（机械设计及理论专业论文）基于dspfpga的交流伺服同步控制系统.pdf

摘要 本文针对在印染行业中的平网印花机中的电气控制技术问题，即平网印花中 的电机同步控制，分析了交流伺服电机同步运行系统的特点，设计了基于d s p + f p g a 的多轴交流伺服电机同步运行控制系统。由于现代印花机的电器控制需要达 到很高的精度控制，对于先前由单片机控制的系统提出了更高的要求，尤其在对 花精度上，使得控制多台电机运动便成为电气控制中最为关键的一步。 系统的研究设计过程中主要包括硬件设计和系统软件设计，在该系统实现了 四部交流伺服电机同步运行的p i d 算法，并且使用模糊p i d 、智能p i d 改进了经典 p i d 算法，使其性能更加良好。在空载的条件下进行了不同转速的同步试验，试验 表明该系统可以实现多轴交流伺服电机同步运行的高精度控制。 首先在了解系统用途之后，选择了相应的芯片和设计电路，经过反复试验、 测试和修改，最后确定了控制系统的电路控制板，也是系统的主要硬件的部分。 中心运算部分采用t i 公司的d s p 系列高性能处理芯片，控制部分采用a l t e r a 的 f p g a 并行处理芯片，这两部分是系统的关键。系统的电源部分也是很重要的部分， 关系着器件是否能够正常工作，这个也是设计中的一个关键。在控制电路上采用 合适的时钟电路，保持整个系统运行的稳定性和可靠性。采用外部程序数据存储 器件便于系统在运行中有足够的空间存储实时数据和信息。 在硬件电路确定后，便开始进行对f p g a 和d s p 的软件编程设计。对于d s p 的 软件编程需要在t i 公司所提供的仿真环境c c s 2 0 ，而f p g a 的编程则需要在a l t e r a 公司提供的q u a r t u s 5 0 环境来进行。利用m t 测速法来确定电机转速，利用c 语 言来实现p i d 控制算法，并且对两种算法进行了分析比较。 在试验室中进行了试验，并且已经初步实现了软件仿真，得到了一些初步实 验数据，为下一步的现场实验做了充分的依据和准备。并且仿真结果也验证了本 文的正确性和实用性。 关键字：同步控制伺服电机多轴p i d 控制 t h ea cs e r v o m o t o r t u r n i n gs y n c h r o n o u s c o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p + f p g a a b s t r a c t t h e s i si sb a s e do np r o b l e mo ff l a ts c l - e e np r i n t i n ge l e c t r i cc o n t r o l l i n gi nd y e i n g i n d u s t r y , i t i st h ep r o b l e mo fs o r v om o t o r s y n c h r o n o u se l e c t r i c c o n t r 0 1 n 地 c h a r a c t e r i s t i c so fa cs e r v om o t o rs y n c h r o n o u so p e r a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d , b a s e do n d s p + f p g am u l t i a x i a la cs e r v om o t o rs y n c h r o n o u ss y s t e mi sd e s i g n e d b e c a u s eo f n o wp r i n t i n gm a c h i n ee l e c t r i cc o n t r o ln e e dh i 【g hp r e c i s i o nc o n t r o l ，i tp u t so u tan e w r e q u i r e m e n t sc o m p a r i n gw i t hs c m c o n t r 0 1 i np a r t i c u l a ri np a t t e r np r e c i s i o n , m a k et h e m u l t i a x i a ls g l v om o t o rs y n c h r o n o u so p e r a t i o nb e c o m eak e yp r o b l e m h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g na r em a i n l yi n c l u d e di nt h es y s t e mr e s e a r c h a n dd e s i g np r o c e s s p i da l g o r i t h mo ff o u rs r v om o t o rs y n c h r o n o u so p e r a t i o ni s a c h i e v e di nt h es y s t e m , a n dt h ep e r f o r m a n c eo fc l a s s i cp da l g o r i t h mi si m p r o v e db y f u z z yp i dc o n t r o l 。i n t e l l i g e n tp i dc o n u 0 1 i nt h ec o n d i t i o no fu n l a d e n , d i f f e r e n t r o t a t i o n a l s p e e d , t h es y n c h r o n o u se x p e r i m e n ts h o w s m u l t i a x i a ls c r v om o t o r s y n c h r o n o u so p e r a t i o nh i g hp r e c i s i o nc o n t r o li sa c h i e v e d f i r s t , a f t e rt h es y s t e mu s e sa 托u n d e r s t o o d , c o r r e s p o n d i n gc h i p sa n dc i r c u i ti s c h o o s e ，a r e rr e p e a te x p e r i m e n t , t e s t , m o d i f y , t h ef i n a lc o n u o lc i r c u i ti sd e t e r m i n e d , i ti s t h em a i np a r to fs y s t e mh a r d w a r e d s pc h i pi su s e di nc e n t e ro p e r a t i o n a lp a r t , f p g a c h i pi su s e di nc o n t r o lp a r t , t h o s et w op a r t sa r et h ek e yp a r to f t h ew h o l es y s t e m 1 1 1 e s y s t e mp o w e ri da l s oai m p o r t a n tp a r ta n dak e yp r o b l e mi nd e s i g n , i th a v et h e 托l a ：【i o n s h i pw i t ht h en o r m a lw o r k i n go ft h ee l e c t r i cc o m p o n e n t s 1 1 ”s u i t a b l ec l o c k c i r c u i ti su s e d , i tk e e p st h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m 1 1 1 ee x t e r n a lm e m o r y i su s e d , m a k es i 玳t h es y s t e mh a v ee n o u g hs p a c et os t o r ed a t aa n di n f o r m a t i o n a f t e rt h eh a r d w a r ec i r c u i ti sd e t e r m i n e d , b a s e do nf p g aa n dd s ps o f t w a r e p r o g r a m m i n gd e s i g ni ss t a r t e d d s pp r o g r a m m i n gi sd e s i g n e di nc c s 2 0s i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t , f p g ap r o g r a m m i n gi sd e s i g n e di nq u a r t u s 5 0s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t , m 厂rr o t a t i o n a ls p e e dm e a s u r e m e n ti su s e di nm e a s u r i n gm o t o rs p e e d , cl a n g u a g ei s u s e dt oa c h i e v ei np i dc o n t r o la l g o r i t h m , a n dt h et h e s i sc o m p a r et h et w op i da l g o r i t h m 1 1 呛e x p e r i m e n ti so p e r a t e di nl a b o r a t o r y , i th a si n i t i a lr e a l i z e dt h es t e po f s o f t w a r es i m u l a t i o n , s o m ee x p e r i m e n td a t ah a sg o t , a n do f f e rt h eb a s i sf o rn e x tf i e l d e x p e r i m e n t n es t r a t e g i ca n dc o r r e c l n e s so ft h et h e s i si s v e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n r e s u l t r e ng a o y a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg a ox i a o d i n g k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sc o n t r o l s e r v om o t o rm u l t i a x i a lp i dc o n t r o l 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程科技学院有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间，学位论文工作的知识产权归属西安工程科技学院。本人保证毕业离校 后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表文章时署名单位仍然为西 安工程科技学院。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅 或借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容；可以采用影印、缩印或其它 复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：4 瓴禹杨 指导教师繇多研一 一， 一 日 期：刃唧罗。t 6 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明：所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特 别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究 成果，不包含本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：1 & 南扬 日期：卅3 6 l 绪论 1 绪论 1 1 伺服控制系统的地位和发展趋势 伺服控制技术是一种伴随着计算机技术、信息技术、电子技术等发展起来的 一门自动控制技术，并且与传统机械学相结合，利用数字化信号对机床进行加工 控制的一种方法，是一门综合性的应用科学。 伺服控制技术是自动控制技术的一个重要分支，是实现生产自动化的核心。 随着与之相关的科学技术的发展，伺服技术也不断地被推向新的高度，越来越显 示出其在现代化生产中的地位。 随着现在制造业的成熟和发展，市场要求制造商有较强的市场应变能力，伺 服控制系统很快就成为了一种新的概念和手段，能够及时、经济地适应新的加工 要求及市场变化，从而为制造商提供了技术及其产品与任何的第三方技术或产品 进行集成的可能性。 伺服系统由伺服控制器和伺服电机两部分组成。目前，国内的伺服系统主要 采用步进电机和直流电机。由于步进电机伺服系统属于开环系统，结构简单，步 进电机存在电机丢步的现象，会对伺服系统的精度造成很大影响。普通直流电机 通过调节励磁电流和电枢电流，可以很容易地实现对转矩的控制。在国外，伺服 系统已经进入了“交流伺服系统”阶段。交流电动机具有结构简单、坚固耐用的 特点。随着电子电力器件的小型化和高能化，以及计算机计算的高速发展，过去 在技术上难以实现的交流电机控制问题都己迎刃而解，特别是新的控制策略矢量 控制的应用上，使得交流电机的性能取得了长足的发展，具备了宽调速范围、高 稳速精度、快速动态性能、转动惯量小及四象限运行等良好的技术特性，其动、 静态性能完全可以与直流电动机媲美，从而使交流伺服系统取得了主导地位“1 。 交流伺服有软件伺服和硬件伺服之分。硬件伺服单元一般工作速度很快，系 统的频率可以做得很宽，这使系统具有快速的动态响应性能和很宽的调速范围， 其缺点是难以实现复杂的控制方法，所需器件多、体积大和不易调试，还存在“零 点漂移”等问题。软件伺服单元的优点是用软件编程，易于实现较复杂的算法， 而且柔性好，硬件电路简单，设计比较紧凑。 本设计中采用的是正弦波电流驱动的永磁电机即永磁同步电机( f m s m ) 。它的 体积小，重量轻，效率高，冷却要求低，功率密度高，低速下可以满出力运行， 过载能力强，响应速度快，从而在数控机床进给伺服、机器人驱动等高性能运动 l 绪论 控制领域获得了广泛的应用。另外，永磁电机采用的永磁材料现今实用了价格较 低的新型高磁能材料，使电机具有更好的性能价格比 1 2 课题的背景及意义 在纺织印染行业中，印花机械按印花方式可分为平网印花机、圆网印花机和 滚筒印花机。平网印花机是印花机厂印制棉麻、化纤、丝绸等制品的主要设备， 比其他印花机有更好的通用性，通过多色套印可得工艺性极高的制品。并且平网印 花机以其花回大、花型精细而受到纺织印染企业的青睐。 印花工序是将染料或颜色配置成色浆( 染料+ 糊料+ 化学药剂) ，在织物上按 预先设定的花样图案上染，并进行织物烘燥，使其获得各色花纹图案的过程。 平网印花机的印花工艺流程图如1 - 1 所示。1 。平网印花机由进布装置、对中装 置、印花装置、水洗装置、导带驱动装置、机身提升装置、烘干机等组成。印花 织物由进布装置粘贴在沿经向循环运行的印花导带上，经过对中装置导入印花单 元；印花时，导带静止，印花装置的筛网下降，刮印器进行刮印，刮印完毕后， 筛网提升，织物随导带向前移动一个花回( 筛网中花纹的长度) 进入下一个印花 单元；印花结束后，由水洗装置清洗导带，印好的织物由导带送入烘干机烘干后， 以叠布方式导出落入布车。根据工艺和用户需求，每台平网印花联合机一般配有 1 0 1 6 套印花单元，印花台板长度达2 0 c m 以上。 导带 图卜1 平网印花工艺流程图 平网印花机的同步包括对导带速度的跟踪和对位置的同步控制。从整个控制 模型来看，整个系统的同步控制可以看成是由输入信号到输出信号的一个处理过 程。 平网印花的控制系统的优劣直接决定着整体性能的高低，印花精度的主要因 素是系统定位及电气运行速度，新一代印花机的定位精度要求达到较为理想的标 2 l 绪论 准；另一方面，系统的工作效率也须提高。控制电机即要有较高效率，又能精确 定位，成为系统设计之关键。当今随着伺服驱动技术的飞速发展，伺服驱动元器 件( 如伺服电机、伺服驱动器等) 的性能的不断提高，价格已经降低至可以接受 的水平，将伺服技术的强大功能应用到印花机已经成为国际趋势。 我国在8 0 年代末着手研究和引进交流伺服系统，但是至今全数字式交流伺服 系统的国产化步伐仍然缓慢，我国的交流伺服技术面临的形式异常严峻，研究开 发国产的数字交流伺服已迫在眉睫。采用永磁同步电机的交流伺服系统是目前高 性能伺服的发展方向。永磁同步电机是多变量、强耦合的非线性系统，并且要求 系统有很强的实时性。因而控制系统的计算芯片应该具有较快的计算速度；同时， 控制算法的复杂化也提出了这方面的要求。在9 0 年代末，我国才开始将交流伺服 系统引入平网印花机的应用上，并且也开始逐渐得到了广泛的应用。1 。 “交流伺服系统”克服了直流电机控制系统难以维护和难以实现高速驱动等 缺点，近年来发展很快。其突出优点是：电机制造成本低，结构简单，维护容易， 可以实现高压大功率及高速驱动，适合在恶劣条件下工作，系统成本将不断降低， 并能获得和直流电机控制系统相媲美或更好的控制性能。 目前，国内的永磁交流伺服系统主要采用单片机来实现。由于单片机的速度 和功能有限，使得伺服系统的性能受到一定的限制。主要表现为：电流环和速度 环的采样周期较长，降低了系统的调节频率，系统的动态性能下降；另外，由于 单片机不能产生空间矢量p w m 信号。因此，采用单片机来实现目前流行的s v p b i 技术要困难得多。 数字信号处理器( d s p ) 技术的发展为先进控制理论以及复杂控制算法的实现 提供了有力的支持，为高性能伺服系统的实现奠定了基础。由于d s p 采用了多总 线的哈佛结构、专用的硬件乘法器( 一个周期内完成乘法和加法两种运算) 、多级 流水线操作和专用的d s p 指令等方法使其获得了高速并行处理能力，能够实时地 完成复杂控制算法。d s p 已成为高性能处理器的首选器件嘲。 d s p 具有极高的速度，这可以大大缩短电流环和速度环的采样速度，提高系统 的调节频率，从而提高系统性能；另外，d s p 具有丰富的硬件资源，如专门的为逆 变和电机控制设计的事件管理器，可以方便地产生高性能的s v p l b i 信号，控制系 统的硬件结构将大大简化，也大大提高系统的可靠性。 从最新的文献报道看，国外很多公司都已经推出了基于d s p 的成型全数字交 流伺服产品，国内引进的较多是日本松下、安川的交流伺服系统。 目前，国内控制界也已掀起了利用d s p 来实现交流伺服系统的热潮，但还处 3 l 绪论 于起步阶段。而且在数字加工、机器人控制等多方面都需要多轴控制，所以国内 这一领域还有很广的应用前景嘲。 基于d s p 的永磁数字交流伺服系统，其中高性能的d s p 控制器为提高系统的 性能奠定了坚实的基础，已经成为当前一大研究热点。 1 3 本课题完成的任务 本课题从多轴伺服控制系统出发，给出了整体性的设计方案。根据在实际工 业生产中对平网印花控制系统的技术要求，从而提出了控制系统的构成方案。并 且对整个伺服系统硬件组成、功能与软件设计部分进行了研究和设计。 在硬件设计的部分，考虑到对多个运动轴上的控制与协调，给出了速度控制 方法，即脉冲控制、同步采集和同步响应。在软件设计的部分，设计了基于d s p 的软件系统，并且使用p i d 、模糊p i d 及其智能p i d 等方法进行控制、比较，经多 次反复的试验，达到了预期的效果。 4 2 系统的总体设计方案 2 系统的总体设计方案 2 1 课题的主要研究内容 伺服同步控制系统技术研究是一项系统工程，其研究和应用包含以下几个方 面： ( 1 ) 以d s p 为核心的运动控制伺服系统的研究 对d s p 的应用研究主要是集中于建立伺服运动控制系统平台、伺服控制算法 和能够共享兼容的接口，还包括利用i s p 芯片实现速度控制及d s p 外围接口，高 速实时数据处理。 ( 2 ) 全交流电机伺服控制的研究 基于控制对象，采用了新的手段和方法，并且对控制机理和核心做了深入研 究。在此基础上，对控制研究结果实用化。 ( 3 ) 伺服控制系统的应用研究 任何技术只有得到广泛应用才能保持其生命力。在研究中，需要将该技术推 广于其它应用场合，这对技术的发展和完善必不可少。 本课题主要是对伺服控制系统的应用技术进行相应研究和开发，结合现今伺 服技术控制，在完善和发展高精度实时性的控制器硬件平台和控制软件设计这个 思路上，开发出功能强大，可靠性高的新产品，为机电设备的伺服控制提供便捷 的技术解决方案。 2 2 系统设计的总体目标 整个伺服控制系统是应用于数控系统中的，因此要实现实时控制就必须具有 较高的实时性，并且要求控制器系统存在大量输出、输入口资源，这样才能完成 系统中各种复杂的状态控制与功能控制。数字信号处理器d s p 具有很高的时钟频 率，内部采用了流水线处理结构，所以在数字运算方面有极大优势，尤其适合用 于数控系统中的伺服运算及控制。这里，选用d s p 主要是用于处理所采集到的数 据，进行大量的运算处理。f p g a 器件使用分布式硬件资源实现高速的数值逻辑运 算，极大提高了系统的实时性能。 d s p + f p g a 最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而 2 系统的总体设计方案 提高算法效率；同时开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。 d s p 速度较快，需要译码的速度也必须较快。利用小规模逻辑器件译码的方式，已 不能满足d s p 系统的要求，同时d s p 系统也需要外部快速部件的配合，这些部件 往往是专用的电路，由可编程器件实现。f p g a 时序严格、速度较快，可编程性好， 非常适合实现译码和专门电路。d s p 用来运行系统应用方面的程序，而实时性强的 任务就放在f p g a 上，这样可以减轻处理器负荷，获得更大的带宽。这样就可以把 软件算法移植到硬件上来克服设计瓶颈。 从应用角度讲，实际工业应用场合中各种自动化操作是各种事物处理的结果； 从信号处理角度讲，控制系统本质是一个滤波器，系统实时性依赖于滤波器的工 作速度。将事物处理和实时信号结合在一起，本章提出了采用d s p + f p g a 构成系 统硬件结构。 在控制算法的应用中采用了p i d 控制算法，并且尝试采用了其他的p i d 改进 算法、模糊p i d 和智能p i d 控制算法，系统的性能将能够得到提高。 2 2 1 本课题涉及的理论技术 ( 1 ) 控制系统的理论技术 控制系统理论的实际应用前提是不能脱离被控对象的数学模型。所谓数学模 型，即为系统动态特征的数学表达式。它反映了系统输入、内部状态和输出之间 的逻辑和数量关系，这些数学关系表达式为控制系统的微处理机进行计算处理提 供了依据，即由系统的数学模型推出控制算法。 但是往往被控对象的数学模型不知道，并且在系统正常运行过程中，模型参 数也可能发生变化。所以利用控制理论去解决实际问题的时候，首先必须建立其 被控系统的数学模型，这是控制理论能否成功应用于实际的关键之一，是控制系 统设计的一个重要基础，有了适当的模型，才能进一步进行有关分析、设计和仿 真等工作。 ( 2 ) 数字信号处理在高精度伺服控制系统中的应用 传统单片机作为核心处理器的运动控制系统由于其自身的不足已经不能满足 现代化工业生产的需要，基于p c 机和多轴的运动控制器的开放式运动控制系统已 经成为当今主流。主要标志就是数字信号处理器d s p 的应用，使模块化和全面数 字化得以实现，使伺服技术由硬件伺服进入到软件伺服时代嘲。 ( 3 ) 伺服控制技术 伺服控制技术是在电机驱动技术研究基础上，随着科学发展而形成的- - i 】综 6 2 系统的总体设计方案 合性、多学科的交叉技术。它是在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转 交为预期的机械运动，实现机械运动中精确的位置控制、速度控制等。伺服技术 及其系统在工业、农业、国防等领域都有广泛的应用。它现在已随着计算机技术、 电子技术、控制技术和仿真技术等高新科技，进入了一个鼎盛发展时期。并且随 着交流伺服电机控制技术的改善和发展，永磁交流伺服控制系统的研制己成为热 点们。 2 3 课题采用的技术路线 本数控系统由上位机和下位机两部分组成，上位机使用基于w i n d o w s 2 0 0 0 的 p c 机，上位机用来实现用户接口的数据交换、电机运动代码和位置代码传送；下 位机实现插补、运算和位置控制等功能，下位机采用6 0 0 0 系列d s p 芯片和a l t e r a 公司e p l c 6 q 2 4 0 c 8 的f p g a 芯片。上位机与下位机之间使用高速u s b 2 0 接口进行 通信。 2 3 1 关键技术分析 ( 1 ) f p g a 的底层硬件开发 底层信号预处理算法的数据量大，对处理速度要求高，但运算结构相对比较 简单，适用于f p g 进行硬件实现。 ( 2 ) 在d s p 系统中使用c 语言进行编程控制 对于实时性考虑高层处理算法的特点是所处理数据量较底层算法少，高层运 算需要大量数据运算，算法控制结构复杂，运算速度高。利用寻址方式灵活、通 信机制强的d s p 来实现。 ( 3 ) 数字电路与模拟电路共存的混合电路版设计 ( 4 ) 计算机的接口技术等 ( 5 ) 伺服电机同步控制技术的研究及应用 ( 6 ) p i d 控制算法试验 采用了模糊p i d 、智能p i d 与经典p i d 在控制算法及其仿真试验上做以比较的 来进行研究 ( 7 ) 扰动控制理论 在实际的系统运动过程中，还会有系统扰动发生，对同步运行误差的影响较 大 7 2 系统的总体设计方案 2 3 2 控制系统硬件设计方案 控制系统的构成如图2 - 1 所示： ( 1 ) 采用专用电源管理芯片和看门狗，实时管理电源状态，实现对r a m 数据掉 电的保护，从而提高系统可靠性。 ( 2 ) 高速并行的数据采集系统，实现了对数据实时高速采集，对系统速度的 提高起到了很大作用。 ( 3 ) 大容量的数据存储系统，有高速的外部接口，用于对大量数据的管理和 监测。 ( 4 ) 高速的硬件数据处理系统，对于任何时候的状态、速度、加减速等状态 信息进行计算，读入读出。 ( 5 ) 运用全交流伺服电机作为平台的控制对象。 图2 - 1 控制系统总体构成 8 3 控制系统设计 3 控制系统设计 3 1 系统硬件各单元功能划分及设计目标 基于d s p - f f p g a 的运动控制系统集数据采集、运算、状态监测、信息存储、 信号控制等功能于一身，具有强大的功能，这同时也对单元的设计提出了挑战。 要完成这项复杂的开发任务，必须采用模块化设计思想，对整个系统按照功能进 行模块划分，分模块思想单元的功能。 根据硬件系统的总体方案，我们按功能将其分为主要的几大模块：系统供电 电源模块、数据采集模块、数据储存模块、a d d a 模块和数据运算模块。各个模块 之间关系如图3 - 1 ： 图3 - 1 硬件系统功能模块 3 2 系统供电电源的模块设计 运动控制器电路中需要给主要器件f p g a 与d s p 供电，这两种器件及外围电路 的电源情况比较复杂，i o 口电压与核电压都不相同，需要多电压给板上元器件进 行供电。系统设计对供电电源的要求是电压稳定；直流电流干净；无毛刺。否则 会对电路板上的电子元器件产生不良影响，所以在电路板调试的时候，也是首先 来测试电源部分，观察其工作情况，来保证电路板上的供电电源部分工作情况稳 定、良好。 9 3 控制系统设计 3 2 系统供电电源设计 m l m i 啪c ，r 图3 - 2 系统供电电源 如图3 _ 2 是系统供电设计电路，采用l m l 0 6 8 c m - - 3 3 低压差稳压器，主要用 来给系统供给3 3 v 稳定电压，电容c 4 5 、c 4 6 滤除电压的杂波信号干扰，起到限 流作用，并且其自身也有湿度保护，使得到的电压更加稳定、干净，保证整个电 路元器件的正常运行以及不被毛刺信号损坏。 3 2 2d s p 供电电源设计 图3 - 3d s p 供电电源 d s p 在系统中一般要承担大量的实时数据计算，在c p i j 内部，频繁开关部件会 使系统功耗大大增加。所以降低d s p 内部核心电压无疑是降低系统功耗最有效的 方法之一。 如图3 3 是器件t p s 7 0 4 4 5 是t i 公司的t p s t 0 4 4 x x 系列中的，是d s p 供电电 路所用的主要器件。它具有双通道输出，效率高、输出电流精度高、有电压监控 功能，并有上电延时复位功能，集成了s v s ( p o w e ro nr e s e t ) 的低压差电压稳压 3 控制系统设计 器，通过i 、2 两个输出口分别输出1 a 和2 a 电流嘲。其中p g l 、p g 2 是两路电源输 出，这两路输出是射极开路输出，需要加上拉电阻。当v o u t i 、v o u t 2 分别达到各 自规定输出电压的9 5 时，p g i 、p g 2 处于高阻状态。当v o u t i 、v o u t 2 分别低于 各自规定输出电压的9 5 时，p g l 、p g 2 处于低阻状态。当p 6 1 、p g 2 通过上拉电 阻接到3 3 v 的输出上，这样当v o u t 2 ( i 2 v ) ，也就是d s p 的核电压还没有达到要 求时，v o u t i ( 3 3 v ) 即i o 口的电压也不能够有大的输出。这样就保证了d s p 的 核电压与i o 电压有一个正确的上电顺序。此外，该设计响应快速精确，s v s 电流 监测，可以上电后复位，可以独立解决系统供电。该电路用于给d s p 供电，由外 部供给5 v 电压，利用电源芯片t p s 7 0 4 5 5 ，供给系统3 3 v 电压和i 2 v 电压。在其 + 5 v 的输入端加入0 2 2 u f 电容滤除杂波，复位为低电平。 3 2 3f p g a 芯片供电电源设计 图3 - 4f p g a 供电电源 如图3 - 4 是f p g a 的供电电路设计，芯片t p s 7 3 h d 3 0 1 是一种双通道，低压差 的电压调整器嘲，是d s p 和f p ( ；a 电路常用的供电电源芯片。这些器件需要混合多 输出电压，并且需要电流稳于7 5 0 m a 。此电路用于给f p g a 供电， f p ( ；a 有接口电 压与核心电压，基于f p g a 这个特性，此片输出两种不同的电压满足其要求。在输 入电压端口与输出端口都配置的了大容量电容和下拉电阻，这样用来滤除杂波。 3 2 4 备用电源设计 为了应对在系统运行中出现的各种情况，要实现在掉电时系统工作状态的保 3 控制系统设计 护。有些数据在系统读写、处理等过程中没有及时进入r a m ，掉电后就会失去这些 数据，这时就需要备用电源，在系统掉电的情况下及时上电，保证系统的正常运 行。 图3 5 备用电源设计 如图3 5 所示，其中t p s 7 5 7 3 3 是一个3 a 低压差电压稳压器，有可选择的四 挡精准输出电压，高速精准的响应，在供给3 a 的输出时误差不超过1 5 0 m v ，全负 载时的静电流为1 2 5 u a 嗍。并且还可实现3 3 v 与2 5 之间的转换。d y p g 为跳线片， 在调试中，将2 、3 管脚连接，使e n 管脚为低。这时启动t p s 7 5 7 3 3 ，完成转换与 供电。调试时，用万用表在这些输出管脚测量是否为稳定3 3 v 。 3 2 5 电源的看门狗电路设计 m r _ 图3 - 6 看门狗电路 如图3 - 6 所示的是系统电源看门狗电路。主要为了防止系统在运行期间死机 1 2 3 控制系统设计 或程序跑飞。在d s p 电源系统里，使用t p s 3 7 0 5 来作为看门狗电路的主要芯片， 用于监测系统的系统电源，极大地提高系统的稳定性，精确地比较i c 及其分离电 路。可在有外部供电的情况下重置，1 2 5 v 的门限电压可使在掉电、低电压下报警 或是电压高于5 v 时报警，还设有人工启动按钮，兼容t t l 与c m o s 两种电平如 果程序运行正常，d s p o u t i 便发出喂狗信号，r s t 信号一直处于高电平。如果程 序没有正常运行，d s p o u t i 就不能在规定1 6 s 内发出喂狗信号，r s t 就输出低电 平复位信号。通过组合逻辑，电源模块和看门狗电路中的复位信号都可以单独使 系统复位。 3 3 时钟电路设计 图3 7 时钟电路 时钟是整个系统电路设计，尤其是d s p 设计中一个重要的部分。因为在运动 控制系统中，对实时性要求很高，需要稳定及高效的时钟频率。如图3 7 就是系 统的时钟设计电路，p c f 8 5 8 3 是一个时钟日历芯片，2 0 4 8 字节静态c m o s r a m ，地 址和数据由两条双向i c 总线传送，地址端口a 0 用以给硬件地址编程，可以使之 与总线直接相连而不用额外加器件，s c l 与s d a 端口都与总线接口相连。芯片其中 有内置的3 2 7 6 8 k i z 的振荡电路，第一个8 位的r a m 用于时钟日历和计数器功能， 下一个8 位r a m 用于报警寄存器的编程，剩下则为r a i i 自由空间。 1 3 3 控制系统设计 在实际系统应用中，经常要对系统的输出频率进行倍频或是分频，以满足不 同模块所要求的不同频率。通常可以通过对输入的5 0 m 频率进行四倍频，提供给 系统核运行的2 0 0 m 时钟频率。再对2 0 0 m 进行二分频得到的l o o m 频率提供给外部 的s d r a m 进行对数据的读写操作。 3 4 系统的数据存储设计 3 4 1s d r 棚的应用与设计 d s p 是面向数据密集型应用，一般数据存储量较大，数据的访问速度也较快。 在处理比较复杂的数据运算时，d s p 的片内资源十分有限，所以需要扩充高速、大 容量的存储器。在选择存储器时，根据系统要求和今后功能扩展需要，在设计中 扩展了1 6 m x 3 2 b i t 的s d r a m 。存储器的最小访问延时是一个很重要的参数，在运动 控制电路板上有许多快速反应的器件，如果存储器反应的速度足够快，那么d s p 芯 片在访问它的时候就不需要用到r e a d y 信号，即不需要在访问周期中加入等待时 间。一 o 滋 图3 - 8s d r a m 电路原理图 如图3 8 所示的s d r a m 的型号为h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 e t 。s d r a m ( s y n c h r o n o u sd r a m ) 1 4 3 控制系统设计 同步动态随机存储器，也是p c 电脑上最为广泛应用的一种内存类型。即便在今天， s d r a m 仍旧还在市场占有一席之地。既然是“同步动态随机存储器”，那就代表着 它的工作速度是与系统总线速度同步的。与系统总线速度同步，也就是与系统时 钟同步，这样就避免了不必要的等待周期，减少数据存储时间。同步还使存储控 制器知道在哪一个时钟脉冲期由数据请求使用，因此数据可在脉冲上升期便开始 传输。s d r a m 采用3 3 伏工作电压，1 6 8 p i n 的d i m m 接口，带宽为6 4 位。所有的控制 信号、数据的输入、输出都是以一个基本的时钟信号为参考。在时钟的上升沿， 这些信号和数据都有效。s d r a m 可以与c p u 同步工作，无等待周期，减少数据传输 延迟。它可以与d s p 等高速芯片实现无等待操作，实现零等待访问。它的输入、输 出完全同步作用于时钟的上跳沿，内部的数据路径采用内部流水线方式来达到较 高的带宽，所有的输入、输出电压值都兼容l v t t l 电平。3 3 v 供电电压，6 4 k 字c m o s 工艺，1 6 个i o d ，工作频率1 3 3 h z ，自动自我更新。 图3 9s d r a m 关键时序 s d r a m 不同于普通d r a m 是基于它的特点：所有的控制信号、数据的输入输出都 是以一个基本的时钟信号为参考。如图3 9 所示是s d r a m 的关键时序，在每个时钟 的上跳沿，这些信号和数据有效。s d r a m 都是通过命令操作，命令是控制信号的组 合。典型命令包括有：激活( a c t i v e ) 、读( r e a d ) 、写( w r i t e ) 、预充电( p r e e h a r g e ) 等。 在与d s p 的e m i f 接口相连之后，e m i f 接口本身就能产生这些复杂的刷新信号和 时分复用控制，这样就使控制变得非常简单。在d s p 与的e m i f 接口在连接s d r a m 时， 接口的每一个引脚都有不同定义，这样就要详细对照t i 提供的d s p 与s d r a m 连接配 置表连线，否贝i d s p 就不能对s d r a m 进行正确的读写。s d r a m 访问速度快，与d s p 进 行数据交换时，其频率可以设到1 0 0 m ，并且还可以与e m i f 接口实现无缝连接。 3 控制系统设计 3 4 2 外扩存储器f l a s h 的应用与设计 图3 1 0 外扩f l a s h 电路原理图 对于d s p 来说，片内没有用户可用的r o m 。通常的设计方法是外扩r o m ，上电后 将程序从r o m 中引导到内部或是外部快速的r a m 中运行。该方法是一种常用的方法， 可靠，方便，灵活。上电后，若选择从e m i f 中引导程序，d s p 在运行初始化时，从 地址空间c e i ( o x 9 0 0 0 0 0 0 0 o x 9 f f f f f f f ) 开头的1 k b 代码传输到片内地址0 处。引 导程序时，从外部r o m 到d s p 的数据采取默认的传输时序。传输完成后，程序从地 址0 处开始运行。因此d s p 中要实现r o m 的自引导功能，必须将r o m 配置在d s p 的c e l 空间中。 如图3 1 0 所示的是一款c m o s - 1 - 艺f l a s h 型号为a m 2 9 l v l 6 0 ，即快擦型存储器， 是在e p r o m 和e e p r o m 的基础上发展起来的一种非易失性存储器。大小为1 6 i d b ，可 在系统编程，并且与高速度的芯片可以配合，反应时间可达8 0 n s 。3 3 v 供电，有 独立的地址与数据总线。在掉电的情况下可以保证数据不丢失，并且具有i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m ) 功能。数据擦除时是以区域为单位来进行操作的。 在地址线上输入地址后，1 e 置高，0 e 和c e 都置低，过9 0 n s 后，数据总线上 即可获得该地址中的有效数据。 1 6 3 控制系统设计 3 5 总线驱动电路设计 图3 1 1 总线驱动电路 如图3 1 1 所示是系统总线的总线驱动芯片，c o m s 低功率消耗，直接与t t l 电 平相连，进行1 6 位字节传输，直接实现电平的转换。输入可以选用3 3 v 或5 v 的 器件驱动。三态时，输出为5 v 。f p g a 中并不具有c p u 中央控制处理单元，必须将 功能集成到f p g a 的内部。同一系统中的d s p 和f p g a 之间属于短距离通信连接， 串口通路r s 2 3 2 标准中的联络控制信号线可以省略，仅仅保留收发数据线和地线。 3 6 数据采集模块 3 6 1f p g a 的基本结构 大规模可编程逻辑器件f p g a 是当今应用最广泛的可编程专用集成电路 ( a s i c ) ，它时钟频率高，内部延时小( n s 级) ，拥有非常充足的用户可自定义i o 资源，全部控制逻辑由软件完成，速度快、效率高；组成形式灵活，可以集成外 围控制、译码和接口电路；通过使用各种e d a ( 电子设计自动化工具) ，设计人员 可以方便地将复杂电路在f p g a 中实现。f p g a 的在线编程性能极大程度地减小硬件 电路调试设计的开销。在系统的多通道数据采集中，数据采集存储过程中要进行 1 7 3 控制系统设计 的是对时序要求很高的大量重复高速进行的逻辑控制、判断和数据读写操作，用 f p g a 刚好能够满足这些要求。 图3 1 2f l e a 内部结构原理图 图3 一1 2 是f p g a 的内部结构原理图嗍。f p g a 一般是基于s r a m 工艺，其基本可 编程逻辑单元几乎都是由查找表l u t ( l o o k - u p - t a b l e ) 和寄存器组成，查找表可 以简称为l u t ，l u t 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以 每一个l u t 均可看为一个有4 位地址线的1 6 x1 的r a l l 。当用户通过原理图或b d l 语言描述了一个逻辑电路以后，p l d f p g a 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可 能结果，并把结果事先写入r a m ，这样每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一 个地址进行查表，找出地址相应内容，然后输出即可。查找表一般完成纯组合逻 辑功能。 由于l u t 主要适合s