摘 要：本文針對數控系統的工作特點和要求,通過對TI公司DSP芯片TMS320LF2407A和Cypress公司PCI接口芯片CY7C09449PV-AC的功能和特點進行深入分析,設計了一種基于PCI局部總線的步進電機運動控制卡。該卡能夠較好地滿足數控系統對運動控制部件的實時性和控制精度的苛刻要求。
關鍵詞：PCI;DSP;運動控制卡
引言
當今,開放式數控系統正在工業領域得到廣泛應用。其中,工控機通過PCI總線連接專用運動控制卡的數控系統最為流行。在運動控制卡中,由于DSP采用多總線哈佛結構使得處理指令和數據可以同時進行,因此相比傳統控制中的單片機具有更多的優勢。同時,運動控制卡與PC機通過PCI局部總線通信,能夠達到很高的數據傳輸速率,從而還保證了數控系統的實時性。

圖1運動控制系統功能框圖

系統概述
系統的功能框圖如圖1所示。該系統的核心是TI公司的16位定點DSP芯片TMS320LF2407A。DSP芯片負責接收PCI局部總線的命令和參數,然后經過特定的運動控制算法,如系統位置、速度調節、插補算法等,從而完成對步進電機的精確運動控制。同時DSP芯片還負責將反饋信息傳輸給PCI局部總線,并且控制系統外圍I/O模塊。DSP芯片與計算機的通信通過PCI橋接芯片CY09449實現。
DSP模塊
DSP芯片TMS320LF2407A采用高性能靜態CMOS工藝,供電電壓僅3.3V;指令周期縮短到33ns。
作為系統的核心,TMS320LF 2407A主要完成復雜的運動控制算法,比如升降頻控制、插入補償等。本設計主要是完成雙軸步進電機控制,故插入補償采用經典的DDA算法。由于本設計對步進電機采用無反饋控制,這樣對步進電機的升降頻控制就顯得格外重要,這也成了整個系統設計的一個難點。根據步進電機變速過程動力學特性,以指數曲線前段規律作為前后沿的近似梯形波,進而確定升降頻特性,這樣既能保證步進電機運行過程不會失步,又充分發揮了步進電機的固有性能,使升頻過程達到時間最短的要求。下面討論一下升降頻控制的算法實現。

升降頻控制
為實現所確定的運行頻率—時間函數,通常是將其離散化,即將其轉換為脈沖時間間隔對脈沖個數的函數。另一種方法是按升降頻過程所走過的脈沖步數通過定步中斷來變頻。但是離散化方法既會引起頻率突跳和失步,又要進行復雜的迭代運算,而定步法同樣需要進行迭代。這兩種方法在DSP上都不易實現且靈活性較差。為此本文研究了一種稱為定時的方法。
設最高運行頻率為fh（電機恒速段的速度）,升頻段總時間為ts。則根據步進電動機指數型升頻過程的頻率—時間關系：
f(t)=fM-(fM-fb)*exp(-t/T) (1)
式中fb為步進電動機起動頻率;fM為極限運行頻率;T為驅動系統時間常數
則有fh=f(ts)=fM-(fM-fb)*exp(-ts/T)
從而得到
ts=T*ln((fM-fb)/(fM-fh)) (2)
將ts等分為N段,得到各段時間為：ta=ts/N
則在第i個等分段ta內脈沖切換頻率和要送出的脈沖數分別為：
f[i]=f(i*ta)=fM-(fM-fb)*exp(-i*ta/T)(3)
X[i]=ta*f[i] (4)
故升頻段的總步數為：
P=X[0]+X[1]+…+X[N-1] (5)
將脈沖間隔1/f[i]轉換為DSP內部16位定時器的時間常數K[i]。轉換關系式為
K[i]=f_DSP/f[i], i=0,1,2…, N-1 (6)
由于降頻段特性變化規律與升頻段相反,可知降頻序列是升頻序列的逆序列。
電機在恒速步進階段,以fh的換相頻率步進。因此對應的定時器時間常數為：
K[N]=f_DSP/fh (7) 恒速段總步數為：
X_h=X_total-2*P (8)
式中X_total為步進電機運動的總步數。
電機運行前,由主程序計算出升頻段和恒速段定時器時間常數序列K[i](i=0, …,N-1),存放于DSP的SARAM中,形成一個K-P升速表格。當電機運行時,在線查表,并取出K[i]用于設置DSP的PWM中周期寄存器的值,從而不斷改變PWM波形的周期,實現對電機的速度調節。根據升速、降速或高頻恒速,決定升速表地址指針增1、減1或不變。通過這種定時的方法,一方面提高了系統的靈活性,可根據輸入的最高頻率、起動頻率等參數改變升降速表,另一方面升降速表的求取不占用運行時間,從而提高了運行效率。
系統的部分軟件流程
圖2為升降頻控制子程序流程圖,其中：p_SARAM為指向電機升降速時間常數表的指針,采用DSP的內部SARAM來存放該表;X_up、X_con、X_down分別代表電機在升速段、恒速段、降速段要走的總步數;up_flag、con_flag、down_flag分別代表當前電機的運動狀態（升速、恒速、降速）。
DSP與PC機的通信
DSP與PC機的通信通過CY09449連接,CY09449內部帶有128KB雙向靜態SRAM,為了在工作中,使PC機和DSP對SRAM的訪問不會發生沖突,本設計中把SRAM均分為兩個單元A和B, PC機和DSP對這兩部分的操作采用乒乓操作模式。由于DSP具有外部數據存儲器擴展能力,所以該SRAM完全可以作為DSP的外擴數據存儲器,這樣在設計中便采用DSP的外部數據存儲器有效信號/DS來作為CY09449的片選信號/SELECT。

DSP的編碼接口
本設計也考慮到如果需要對電機進行高級精確控制時,就需要對電機進行閉環控制。一般情況下,會運用光電編碼器作為系統的閉環反饋元件。由于本設計是針對雙軸步進電機的運動,而單軸的光電編碼器就輸出兩相相差為90°的脈沖信號A、B,以及歸零信號Z(都是差分形式),這樣一共就有6路反饋信號。但是DSP只有兩個正交編碼單元,所以設計中把DSP的引腳PWM9和PWM10設為通用輸入腳。這樣,反饋信號經過高速光耦隔離后,就送入到DSP的正交編碼接口QEP1/QEP2、QEP3/QEP4,以及PWM9/PWM10,然后由DSP對該反饋信號進行計算處理,從而得出電機的實際運動信息。
步進電機接口
本設計中通過DSP的PWM單元來對步進電機進行控制。由于電機是功率器件,所以由DSP輸出的PWM波形不能直接輸入到驅動器中,而是必須采用光耦進行隔離,這樣才能避免電機的大電壓信號把DSP燒壞。此外由于DSP輸出的PWM信號很弱,如果直接加在電機驅動器上,驅動器將檢測不到該信號,所以在DSP的PWM信號輸出級需加長線驅動。本設計中采用了5V的差分長線驅動器AM26LS31。
PCI模塊
本系統選擇PCI局部總線作為DSP與上位機的通信方式,主要是因為PCI總線速率最高可達528Mbps,實時性強。PCI總線的開發一般可以有兩種方案實現：一種是用FPGA實現;另一種則是使用專用的PCI接口芯片。為節省時間本系統選擇專用芯片CY09449進行開發。該芯片采用3.3 V 單電源供電,兼容3V和5V 的PCI信號環境。CY09449的電源可由PCI槽引出,PCI槽可以提供3.3V、5V、12V電壓,在PCI槽有兩個引腳需特別注意：PRSNT1和PRSNT2,這兩個引腳接地和懸空的4種組合直接決定PCI卡的功率。CY 09449在使用時,某些引腳要加阻值為1k?～1Ok?的下拉或上拉電阻。根據本系統地具體情況在該設計中,SCL、SDA、ALE、/BE[2]、RDY_IN引腳加上拉電阻, TEST_MODE引腳加下拉電阻。
結語
基于PCI總線,配以數據處理能力強大的DSP設計的步進電機運動控制卡,在開放式數控系統中能夠發揮出理想的運動控制性能。隨著數控系統的普及和產品檔次的提高,這種運動控制卡將會有廣泛的應用前景。