??? 摘 要： 多軸聯動控制系統的設計是開放式數控系統" title="開放式數控系統">開放式數控系統研究的核心內容之一。根據開放式數控系統的定義和特點，介紹一種采用DSP和FPGA技術，基于ISA總線的四軸聯動" title="四軸聯動">四軸聯動運動控制卡" title="運動控制卡">運動控制卡的軟硬件設計與調試。該卡可以控制四個步進電機" title="步進電機">步進電機、直流電機或交流電機實現高速、高精度運動，且結構簡單、可靠性高。通過對BS42HB47-01型步進電機的四軸聯動控制測試，驗證了該控制卡的性能。
??? 關鍵詞： 開放式數控； 運動控制； DSP； FPGA
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??? 開放式數控系統是一個模塊化、可重構、易擴充的控制系統，數控系統的體系結構向開放式結構發展已成為潮流，國內各科研生產單位紛紛對其展開了研究[1]。本文根據開放式數控系統的定義和特點，采用模塊化的設計思想建立了一種開放式數控系統的結構模型，并對其中的關鍵模塊(軸控制單元)采用DSP（TMS320F2812）和FPGA技術進行了詳細的設計與調試。該控制卡可以實現四個坐標軸高速、高精度運動，結構簡單，且四個控制電機可以任意選擇。標準化的設計，使更多軸聯動時，可以選擇多塊控制卡，操作方便。
1 開放式數控系統結構模型
??? 鑒于PC機的強大功能及特點，基于PC機的開放式數控系統成為當前研究的熱點[2-3]。這種系統的結構可以分為三種類型：PC嵌入NC型、NC嵌入PC型和全軟件型。而比較經濟、容易實現的開放式數控系統是NC嵌入PC型結構型式。這種數控系統的硬件部分由開放式體系結構的運動控制卡和PC機組成，即在通用PC機的擴展槽中插入專用的CNC卡(如運動控制卡)，機床的運動控制和邏輯控制功能主要由運動控制卡完成。因此，卡的設計成為系統性能實現的關鍵[4-5]。本系統采用NC嵌入PC機的結構模型，將以往的運動控制卡功能進行了分解，做了進一步的模塊化設計，并將其做成獨立的標準化單元控制模板，雖然系統的模塊數量有所增加，但開放性更強。整個系統的功能模塊有：軸控制模塊、伺服驅動模塊、位置檢測反饋模塊、開關量控制及輔助功能模塊、故障檢測模塊等。各功能模塊通過總線與PC機進行通信，由PC機來控制各實時模塊工作。系統的結構模型如圖1所示。
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??? 其中，軸控制模塊由TMS320F2812 DSP和FPGA構成，通過ISA總線與PC機通信，實現不同電機(步進電動機、直流電動機、交流電動機)的多軸聯動控制。位置反饋模塊主要用于閉環和半閉環數控系統中，直接或間接測出機床運動部件的位移，經位置反饋裝置進行處理后通過總線送回到控制系統和伺服系統中，并與控制指令相比較后經過控制計算，輸出控制指令，控制電機運行。用戶可以根據自己的實際需要選擇使用或不使用該模塊，可以自行設計該模塊所要實現的功能，靈活組建系統。增加了系統的開放性，提高了系統的性價比。
2 運動控制卡的硬件設計
??? 軸控制模塊是系統的核心控制單元之一，主要由TMS320F2812 DSP和FPGA構成[7]。TMS320F2812 DSP處理器是TI公司最新推出的32位定點處理器，實時控制能力很強，處理速度達150MIPS，指令周期6.67ns，能夠在一個周期內完成32×32位的乘法累加運算，或兩個16×16位乘法累加運算，能夠實時處理許多復雜的控制算法。處理器提供了多個通用數字量I/O引腳，這些引腳絕大部分是多功能復用引腳。內部有兩個事件管理器EVA和EVB，具有強大的控制功能，特別適合運動控制和電機控制。每個事件管理器包括通用定時器(GP)、比較器、PWM單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路(QEP)。EVA和EVB兩個模塊有相同的外設，可以實現多軸運動控制。TMS320F2812 DSP支持多種外設中斷， CPU能夠相當快地響應外設產生的中斷。而且DSP支持在線仿真和調試，用戶根據自己的要求，可以改寫自己的控制程序，通過JTAG接口進行調試和仿真。采用FPGA芯片設計系統，提高了系統硬件的集成度和二次開發的能力，從而增強了產品的可靠性和市場競爭能力。本次設計采用ALTERA FLEX10K系列的FPGA，有96個I/O引腳，1 728個邏輯單元，216個邏輯陣列塊，20 000多個可用門數，具有高密度和易于在設計中實現復雜宏函數與存儲器的特點[8]。
??? 軸控制模塊的原理圖如圖2所示。DSP完成比較復雜的插補" title="插補">插補和位置控制計算，通過GPIO產生步進電機聯動的控制信號；通過EVA和EVB控制伺服電機的驅動信號的產生。FPGA接收DSP最新脈沖寬度，產生PWM控制信號，控制伺服電機運動。通過ISA總線與PC機通信。雙口RAM用于PC機與DSP交換信息，實現數據雙向通信。
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3 系統的軟件設計
??? 軟件設計主要是實時插補程序設計及部分通信與管理軟件設計。選擇改進后的DDA插補方法，DSP可以在單個周期內完成取指、譯碼、執行操作，DSP最小時鐘周期為6.67ns，完成一次四軸的插補運算，大約需要75個指令周期。在插補控制中，對于步進電機的控制可以直接插補生成步進脈沖和轉向控制信號；對于直流電機的控制，經過插補計算和位置控制后，再通過PWM控制輸出信號；對于交流電機的控制，經過插補和位置控制后，通過SPWM或SVPWM控制輸出信號。DSP工作流程如圖3所示。
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4 四軸聯動仿真與調試
??? 首先，通過TDS510 JTAG Emulator和編程環境CCS2.0將編制好的控制程序和插補程序通過14針的接口下載到DSP中，對DSP進行在線調試，采用示波器觀測步進電機的控制脈沖和方向信號。然后對FPGA的邏輯、設計進行調試，通過示波器觀看波形。調試無誤后，將程序燒寫到EPROM中。四軸聯動插補仿真時，設定當前坐標原點為O(0,0,0,0)，終點為A(15，9,5,3),加工直線為OA。插補過程如圖4所示。deltx、delty、deltz、deltt代表x、y、z、t 四個軸溢出的脈沖，jrx、jry、jrz、jrt為余數寄存器存放的累加結果。圖4所示是經過左移規格化、半加載后插補運算的結果。
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圖4 四軸聯動軟件模擬
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??? 通過仿真器下載步進電動機的控制程序到TMS320F2812 DSP中進行波形檢測，來驗證控制算法和插補算法的正確性。
??? 圖5為檢測到的四軸聯動步進脈沖控制信號，圖6為步進脈沖信號和方向控制信號。聯動脈沖信號的分布與用VC仿真的數據吻合，證明電路工作正常。
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圖5 四軸聯動步進脈沖信號
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??? 將控制卡與電機相連，調試四軸聯動性能。步進電機選用型號為BS42HB47-01的電機，其電氣規格如表1所示。
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??? 驅動器選用等角度恒力矩細分型Q2HB44MA型驅動器，驅動電壓為直流12V～40V，內部采用獨特的控制電路，很好地兼顧了電機的高低速性能，使電機在高速運行時,輸出力矩比采用一般驅動器提高30%以上；低速運行時，具有良好的細分定位精度和平穩性（最高為200細分，最高反應頻率可達200KP/s）。
??? 實際測試時，DSP TMS320F2812工作時鐘為30MHz。由于電機反應頻率最高只能達到200KP/s，因此需在程序中加入延時，調整延時時間，使DSP TMS320F2812的輸出脈沖頻率為200kHz。實測電機轉速如表2所示。
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??? 表中電機脈沖當量δ和電機線速度V計算如下：
??? δ=π×d/(360°/α×k)
??? v =π×d×n×60
式中，k為細分數，n為電機轉速。
??? 從表2中可見，輸出脈沖頻率為200kHz，當驅動器的細分數設定為20時，電機的線速度為47.1m/min。
??? 而DSP的最高工作時鐘是150MHz，其輸出脈沖頻率可達2MHz，如果電機的最高反應頻率能夠與之相匹配，電機的最高線速度可達:
??? 47.1m/min×2MHz/200kHz=471m/min
??? 此時電機的脈沖當量為3.9μm。如果電機的脈沖當量是1μm，則電機最高線速度為471/3.9=121m/min。
??? 本文采用模塊化的設計思想，提出了一種開放式數控系統的結構模型。對系統中運動控制卡的設計采用了高性能的DSP TMS320F2812和高集成度的FPGA技術，使該系統硬件結構簡單、可靠性強；可以控制不同類型電機運動，操作靈活、適應性強。經測試，其運行速度高，可滿足高性能數控系統的需求，同時,因是標準化設計，提高了系統的性能價格比，值得推廣。
參考文獻
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[4] ?康健，陶濤，梅雪松．基于數字信號處理的多軸運動控制器設計[J].西安交通大學學報，2003，5(5)
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[8] ?楊恒,李愛國,王輝,等.FPGA/CPLD最新實用技術指南[M].北京:清華大學出版社,2005.