FPGA在运动控制系统中的应用

2005年第1期

文章编号:1001-2265(2005) 01-0063-02

・控制与检测・

FPG A 在运动控制系统中的应用

杨雷1, 　但永平2

(11东莞理工学院, 广东东莞　523106; 21郑州大学物理工程学院, 郑州　450052)

摘要:在我们研制的激光微加工闭环控制系统中, 光栅尺作为位置传感器, 其分辨率决定控制系统的精度。由于光栅尺分

μ辨率为4m 很难满足系统的要求, 因此设计了基于FPG A 光栅尺处理电路, 实现了四细分、辨向和可逆计数, 使分辨率达到

μ1m , 提高了运动控制系统的精度。关键词:四倍频细分; 辨向; E DA ; FPG A ; 控制系统中图分类号:TG806　　　文献标识码:A

FPGA Applies in The System of Control

Y ANGLei 1, 　DAN 22

(1. Dongguan University of technology , G ; Science &T echndogy , Zhengzhou University , , ) Abstract :A grating scale acts the a self -micro -processing system , a closed loop m ovement control system , and the res of control accuracy of this system. S ince the grating scale res olving power is μ4m which is insu , grating scale signal processing circuit based on FPG A is applied in this system to improve the grating scale res olving and the control accuracy of this system. The circuit accomplishes functions of four -fold subdivision , discern 2

μing direction and counter with 1m grating scale distinguish ability.

K ey w ords :fourfold -frequency and subdivide ; direction -judgment ; E DA ; FPG A ,control system

1　运动控制系统的组成

我们研制的激光微加工系统由三个部分组成:光学系统、PC 计算机主控系统以及电控系统, 见图1。系统的激

　图1　系统工作原理框

光光源固定, 光学系

μ统将激光束聚焦为直径10m

的光斑, 照射到工件上, 工件置于X -Y 平台上, 平台的移动带动工件运动, 利用光源和工件间的相对运动, 对待加工

图2　运动控制系统的组成

工件进行加工。控制器是电　

控系统的核心, 它通过驱动步进电机驱动X -Y 平台, 并以安装于X -Y 平台上的光栅尺作为位置传感器, 构成闭环的运动控制系统; 控制器通过串行通讯接口与PC 机双向通讯, 运动系统的目标给定值(加工轨迹) 以及控制模式由PC 机设定。PC 机与CC D 摄像机接口采集待加工工件的图像, 实现对工件的观察。

μμ因为聚焦后光斑直径为10m , 所以定位误差应优于5m [1]。

如图2所示, 运动控制系统由以下几个部分组成。

(1) 设定器:设定器的作用是进行控制目标值的设定, 在该系统中, 目标值设定由PC 计算机来形成并通过通讯接口下载至控制器。

(2) 数字控制器:数字控制器是控制系统的核心部件, 本系统控制器采用了高性能低价格的AT 89C52芯片, 还包含了系统

复位电路W DT 、存储电路NOVRAM 、通信电平转换接口M AX 202、电机驱动接口、键盘及显示接口、控制光电开关输出接口等电路。

(3) 执行机构:选用基于步进电机的TS A100-A 二维电控移动平台, 其主要参数:行程100mm ×100mm ; 分辨率(步距) 1. 25μμm , 满足所提出的位置控制误差为5m 的要求。

(4) 位置检测:光栅尺具有精度高、输出信号可以为数字量且方便安装在X -Y 平台上等特点, 系统中选用了韩国东山公

μ司的J E NIX 光栅尺(栅距为4m ) 作为位置传感器。光栅尺能够

将位移转换为脉冲个数, 通过脉冲计数(并考虑方向) 即可检测到X -Y 平台移动的位置。如果不对光栅尺信号进行进一步处

μ理, 位置测量的分辨率为光栅尺的栅距, 即4m , 而系统要求的

μ位置控制误差为5m , 位置传感器将很难满足系统的要求。而

高精度光栅价格昂贵, 因此我们用电路对光栅尺信号进行细分, 这部分功能由输入通道来完成。

2　光栅尺信号及对输入通道的要求2. 1　光栅尺信号分析

系统中使用的J E NIX 光栅尺输出信号是TT L 电平的方波, 有三个电信号A 相、B 相和Z 相。A 相信号为主信号, B 相为副信号, 两个信号周期相同, 均为栅距(空间周期) W , 相位差90°。Z 信号可以用来作为校准信号, 消除累积误差。

图3中说明了动尺移动时A 、B 信号的变化情况。在A 信号

[2]

的下降沿采集B 信号, 就可以判断出运动方向。图中前半部分为正向运动, A 信号比B 信号超前1/4W , 在A 信号的下降沿采集到的B 信号为“1”; 后半部分为反向运动, A 信号比B 信号滞后1/4W , 在A 信号的下降沿采集到的B 信号为“0”。根据采集到的运动方向和A 信号变化的周期数用可逆计数器进行计数, 就

收稿日期:2004-06-10

作者简介:杨雷(1964-) , 男, 河南邓县人, 东莞理工学院教授, 博士, (电话) 0371-6189426(E -mail ) dypwxl @sohu. com 。

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组合机床与自动化加工技术

可编程配置芯片如EPC1441, 进行配置, 会在上电时是自动给

EPF10K 10芯片进行配置。EPF10K 10器件具有高密度(可用逻辑门1万到25万; RAM :6114至4096位,512个宏单元) 、高速度、低功耗等特点。芯片内含有专用进位链和级联链以及快速通道, 因此它的互连方式十分灵活。

本电路是采用Altera 公司的Max -plus 为开发平台进行开发设计。Max -plus 为Altera 公司的专门开发平台, 它包括设计输入、编译、仿真、器件编程等功能。它使用方便, 允许用户用原理图、VH D L 语言、波形图等多种输入方法进行设计。

图3　光栅尺运动的

可以测量出总位移。该处理电路用到触发器、计数器等多种数字

集成电路。电路测量的分辨率为光栅栅距W 即4μm , 不能满足系统要求, 需要进行细分。

如果同时考虑A 、B 信号的上升沿和下降沿的各种情况, 就

μ可以实现信号的四细分, 其分辨率达到1m 。其主要电路有:细分辨向、计数和接口电路等。该功能可以由通用的数字集成电路来完成, 这种设计方法以前被采用过, 电路所用芯片多, 结构复杂。该功能也可以通过单片机以及一些外围芯片来完成, 这种方法通用性差, 编程复杂, 而且增大了单片机的负担, 机响应其它事件的实时性变差。

件;FPG A —, 计方法大为改观。器件来代替, 且有如下优点:利用E DA 技术, 功能实现灵活, 开发周期短; 电路系统微型化, 可靠性高; 有利于保护知识产权。该接口模块(输入通道) 的设计是基于FPG A 芯片完成的。

3. 2　细分辨向电路

光栅尺信号的细分与辨向是实现提高光栅尺测量精度的关

键性一步。在所参考的关于光栅辨向和细分电路的资料中, 很, 把辨向和细分电路分开来, , 而不是细, 。在考, 否则细分得再。

细分辨向电路用原理图法设计, 原理图如图5所示, 光栅尺输出的相差90°的方波信号I NA 、I NB , 经RC 滤波和施密特整形后(芯片外处理) 输出信号A 、B , A 、B 信号分别经第一级D 触发器后变为A ′信号,

再经过第二级D 触发器后变为A ″信、B ′、B ″号。D 触发器能对信号进行整形, 消除了输入信号中的尖脉冲的影响, 在后续倍频电路中不再使用原始信号A 、B , 因而提高了系统的抗干扰性能[4]。D 触发器的时钟是外部的有源晶振的脉冲, 其频率为1M , 远高于A 及B 波形变化的频率, 因而可以认为,D 触发器的输出端Q 能跟踪输入端D 的变化[4]。在四倍频辨向电路中, 采用组合时序逻辑实现对A ′信号进行、A ″、B ′、B ″逻辑组合。

2. 2　输入通道的要求

输入通道(处理电路) 设计有如下要求:利用FPG A 芯片完成双路光栅尺信号处理(2维X -Y 平台需要两个光栅尺) ; 四细分及

辨向功能;24位可逆计数器; 与数

字控制器(单片机为核心) 的并行图4　智能接口电路的功能图接口电路, 包括锁存、译码、清零电路等。

电路对外接口信号如图4所示:I NA1、I N B1、I NA2、I N B2分别为两路信号的A 、B 信号, 作为处理电路的输入信号,2路信号经四细分、辨向后, 对两路24位可逆计数器提供计数脉冲和方向信号。接口电路包括锁存、译码、清零电路等, 通过数据线D0-D7、地址线A0-A4、片选信号线/CS 、读写控制与数字控制器中单片机接口。接口采用8位数据总线, 计数值(48位, 占6个读口) 以及清零命令等数据交换均通过不同口地址的读写完成。该接口模块的操作与其它智能接口器件(如8255、8253等) 相类似。

图5　四细分与辨向电路

当光栅尺正向运动时, 从C LK ADD 信号端输出四倍频脉冲,

而C LK S UBB 端无信号输出。当光栅尺反向运动时, 从C LK S UBB 信号端输出四倍频脉冲, 而C LK ADD 端无信号输出。C LK ADD 和C LK S UBB 相与后作为可逆计数器的计数脉冲, 读出计数值便可得出光栅移动的位置。C LK ADD 和C LK S UBB 信号组成的RS 触发器电路可产生E NADD , E NS UBB 。E NADD 可作为可逆计数器的方向信号。

3　输入通道的设计3. 1　FPGA 器件的选择

根据设计要求, 综合整个电路所需要的管脚和宏单元的个数的估算, 选用EPF10K 10。它是A LTERA 公司的F LEX 10K 系列产品之一, 是一种嵌入式可编程逻辑器件, 它采用的是C M OS SRAM 制造工艺, 使用SRAM 来存储编程数据, 具有在系统可编程特性[3]。具体的配置方式有被动型和主动型两种, 其中被动型配置是在上电后由计算机把编译后产生的后缀为S OF 文件由专门的下载电缆配置芯片。而主动配置是在上电后由专门的

3. 3　计数电路

在本系统中所用的24位计数器采用VH D L 语言进行设计。定义输入信号:时钟C LK, 方向信号E NADD , 清零信号(后面有介绍) C LR 。定义输出信号:24位的计数结果C OUNT (23:0) 。通过VH D L 语言编写实现24位可逆计数器的功能。

(下转第68页)

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组合机床与自动化加工技术

择、数据采集、处理和测量结果, 打印输出的某发动机凸轮轴各

凸轮的升程误差表和升程误差曲线(限于篇幅, 仅给出升程误差曲线, 未将升程误差表给出) 。

(4) 其它项参数的测量、计算

参考文献[2, 3]中有详细论述, 这里就不再赘述了。

7　有关凸轮轴测量的几点说明

(1) 如果凸轮升程公差为分段标注不同的公差要求时, 则

　　(3) 凸轮升程的测量、处理

凸轮升程测量时, 凸轮每转过18″

软件就给出一个升程测量值, 经数据处理后, 软件按每1°输出测量结果(升程误差值、升程误差曲线) 。

图6是在广州威而信精密仪器有限公司生产的应分段评定;

(2) 为便于测量者观察, 测量软件输出的升程误差曲线, 应将“桃尖”置于曲线图形的中间(于180°处) 位置;

[参考文献]

[1]刘兴富, 用电脑找“桃尖”, 中国测试技术,2003(4) .

[2]刘兴富, , 机

(.

[3], 计量技术,2004(7) .

(编辑　李秀敏)

上接第64页)

3. 4　接口电路

接口电路用原理图法设计, 电路包括:

(1) 地址译码电路:输入信号为外部(微处理器、单片机等) 的地址线A0-A4、片选信号线/CS 、读写控制信号, 通过逻辑门电路的连接构成组合逻辑, 给每一个内部单元提供使能信号。

(2) 锁存接口电路:由于各内部计数单元工作属于动态过程, 因此单片机需要进行读取数据时, 应该先给其发出锁存信号然后读取数据, 以保证读出稳定的数据。锁存器输出设计为三态门输出, 与外部数据线连接, 三态门的使能信号由译码电路提供。

(3) 清零电路:电路中设计了计数器清零电路。清零脉冲是通过单片机写命令(8位) 内部进行译码的的方式进行的, 而不是使用一根信号线进行清零, 这样有效地防止了只使用一根信号线时受干扰等原因引起误清零现象的发生。

4　结束语

本设计经过仿真、编译实现后, 将代码下载至EPC1441可编程配置芯片, 属于主动配置模式。在接口模块上电后由EPC1441自动给EPF10K 10芯片进行配置。采用该输入通道, 对

μ光栅尺信号进行了四细分, 分辨率达到了1m 。以光栅尺做反

馈部件, 利用基于FPG A 的光栅尺智能接口模块做输入通道构

μ成闭环控制, 控制误差控制在2m 以内, 满足所提出的误差小

μ于5m 的性能要求。

[参考文献]

[1]裴红星, 刘建华, 杨雷, 等. 激光微加工系统中运动控制的实

现[J].组合机车与自动化加工技术,2004(3) .

[2]江月松1光电技术与实验[M].北京:北京理工大学出版社,

2000.

[3]潘松, 黄继业. E DA 技术实用教程[M].北京:科学出版社,

2002.

[4]孙贤颐, 等. 提高光栅测距精度的四倍频判向电路[J].北方

交通大学学报,1996(6) .

(编辑　江复)

图6　软件打印输出的凸轮升程误差曲线

轮自动测量仪上, 由WI LSON 测量软件, 完成参数输入、测量选