基于PCI总线和DSP的步进电机运动控制卡的设计和实现

引言
    当今，开放式数控系统正在工业领域得到广泛应用。其中，工控机通过PCI总线连接专用运动控制卡的数控系统最为流行。在运动控制卡中，由于DSP采用多总线哈佛结构使得处理指令和数据可以同时进行，因此相比传统控制中的单片机具有更多的优势。同时，运动控制卡与PC机通过PCI局部总线通信，能够达到很高的数据传输速率，从而还保证了数控系统的实时性。

图1运动控制系统功能框图

系统概述

    系统的功能框图如图1所示。该系统的核心是TI公司的16位定点DSP芯片TMS320LF2407A。DSP芯片负责接收PCI局部总线的命令和参数，然后经过特定的运动控制算法，如系统位置、速度调节、插补算法等，从而完成对步进电机的精确运动控制。同时DSP芯片还负责将反馈信息传输给PCI局部总线，并且控制系统外围I/O模块。DSP芯片与计算机的通信通过PCI桥接芯片CY09449实现。

DSP模块

    DSP芯片TMS320LF2407A采用高性能静态CMOS工艺，供电电压仅3.3V；指令周期缩短到33ns。

    作为系统的核心，TMS320LF 2407A主要完成复杂的运动控制算法，比如升降频控制、插入补偿等。本设计主要是完成双轴步进电机控制，故插入补偿采用经典的DDA算法。由于本设计对步进电机采用无反馈控制，这样对步进电机的升降频控制就显得格外重要，这也成了整个系统设计的一个难点。根据步进电机变速过程动力学特性，以指数曲线前段规律作为前后沿的近似梯形波，进而确定升降频特性，这样既能保证步进电机运行过程不会失步，又充分发挥了步进电机的固有性能，使升频过程达到时间最短的要求。下面讨论一下升降频控制的算法实现。

升降频控制

    为实现所确定的运行频率—时间函数，通常是将其离散化，即将其转换为脉冲时间间隔对脉冲个数的函数。另一种方法是按升降频过程所走过的脉冲步数通过定步中断来变频。但是离散化方法既会引起频率突跳和失步，又要进行复杂的迭代运算，而定步法同样需要进行迭代。这两种方法在DSP上都不易实现且灵活性较差。为此本文研究了一种称为定时的方法。

    设最高运行频率为fh（电机恒速段的速度），升频段总时间为ts。则根据步进电动机指数型升频过程的频率—时间关系：

f(t)=fM-(fM-fb)*exp(-t/T)                  (1) [page]

    式中fb为步进电动机起动频率；fM为极限运行频率；T为驱动系统时间常数
则有fh=f(ts)=fM-(fM-fb)*exp(-ts/T)  
从而得到
ts=T*ln((fM-fb)/(fM-fh))  (2)
    将ts等分为N段，得到各段时间为：ta=ts/N
则在第i个等分段ta内脉冲切换频率和要送出的脉冲数分别为：
f[i]=f(i*ta)=fM-(fM-fb)*exp(-i*ta/T)     (3)
X[i]=ta*f[i]     (4)
故升频段的总步数为：
P=X[0]+X[1]+…+X[N-1]                     (5)

将脉冲间隔1/f[i]转换为DSP内部16位定时器的时间常数K[i]。转换关系式为

K[i]=f_DSP/f[i], i=0,1,2…, N-1           (6)

    由于降频段特性变化规律与升频段相反，可知降频序列是升频序列的逆序列。
    电机在恒速步进阶段，以fh的换相频率步进。因此对应的定时器时间常数为：
K[N]=f_DSP

/fh                (7)             
恒速段总步数为：
X_h=X_total-2*P             (8)
式中X_total为步进电机运动的总步数。
    电机运行前，由主程序计算出升频段和恒速段定时器时间常数序列K[i](i=0, …,N-1),存放于DSP的SARAM中，形成一个K-P升速表格。当电机运行时，在线查表，并取出K[i]用于设置DSP的PWM中周期寄存器的值，从而不断改变PWM波形的周期，实现对电机的速度调节。根据升速、降速或高频恒速，决定升速表地址指针增1、减1或不变。通过这种定时的方法，一方面提高了系统的灵活性，可根据输入的最高频率、起动频率等参数改变升降速表，另一方面升降速表的求取不占用运行时间，从而提高了运行效率。

系统的部分软件流程

    图2为升降频控制

子程序流程图，其中：p_SARAM为指向电机升降速时间常数表的指针，采用DSP的内部SARAM来存放该表；X_up、X_con、X_down分别代表电机在升速段、恒速段、降速段要走的总步数；up_flag、con_flag、down_flag分别代表当前电机的运动状态（升速、恒速、降速）。

DSP与PC机的通信

    DSP与PC机的通信通过CY09449连接，CY09449内部带有128KB双向静态SRAM,为了在工作中，使PC机和DSP对SRAM的访问不会发生冲突，本设计中把SRAM均分为两个单元A和B, PC机和DSP对这两部分的操作采用乒乓操作模式。由于DSP具有外部数据存储器扩展能力，所以该SRAM完全可以作为DSP的外扩数据存储器，这样在设计中便采用DSP的外部数据存储器有效信号/DS来作为CY09449的片选信号/SELECT。

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图2 升降频控制子程序流程图

DSP的编码接口

    本设计也考虑到如果需要对电机进行高级精确控制时，就需要对电机进行闭环控制。一般情况下，会运用光电编码器作为系统的闭环反馈元件。由于本设计是针对双轴步进电机的运动，而单轴的光电编码器就输出两相相差为90°的脉冲信号A、B，以及归零信号Z(都是差分形式)，这样一共就有6路反馈信号。但是DSP只有两个正交编码单元，所以设计中把DSP的引脚PWM9和PWM10设为通用输入脚。这样，反馈信号经过高速光耦隔离后，就送入到DSP的正交编码接口QEP1/QEP2、QEP3/QEP4，以及PWM9/PWM10,然后由DSP对该反馈信号进行计算处理，从而得出电机的实际运动信息。

步进电机接口

    本设计中通过DSP的PWM单元来对步进电机进行控制。由于电机是功率器件，所以由DSP输出的PWM波形不能直接输入到驱动器中，而是必须采用光耦进行隔离，这样才能避免电机的大电压信号把DSP烧坏。此外由于DSP输出的PWM信号很弱，如果直接加在电机驱动器上，驱动器将检测不到该信号，所以在DSP的PWM信号输出级需加长线驱动。本设计中采用了5V的差分长线驱动器AM26LS31。

PCI模块

    本系统选择PCI局部总线作为DSP与上位机的通信方式，主要是因为PCI总线速率最高可达528Mbps，实时性强。PCI总线的开发一般可以有两种方案实现：一种是用FPGA实现；另一种则是使用专用的PCI接口芯片。为节省时间本系统选择专用芯片CY09449进行开发。该芯片采用3.3 V 单电源供电,兼容3V和5V 的PCI信号环境。CY09449的电源可由PCI槽引出，PCI槽可以提供3.3V、5V、12V电压，在PCI槽有两个引脚需特别注意：PRSNT1和PRSNT2，这两个引脚接地和悬空的4种组合直接决定PCI卡的功率。CY 09449在使用时，某些引脚要加阻值为1k?～1Ok?的下拉或上拉电阻。根据本系统地具体情况在该设计中，SCL、SDA、ALE、/BE[2]、RDY_IN引脚加上拉电阻， TEST_MODE引脚加下拉电阻。

结语

    基于PCI总线，配以数据处理能力强大的DSP设计的步进电机运动控制卡，在开放式数控系统中能够发挥出理想的运动控制性能。随着数控系统的普及和产品档次的提高，这种运动控制卡将会有广泛的应用前景。