基于cpld的开放式四轴运动控制器的设计

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1、基于CPLD的开放式四轴运动控制器的设计基于CPLD的开放式四轴运动控制器的设计发布时间:2006年5月12日点击次数:734来源:电子技术应用作者:武汉华中科技大学（430074）李叶松董玮摘要：一种基于PC机的开放式四轴运动控制平台的软、硬件组成及设计方法。采用CPLD简化了平台硬件结构,利用PC机的资源实现了“软运动控制”功能。系统具有结构开放、使用方便、成本低廉、性能可靠等特点,可以灵活地实现定制应用。关键词：开放式系统运动控制器CPLD作为运动控制的核心部件,运动控制器普遍采用16位或32位微控制器,其灵活的系

2、统集成方式和高速的指令执行速度提高了运动控制性能、改善了控制系统的精度、增强了系统构成的灵活性。如DeltaTau公司的PMAC系列、MEI公司的XMP系列的产品,均采用了高速数据信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）技术,一般可以控制1～8个轴。这些基于PC机总线的运行控制器,虽然因采用高性能微处理器在信息处理速度方面有较大的提高,并在实际应用中提供了灵活的接口,但在使用以及系统集成的时候,仍然有很多不便,如价格比较高、应用非常复杂等。并且在结构上是封闭的,只能针对某一类型的应用,控制策略单一,很难同时满足

3、控制系统在多种应用场合中的要求,实际定制应用。过去,受计算机处理能力的限制,高性能的运动控制技术需要在板处理器如单片机或DSP上实现,一般PC机中的微处理器很难同时完成如轨迹插补运算和伺服控制运算等任务。目前PC机微处理器已经采用了更先进的工艺技术,信息处理能力明显提高,可以满足高速实时运动控制的要求,硬件支持能力大在增强,并且PC机良好的软件开发环境使构造开放式运动控制平台成为功可能。本文提出了一种不采用在板处理器而以PC机微处理器为控制核心的开放式四轴运动控制器,该运动控制器采用ALTERA公司的复杂可编程门阵列（C

4、PLD）EPF6016实现硬件管理功能,硬件的功能可以通过软件配置,而应用层的功能如运动轨迹规则和伺服控制等均由PC机完成。1系统硬件结构开放式四轴运动控制器的硬件结构如图1所示。其中,虚线框内的部分由ALTERA公司的复杂可编程门阵列EPF6016实现。FLEX6000系列器件EPF6016是ALTERA公司为大容量设计提供的一种低成本可编程交织式门阵列,共有16000个可用门,1320个逻辑单元,117个I/O引脚,每个I/O引脚都有独立的三态输出使能控制。该器件采用OPEFLEX结构,能在最小的芯片尺寸上保持高性能

5、和高布线率。器件的基本组成是逻辑单元（LE）。每个逻辑单元由一个4输入查找表、一个寄存器以及作为进位链和级连链功能的专用通道。每十个逻辑单元组成一个逻辑阵列块（LAB）。器件采用SRAM构造,可以通过外部EEPROM或控制器实现在线配置,能使设计者在设计初期以及设计测试过程中对设计作灵活的修改,同时也能够通过在线重新配置来改变其内部功能。运动控制器的硬件功能编程由ALTERA公司提供的MAX+PLUSII开发系统支持,设计采用了原理图输入方式,设计和调试比较直观、简便。该运动控制器的硬件结构分为以下几部分：（1）主机接口

6、电路：运动控制器采用了ISA-AT总线接口,同时设计了PC-104接口。数据总线宽度为16位,接口功能在EPF6016内部实现,其中包括总线地址译码、数据和命令锁存、中断及复位等功能。（2）光电编码器接口电路：运动控制器接收四路光电编码器差分输入信号作为位置反馈,最高输入频率为1MHz,输入的A、B相信号经过差动接收后,在EPF6016内部经过数字滤处理后进行倍频和辨向,产生的方向信号和脉冲信号进入16位加减计数器。系统软件可以计数而获得实际的位置变化。（3）模拟量输出电路：高性能的运动控制器应采用高分辨率的D/A转换器

7、。为了保证模拟量控制信号的精度,并考虑到模拟量信号在线上传输引起的漂移和电压降落,运动控制器和伺服驱动器之间的模拟控制接口信号至少应有12位以上的精度。本文中的运动控制器采用了低成本、小封装体积的双16位串行输入D/A转换器AD1866,构成双极性电压输出方式。在EPF6016内部设计了控制4路并发式并行/串行数据转换以及4路D/A地址选择电路,运动控制器的模拟量电压输出范围为±10V。（4）数字量输入输出电路：运动控制的所有I/O信号均采用光电隔离处理,考虑到I/O并关信号可能产生的信号抖动现象,对每一路I/O信号都进

8、行了相应的数字滤波处理以消除噪声信号。控制器设计了40路I/O信号,其中包括16路专用输入信号、2中特殊开关输入信号（用于坐标测量或定位的接触式测头信号和急停开关信号）,另外还设计了16路可编程通用I/O信号（8路输入/8路输出）。实际上,所有的I/O信号除个别信号具有独特的功能外,都是开放的,可以根据I/O信号除个