引言

　　當(dāng)今，開放式數(shù)控系統(tǒng)正在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，工控機(jī)通過PCI總線連接專用運(yùn)動控制卡的數(shù)控系統(tǒng)為流行。在運(yùn)動控制卡中，由于DSP采用多總線哈佛結(jié)構(gòu)使得處理指令和數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行，因此相比傳統(tǒng)控制中的單片機(jī)具有更多的優(yōu)勢。同時(shí)，運(yùn)動控制卡與PC機(jī)通過PCI局部總線通信，能夠達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而還保證了數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　系統(tǒng)概述

　　DSP模塊

　　DSP芯片TMS320LF2407A采用高性能靜態(tài)CMOS工藝，供電電壓僅3.3V；指令周期縮短到33ns。

　　作為系統(tǒng)的，TMS320LF 2407A主要完成復(fù)雜的運(yùn)動控制算法，比如升降頻控制、插入補(bǔ)償?shù)?。本設(shè)計(jì)主要是完成雙軸步進(jìn)電機(jī)控制，故插入補(bǔ)償采用經(jīng)典的DDA算法。由于本設(shè)計(jì)對步進(jìn)電機(jī)采用無反饋控制，這樣對步進(jìn)電機(jī)的升降頻控制就顯得格外重要，這也成了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)變速過程動力學(xué)特性，以指數(shù)曲線前段規(guī)律作為前后沿的近似梯形波，進(jìn)而確定升降頻特性，這樣既能保證步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程不會失步，又充分發(fā)揮了步進(jìn)電機(jī)的固有性能，使升頻過程達(dá)到時(shí)間短的要求。下面討論一下升降頻控制的算法實(shí)現(xiàn)。

　　升降頻控制

　　為實(shí)現(xiàn)所確定的運(yùn)行頻率—時(shí)間函數(shù)，通常是將其離散化，即將其轉(zhuǎn)換為脈沖時(shí)間間隔對脈沖個(gè)數(shù)的函數(shù)。另一種方法是按升降頻過程所走過的脈沖步數(shù)通過定步中斷來變頻。但是離散化方法既會引起頻率突跳和失步，又要進(jìn)行復(fù)雜的迭代運(yùn)算，而定步法同樣需要進(jìn)行迭代。這兩種方法在DSP上都不易實(shí)現(xiàn)且靈活性較差。為此本文研究了一種稱為定時(shí)的方法。

　　設(shè)運(yùn)行頻率為fh（電機(jī)恒速段的速度），升頻段總時(shí)間為ts。則根據(jù)步進(jìn)電動機(jī)指數(shù)型升頻過程的頻率—時(shí)間關(guān)系：

　　f（t）=fM-（fM-fb）*exp（-t/T） （1）

　　式中fb為步進(jìn)電動機(jī)起動頻率；fM為極限運(yùn)行頻率；T為驅(qū)動系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)

　　則有fh=f（ts）=fM-（fM-fb）*exp（-ts/T）

　　從而得到

　　ts=T*ln（（fM-fb）/（fM-fh）） （2）

　　將ts等分為N段，得到各段時(shí)間為：ta=ts/N

　　則在第i個(gè)等分段ta內(nèi)脈沖切換頻率和要送出的脈沖數(shù)分別為：

　　f［i］=f（i*ta）=fM-（fM-fb）*exp（-i*ta/T）（3）

　　X［i］=ta*f［i］ （4）

　　故升頻段的總步數(shù)為：

　　P=X［0］+X［1］+…+X［N-1］ （5）

　　將脈沖間隔1/f［i］轉(zhuǎn)換為DSP內(nèi)部16位定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)K［i］。轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

　　K［i］=f_DSP/f［i］， i=0，1，2…， N-1 （6）

　　由于降頻段特性變化規(guī)律與升頻段相反，可知降頻序列是升頻序列的逆序列。

　　電機(jī)在恒速步進(jìn)階段，以fh的換相頻率步進(jìn)。因此對應(yīng)的定時(shí)器時(shí)間常數(shù)為：

　　K［N］=f_DSP/fh （7）

　　恒速段總步數(shù)為：

　　X_h=X_total-2*P （8）

　　式中X_total為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的總步數(shù)。

　　電機(jī)運(yùn)行前，由主程序計(jì)算出升頻段和恒速段定時(shí)器時(shí)間常數(shù)序列K［i］（i=0， …，N-1），存放于DSP的SARAM中，形成一個(gè)K-P升速表格。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在線查表，并取出K［i］用于設(shè)置DSP的PWM中周期寄存器的值，從而不斷改變PWM波形的周期，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度調(diào)節(jié)。根據(jù)升速、降速或高頻恒速，決定升速表地址指針增1、減1或不變。通過這種定時(shí)的方法，一方面提高了系統(tǒng)的靈活性，可根據(jù)輸入的頻率、起動頻率等參數(shù)改變升降速表，另一方面升降速表的求取不占用運(yùn)行時(shí)間，從而提高了運(yùn)行效率。

　　系統(tǒng)的部分軟件流程

　　圖2為升降頻控制子程序流程圖，其中：p_SARAM為指向電機(jī)升降速時(shí)間常數(shù)表的指針，采用DSP的內(nèi)部SARAM來存放該表；X_up、X_con、X_down分別代表電機(jī)在升速段、恒速段、降速段要走的總步數(shù)；up_flag、con_flag、down_flag分別代表當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)（升速、恒速、降速）。

　　DSP與PC機(jī)的通信

　　DSP與PC機(jī)的通信通過CY09449連接，CY09449內(nèi)部帶有128KB雙向靜態(tài)SRAM，為了在工作中，使PC機(jī)和DSP對SRAM的訪問不會發(fā)生沖突，本設(shè)計(jì)中把SRAM均分為兩個(gè)單元A和B， PC機(jī)和DSP對這兩部分的操作采用乒乓操作模式。由于DSP具有外部數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展能力，所以該SRAM完全可以作為DSP的外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器，這樣在設(shè)計(jì)中便采用DSP的外部數(shù)據(jù)存儲器有效信號/DS來作為CY09449的片選信號/SELECT。

　　DSP的編碼接口

　　本設(shè)計(jì)也考慮到如果需要對電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，就需要對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。一般情況下，會運(yùn)用光電編碼器作為系統(tǒng)的閉環(huán)反饋元件。由于本設(shè)計(jì)是針對雙軸步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動，而單軸的光電編碼器就輸出兩相相差為90°的脈沖信號A、B，以及歸零信號Z（都是差分形式），這樣一共就有6路反饋信號。但是DSP只有兩個(gè)正交編碼單元，所以設(shè)計(jì)中把DSP的引腳PWM9和PWM10設(shè)為通用輸入腳。這樣，反饋信號經(jīng)過高速光耦隔離后，就送入到DSP的正交編碼接口QEP1/QEP2、QEP3/QEP4，以及PWM9/PWM10，然后由DSP對該反饋信號進(jìn)行計(jì)算處理，從而得出電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動信息。

　　步進(jìn)電機(jī)接口

　　本設(shè)計(jì)中通過DSP的PWM單元來對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。由于電機(jī)是功率器件，所以由DSP輸出的PWM波形不能直接輸入到驅(qū)動器中，而是必須采用光耦進(jìn)行隔離，這樣才能避免電機(jī)的大電壓信號把DSP燒壞。此外由于DSP輸出的PWM信號很弱，如果直接加在電機(jī)驅(qū)動器上，驅(qū)動器將檢測不到該信號，所以在DSP的PWM信號輸出級需加長線驅(qū)動。本設(shè)計(jì)中采用了5V的差分長線驅(qū)動器AM26LS31。

　　PCI模塊

　　本系統(tǒng)選擇PCI局部總線作為DSP與上位機(jī)的通信方式，主要是因?yàn)镻CI總線速率可達(dá)528Mbps，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。PCI總線的開發(fā)一般可以有兩種方案實(shí)現(xiàn)：一種是用FPGA實(shí)現(xiàn)；另一種則是使用專用的PCI接口芯片。為節(jié)省時(shí)間本系統(tǒng)選擇專用芯片CY09449進(jìn)行開發(fā)。該芯片采用3.3 V 單電源供電，兼容3V和5V 的PCI信號環(huán)境。CY09449的電源可由PCI槽引出，PCI槽可以提供3.3V、5V、12V電壓，在PCI槽有兩個(gè)引腳需特別注意：PRSNT1和PRSNT2，這兩個(gè)引腳接地和懸空的4種組合直接決定PCI卡的功率。CY 09449在使用時(shí)，某些引腳要加阻值為1k？～1Ok？的下拉或上拉電阻。根據(jù)本系統(tǒng)地具體情況在該設(shè)計(jì)中，SCL、SDA、ALE、/BE［2］、RDY_IN引腳加上拉電阻， TEST_MODE引腳加下拉電阻。

　　結(jié)語

　　基于PCI總線，配以數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大的DSP設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制卡，在開放式數(shù)控系統(tǒng)中能夠發(fā)揮出理想的運(yùn)動控制性能。隨著數(shù)控系統(tǒng)的普及和產(chǎn)品檔次的提高，這種運(yùn)動控制卡將會有廣泛的應(yīng)用前景。