基于复杂可编程逻辑器件的多步进电机分时控制

2010-08-28石科峰何俊华

电机与控制应用 2010年6期

石科峰，何俊华

(中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安 710119)

0 引言

步进电机在工业、航天等领域的应用范围越来越广，不同的应用要求和环境对电机的控制也提出了不同的设计方法。比较常见的针对实现多步进电机的控制有两种:(1)完全基于运动控制卡，该方法设计简单，但需要多个运动控制卡，在硬件的连接上也比较复杂;(2)通过运动控制卡+继电器，对多电机的控制需要多个继电器占用空间且浪费成本。本文介绍的系统采用运动控制卡作为上位机，对电机进行分组选择，复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)作为下位机控制电机的通断，大大简化了电路，并节约了成本。

1 系统总体结构

该系统由运动控制卡模块、CPLD电路、4个组件控制模块(每组件8台，共32台电机)等组成。各组件控制模块相互独立，分别用于控制各组件的电机运动。控制部分采用深圳众为兴数控技术有限公司的ADT8940运动控制卡和Xilinx公司的XC9536CPLD，由于要控制32台电机，为了减少扩展I/O口的设计，系统采用CPLD取代传统的单片机［1］。运动控制卡通过PCI总线与计算机通信，其两个开关量的输出信号作为CPLD的输入信号，进行电机的分组选择，CPLD的输出信号通过模拟开关74HC4052使被选中组的电机导通。系统总体结构如图1所示。

2 系统的硬件设计

2.1 运动控制卡模块

运动控制卡完成电机运动控制的所有细节，包括脉冲和方向信号的输出、加减速的处理、原点、限位及电机的分组选择信号等。运动控制卡根据PC机的实时控制指令向步进电机驱动器发出脉冲、方向等控制信号，通过相应的步进电机驱动器驱动电机运行。系统采用的ADT8940有如下特点［2］:(1)基于PCI总线的高性能伺服/步进控制卡，支持即插即用。(2)脉冲输出方式可用单脉冲(脉冲+方向)或双脉冲(脉冲+脉冲)方式。该系统采用单脉冲方式，最大脉冲频率为2 MHz，采用先进技术，保证在输出频率较高时，频率误差小于0.1%。(3)速度控制可用定速和梯形加减速。(4)位置管理采用两个加/减计数器。一个用于内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置计数器;一个用于接收外部的输入，输入信号是A/B相输入的编码器或光栅尺，作为实际位置计数器。(5)计数器位数高达32位，最大范围为-2 147 483 648～+2 147 483 647。(6)所有输入、输出均采用光耦隔离，抗干扰性强。运动控制卡模块的关键在于软件设计，主要是根据PC机的实时指令，由两个开关输出量OUT0、OUT1作为CPLD的输入信号进行电机分组选择，脉冲和方向信号分别接到8块模拟开关74HC4052的16个公共端，由分组信号选通后接入电机。由于ADT8940是四轴控制卡，而系统每个组件有8台电机，因此需要2张运动控制卡，如图2所示。

图1 系统总体框图

2.2 CPLD电路

整个系统有四台组件，但要求同一时间只有一台组件在工作。由于是分时工作的，因此可以通过CPLD控制电路来选择四个中的一个组件，如果需要调整其他组件，可以再次进行选择。系统采用Xilinx公司的XC9536CPLD，属XC9500系列器件，是一款高性能、有特点的可编程逻辑器件。从结构上看，其包含三个单元:宏单元、可编程I/O单元和可编程的内部连线。其主要特点如下:(1)高性能。在所有可编程引脚之间pin-pin延时5 ns，系统的时钟速度可达到100 MHz。(2)容量范围大。容量范围为36个宏单元，可用系统门为800个。(3)5 V在系统编程，可以编程10 000次。(4)具有强大的强脚锁定能力。(5)每个宏单元都有可编程低功耗模式。(6)没有用的引脚有编程接地能力。

图2 运动控制卡

对于CPLD电路，运动控制卡的两个开关量输出信号作为CPLD的输入信号，进行电机的分组选择，CPLD的输出信号通过模拟开关74HC4052使被选中组的电机导通。因此，运动控制卡1的两个开关输出量OUT0、OUT1作为CPLD的输入量，进行电机的分组选择;16个输出量通过I/O口分别接到8个模拟开关74HC4052的位选端S0、S1。具体硬件连接如图3所示。

3 系统的软件设计

软件系统是实现控制系统硬件功能的基本保障，只有在软件的控制下才能实现对设备的运动控制功能。因此，软件在整个系统中占据十分重要的位置，其性能将会直接影响到系统的可靠性、操作方便性等［3］。主程序主要用于组件选择、速度和位置的设定、信息获取及位置的判断等，软件流程如图4所示。

3.1 运动控制卡软件设计

对于组件的选择，因为系统有四台组件，同一时间只有一台组件工作，设定OUT0、OUT1为组件选择信号，给定0为低电平，1为高电平。当选择组件1时，OUT0、OUT1输出00信号。同理，当选择2、3、4 组件时，分别输出01、10、11 信号。

图3 CPLD电路硬件连接图

图4 软件流程图

对于速度的设置，要求在电机不失步的情况下，位置完全由控制卡向电机驱动器发送的脉冲数量来控制［4］。但负载及运行速度的变化，可能会导致电机在起动时由于起动频率过高而出现失步，而在停止时由于惯性作用会发生过冲。为了避免电机失步，就必须采用与电机矩频特性相适应的速度控制方案，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐降速直至停止。因此，该系统根据总脉冲数量，通过设置相应的控制参数，自动选择加、减曲线来达到快速起停而又不失步的控制，该控制方法可大大提高电机的运行性能。针对电机驱动方式和位置的设定，ADT8940提供了专门的库函数。

3.2 CPLD软件设计

CPLD电路的主要功能是选择四个组件中的一个。当要选择组件1时，输入00信号，此时其16个I/O口输出8组00信号，然后接入8个模拟开关74HC4052的位选端，此时每个模拟开关选通1个(共8个)电机，此8个电机即为组件1。同样，当输入01信号时，I/O口输出8组01信号，选通组件2;输入10信号时，I/O口输出8组10信号，选通组件3;输入11信号时，I/O口输出8组11信号，选通组件4。流程如图5所示。

图5 CPLD软件选择组件流程

3.3 界面设计

为了更好地实施PC机的指令，需要制作一个简易的操作界面。通过该界面可以直接得到系统的状态、参数等信息，根据此信息可以方便地对这些参数进行调整和处理，以达到精确的控制效果。所有功能尽可能地安排在一个主界面中实现，标题、设置选项、操作按钮等一目了然，在力求简练的同时提供丰富的功能。通过VB编程，得到基本界面如图6所示，包括了起停、组件选择、速度和位置设置及系统的实际信息等。