基于復雜可編程邏輯器件的多步進電機分時控制

    石科峰，何俊華

(中國科學院西安光學精密機械研究所，陜西西安710119)

     摘要：根據多I／0口的特點，設計，在運動控制卡的控制F基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的多步進電機控制。以運動控制卡系統為上位機，通過對CPLD編程進行電機的分時控制。由于運動控制卡的輸入、輸出均采用光耦隔離，因此抗干擾能力強、脈沖輸出頻率誤差率低；同時，CPLD具有高速性能，可達到列多臺步進電機的速度及位置的精確控制。

    關鍵詞：運動控制卡；步進電機；復雜可編程邏輯控制器件

    中圖分類號：TM 383 6文獻標志碼：A文章編號：16734540(2010)064)0354)3l

0 引言

     步進電機在工業、航天等領域的應用范圍越來越廣，不同的應用要求和環境對電機的控制也提出了不同的設計方法。比較常見的針對實現多步進電機的控制有兩種：(1)完全基于運動控制卡，該方法設計簡單，但需要多個運動控制卡，在硬件的連接上也比較復雜；(2)通過運動控制卡+繼電器，對多電機的控制需要多個繼電器占用空間且浪費成本。本文介紹的系統采用運動控制卡作為上位機，對電機進行分組選擇，復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)作為下位機控制電機的通斷，大大簡化，電路，并節約了成本。

1  系統總體結構

  該系統由運動控制卡模塊、CPLD電路、4個組件控制模塊(每組件8臺，共32臺電機)等組成。各組件控制模塊相互獨立，分別用于控制各組件的電機運動�？刂撇糠植捎蒙钲诒姙閿悼丶夹g有限公司的ADT8940運動控制卡和Xilinx公司的XC9536CPLD，由于要控制32臺電機，為了減少擴展I／O口的設計，系統采用CPLD取代傳統的單片機[1]。運動控制卡通過PCI總線與計算機通信，其兩個開關量的輸出信號作為CPLD的輸_八信號，進行電機的分組選擇，CPLD的輸出信號通過模擬開關74HC4052使被選中組的電機導通。系統總體結構如圖1所示。

2系統的硬件設計

2．1運動控制卡模塊

    運動控制卡完成電機運動控制的所有細節，包括脈沖和方向信號的輸出、加減速的處理、原點、限位及電機的分組選擇信號等。運動控制卡根據Pc機的實時控制指令向步進電機驅動器發出脈沖、方向等控制信號，通過相應的步進電機驅動器驅動電機運行。系統采用的ADT8940有如下特點^[2]：(1)基于PCI總線的高性能伺服／步進

控制卡，支持即插即用。(2)脈沖輸出方式可用單脈沖(脈沖+方向)或雙脈沖(脈沖+脈沖)方式。該系統采用單脈沖方式，****脈沖頻率2 MHz，采用先進技術，保證在輸出頻率較高時，頻率誤差小于0．1％。(3)速度控制可用定速和梯形加減速。，(4)位置管理采用兩個加／減計數器。一個用于內部管理驅動脈沖輸出的邏輯位置計數器；一個用于接收外部的輸入，輸八信號是A／B相輸入的編碼器或光柵尺，作為實際位置計數器。(5)汁數器位數高達32位，****范圍為一2 147 483 648～+2 147 483 647。(6)所有入、輸出均采用光耦隔離，抗干擾性強。運動控制R模塊的關鍵在于軟件設計，主要是根據Pc機的實時指令，由兩個開關輸出量0uL、OuT，作為cPLD的輸入信號進行電機分組選擇，脈沖和方向信號分別接到8塊模擬開關74Hc4052的16個公共端，由分組信號選通后接人電機。由于ADT8940是四軸控制卡，而系統每個組件有8臺電機，岡此需要2張運動控制卡，如圖2所示。

2．2 CPLD電路

    整個系統有四臺組件，但要求同一時間只有一臺組件在工作。由于是分時工作的，因此可以通過cPLD控制電路來選擇四個中的一個組件，如果需要調整其他組件，可以再次進行選擇。系統采用xilinx公司的xc9536cPLD，屬x00500系列器件，是一款高性能、有特點的可編程邏輯器件。從結構上看，其包含三個單元：宏單元、可編程I／O單元和可編程的內部連線。其主要特點如下：(1)高性能。在所有可編程引腳之間pin—pin延時5 ns，系統的時鐘速度可達到i00 MHz。(2)容量范圍大。容量范圍為36個宏單元，可用系統門為800個。(3)5 V在系統編程，可以編程lO000次。(4)具有強大的強腳鎖定能力。(5)每個宏單元都有可編程低功耗模式。(6)沒有用的引腳有編程接地能力。

      對于cPLD電路，運動控制卡的兩個開關量輸出信號作為cPLD的