，也可以或結合低通濾波完成DA轉換功能。

　　PWM輸出脈沖的周期可以通過(guò)往控制寄存器PWM_TL、PWM_TH寫(xiě)入數據來(lái)設置。有效數據為16位，即PWM_TL的8位和PWM_TH的低4位。

　　第n通道的脈沖寬度可以通過(guò)往控制寄存器PWM_WnL、PWM_WnH寫(xiě)入數據來(lái)設置。有效數據為16位，即PWM_WnL的8位和PWM_WnH的低4位。

　　往PWM_EN寄存器的最低位寫(xiě)入1時(shí)，使能PWM;寫(xiě)入0時(shí)，禁止PWM輸出(輸出0電平)。

　　當PWM脈沖寬度的設置大于脈沖周期的設置值時(shí)，輸出脈沖的占空比保持為100%。

　　C、通用IO應用

　　對SM2100芯片的通用輸入輸出的操作，直接對GPI 、GPO寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)即可。這項功能可以用來(lái)完成對系統中的開(kāi)關(guān)量控制，或類(lèi)似于PLC中的I/O點(diǎn)控制。

　　2 2100的應用方案舉例介紹

　　2.1 SM2100芯片在運動(dòng)控制卡中的應用：基于PCI的讀數卡SMP330

　　SMP330卡是利用SM2103及PCI接口芯片設計出的32位PCI總線(xiàn)的3通道AB相解碼計數和PWM輸出卡。該卡適用于電機控制，數控機械系統中的位置監測。它體現了上述SM2100系列芯片的一切功能特點(diǎn)，包括3通道16位A/B相編碼計數器，3個(gè)16位的PWM信號輸出，和多路通用的數字輸入、輸出通道。

　　因為是板卡級別的產(chǎn)品，因此還做了系統性質(zhì)電路調理處理。例如編碼器信號接口采用差分輸入接收，高速光電隔離;PWM輸出經(jīng)過(guò)74LS06芯片OC輸出;數字量的輸出輸入都經(jīng)過(guò)光電隔離，其中輸出還經(jīng)過(guò)達林頓管增加驅動(dòng)電流;此外還在板上增加了隔離電源模塊，用以增加系統的抗干擾性。

　　下圖3是SMP330的系統功能框圖：

　　SMP330卡可以用到多個(gè)應用領(lǐng)域：電機控制、過(guò)程監視、工業(yè)過(guò)程控制。具體的有：抄數機、測量分析儀器、半自動(dòng)化定位機器、PC機數顯等。它可以完成系統中的讀數功能，也就是對實(shí)際位置/速度信息的測量，還有利用PWM功能對電機進(jìn)行控制，同時(shí)數字GPI/O功能也可以用來(lái)對系統進(jìn)行I/O擴展。

　　比如抄數機。我們在實(shí)際工件的設計生產(chǎn)中，對一些較復雜或不規則工件的機械外型設計比較困難，同時(shí)也特別消耗時(shí)間。這種情況下，如果有實(shí)際的參考實(shí)物，利用抄數機的位置探測部位對實(shí)物的外殼的實(shí)際位置信息快速而又精準的測得，直接利用測得的數據恢復出其“外貌”來(lái)，則設計就是一個(gè)快速高效的仿制了。那么這個(gè)抄數機設備中主要的處理部件就可以利用SMP330卡來(lái)實(shí)現。

　　圖3：是SMP330的系統結構框圖

　　2.2 SM2100芯片在數字伺服驅動(dòng)器中的應用

　　已經(jīng)有部分客戶(hù)利用SM2100芯片方案來(lái)實(shí)現其伺服驅動(dòng)器產(chǎn)品了，在產(chǎn)品里擔當速度與位置的接口處理功能，以及對PWM輸出產(chǎn)生的功能。

　　此處以無(wú)刷直流數字伺服驅動(dòng)器為例。一個(gè)無(wú)刷直流電機的控制原理框圖可以用下圖4來(lái)表示。

　　圖4：無(wú)刷直流電機的控制框圖

　　我們如果對上圖3進(jìn)行深一步的全數字化電路設計性細分，可以得到如下的圖5數字直流伺服系統功能框圖：

　　圖5：數字直流伺服系統框圖

　　那么，在上圖5中蘭色框體部分就可以用SM2100系列芯片方案來(lái)實(shí)現，灰色框范圍內的功能則可以用DSP或FPGA來(lái)實(shí)現，這樣就形成一個(gè)全數字伺服系統方案。當然在這個(gè)系統中，SM2100只是成但部分的功能及接口，主體的閉環(huán)算法處理是在DSP或FPGA實(shí)現(用FPGA方案實(shí)現也是深圳市斯邁迪科技發(fā)展有限公司的產(chǎn)品之一，它囊括了2100在內，更主要的是新型FPGA的特點(diǎn)使得比起DSP方案來(lái)有獨到的優(yōu)勢，此處不再贅述)。

　　這樣的方案里面，結合SM2100來(lái)實(shí)現，優(yōu)點(diǎn)是增加系統可靠性、性能好。

　　綜上所述，一個(gè)數字直流伺服系統(驅動(dòng)器)的處理部分實(shí)現，就可以用一個(gè)DSP結合一個(gè)SM2100芯片就完成了。