基于 FPGA 的独立轴运动控制系统设计-论文.pdf

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1、第34卷第4期核电子学与探测技术Vo1．34No．42014年4月NuclearElectronics&DetectionTechnologyApr．2014基于FPGA的独立轴运动控制系统设计高富强，陈春江，黄朕，栗忍(1．重庆大学自动化学院，重庆44；2．重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室ICT研究中心，重庆400044)摘要：独立轴运动控制系统在机床与检测上都有应用，尤其是在CT中的径向、层厚和插值等部分。当前独立轴控制系统结构复杂、可扩展性差、成本高、响应速度慢、电路板面大，本文依此提出基于FPGA的独立轴运动控制系统，应用VH

2、DL编程方式在FPGA中实现。系统开发成本低、可靠性高、扩展性强，能够有效进行系统控制，可应用于各需要独立轴运动控制的系统。关键词：现场可编程门阵列；独立轴运动控制系统；RS485通信；超高速集成电路硬件描述语言中图分类号：TP27文献标志码：A文章编号：0258-0934(2014)04443_05工业CT系统是无损检测的重要手段J，控制关系到系统的整体性能J。根据工业CT包括机械系统、运动控制系统、数据处理系统、技术和原理J，针对独立轴控制器部分，以FP辅助系统。运动控制系统性能是CT控制系统GA作为核心控制芯片，控制器按功能划分包达到

3、空间分辨率的关键因素之一】。其中，在括脉冲下发部分、位置反馈部分、通信部分和按CT中的径向、层厚和插值调节中都有独立轴的键显示部分。控制器通过RS485通信方式接应用。典型CT结构如图1。收上位机发出的命令，经由FPGA处理后发出被涮工作相应的脉冲信号控制驱动器驱动下位机运动，这里的控制信息主要包括位移、方向和启停命令，脉冲量控制位移，脉冲频率控制运行速度。程序设计是基于VHDLJ。与此同时，编码器将电机产生位置信息通过脉冲信号的形式反图1典型运动控制系统馈，再通过串口，将反馈信息显示在PC上，便于实时监测与控制，达到提高控制精度的目的。1

4、系统总体设计方案同时，还有限位开关装置保障系统安全。系统包括控制器、驱动器、执行机构和反馈为了调试方便，该运动控制器还配置了数码管装置。系统的执行机构主要为电机，对电机的和按键，用按键可以取代上位机对控制器发送控制指令，数码管既可显示按键内容，又可显示收稿日期：2013—06—13上位机发送的控制指令，让控制更加直观方便。基金项目：中央高校基本科研业务费独立轴运动控制系统总体框架如图2所示。(CDJZR12120000)。2控制系统硬件设计作者简介：高富强(1956一)，男，教授，检查技术及其自动化仪表专业，研究方向为嵌入式数据采集，工业2

5、．1系统硬件的总体说明自动化。该独立轴运动控制系统总体包括上位机、443程简化如图5所示。图2独立轴运动控制系统总体框图控制器部分、驱动器部分和下位机部分。驱动器选用松下的MINASA4，基于FPGA的独立轴运动控制器核心芯片为Cyclone，下位机部分配置了编码器(或光栅尺)和限位开关等机构。上位机通信选用RS485进行。图5控制总体流程图对应的控制器结构如图3所示。3．2主程序设计通信模式选用RS485半双工，其收发不能匠咽同时进行，所以要DE、RE引脚分别控制数据使上通——_．1!兰I伺服能端和接收数据端，由于DE高电平有效，REPC

6、■驱动————●篓运动控制嚣口接低电平有效，可以将DE和RE连在一起用一个口．．-一囹·I／O口控制，高电平时发送数据，低电平时接收数据。独立轴运动控制器系统中，通过上位机图3控制器结构图发送位置和方向指令，FPGA通过接收模块接2．2控制器设计收信息；光电编码器将反馈回的脉冲信号通过作为控制系统核心，主控芯片选择AlteraFPGA处理反馈给上位机显示出来。通过比较公司的Cyclone芯片EPIC3T1448，其容量高、需要发送的脉冲数和反馈回的脉冲数是否一致价格低、特性优良而且片上资源丰富，在同类产来判断电机是否运行到指定位置，一致时就

7、停品中性价比很高。以此作为核心的控制电路框止电机，不一致则用取得的偏差信号继续控制。图如图4所示。通信控制的主流程如图6所示。5电V源、3模．3块V、：24lV·5、VLIFPGA+__1J配TA置G模aN]式AS1品振和锁相环模块_+Cyclone1．I—Rs485通信模块IEPIC3T144c8Nu指示状态模块—-—一按键和显示模块I限位开关模块—_．·驱动器连接模块图4控制电路模块通信配置方面，为了系统的进一步扩展，在此选用tlS485通信模式，配置芯片使用图6主程序流程图3．3串口通信设计MAX485。安保方面，为了保障系统的安全性

8、，所以在此配置限位开关。在此选择凹槽式光电异步串El通信协议的工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。其工作时序限位开关EE—Sx672，检查距离为5mm，标准检查物件为