高精度平動(dòng)工作 臺(tái)一般利用交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 采用光柵尺來(lái)產(chǎn)生位置反饋信號(hào) ， 然后通過(guò)整形、 倍頻 、 鑒相、 計(jì)數(shù) 電路將產(chǎn)生的位置信息作為系統(tǒng)反饋構(gòu)成全閉環(huán)結(jié)構(gòu)。 以往這部分 電路一般采用普通邏輯電路和分立元件實(shí)現(xiàn) ， 不僅體積龐大、 可靠性差 、 不利調(diào)試 ， 而且處理速度也受到限制， 在多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中表現(xiàn)得尤為 突出； 如果光柵尺的信號(hào)直接 由 C P U來(lái)處 理 ， 占用 C P U 的很 多資源 ， 而且其實(shí)時(shí)性不能保證。 為了解決這些問(wèn)題 ， 本文利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （ F PGA） ， 首先將各個(gè)功能 電路設(shè)計(jì)成專用集成功能模塊 ， 再將這些功能模塊作 為普通外部設(shè)備由 Ni o s I I 嵌入式處理器調(diào)用， 最后通過(guò)軟件編譯環(huán)境 Ni o s I I E D S編寫系統(tǒng)軟件程序 ，構(gòu)建起完整的高精運(yùn)動(dòng)控制 S OP C系統(tǒng)。 [b]1基于 F P GA的 [/b]　　將 F PGA（ F i e l d Pr o g r a ma b l e Ga t e Ar r a y ） 應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域或光柵計(jì)量領(lǐng)域以提升系統(tǒng)性能及可靠性 ， 提高集成度及實(shí) 時(shí)性 已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)u ] ， 但這種 運(yùn)用方式只是將 F P GA芯 片單 純作為取代數(shù)字邏輯電路 的工具來(lái)使用 的， 沒(méi)有利用到內(nèi)嵌 的軟核或硬核， 即 F P GA的強(qiáng)大功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有被發(fā)掘出來(lái)。 　　可編程 片上 系統(tǒng) S OP C（ s y s t e m o n p r o g r a m—是 ALTERA公司針對(duì)復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供的一種基于 FP GA的 S OC解決方案 ] . 　　系列嵌入式處理器作為 S OP C的核心， 其精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu) ， 具 有超 過(guò) 2 0 0 D MI P S的性 能 . 該系統(tǒng)不僅克服了傳統(tǒng)普通邏輯電路和分離元件的各種弊端 ， 而且只需要發(fā)送一些控制指令就可以將大量的控制任務(wù)交給 Ni o s I I 軟核來(lái)處理 ， 這樣它就有足夠的軟硬件資源來(lái)處理其他 的任務(wù)， 可以很 大程度上將上位機(jī)解放出來(lái) ， 提 高了系統(tǒng) 的效率和靈活性 ， 特別適合于多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。 [b]2系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì) [/b]　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī) 的控制與光柵 的計(jì)量， 設(shè)計(jì) 了如圖 1 所示的高精運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)的控制任務(wù)主要 由基于 FP GA（ EP 2 C8 ） Ni o s I I 軟核的系統(tǒng)來(lái)完成。 該 S O P C系統(tǒng)主要組成部分包括 ： 作為的 Ni o s I I內(nèi)核 ， 片 內(nèi) RAM 和 ROM 用來(lái)配置程序的 J TAG uAR T接 口， 片 內(nèi) P I I ， 用來(lái)輔助顯示的 LCD驅(qū)動(dòng)模塊 ， 用來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)控制模塊 ， 用來(lái)實(shí)現(xiàn)光柵測(cè)量的光柵計(jì)數(shù)模塊， 用來(lái)與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸入輸出接 口等。 這些組成部分 中大部分組件都可以在 S OP C B u i l d e r 環(huán)境下調(diào)　　用 ， 但關(guān)鍵的電機(jī)控制模塊和光柵計(jì)數(shù)模塊需要利用硬件描述語(yǔ)言來(lái)編寫。 　　對(duì)于多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)， 只需在該 S O P C系統(tǒng) 內(nèi)部添加多個(gè)電機(jī)控制模塊和光柵計(jì)數(shù)模塊 ， 這是 因?yàn)槊總€(gè)功能模塊都是獨(dú)立工作 的硬件電路 ， 它們不 占用 C P U 的資源就可以獨(dú)立地對(duì)不 同的軸向電機(jī)和光柵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和計(jì)量 ， 而且不同軸向可以并行驅(qū)動(dòng)。 　　該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作過(guò)程是 ： 首先 由上位機(jī)發(fā)送 運(yùn)動(dòng) 控制 指 令 給 F P G A 中 的 Ni o s I I內(nèi)核，內(nèi)核根據(jù)接收到的指令 向相應(yīng) 的功能模塊發(fā)送控制指令信息 ， 功能模塊 收到控制指令信息后開(kāi)始獨(dú)立的運(yùn)行。 [b]3功能模塊的設(shè)計(jì) [/b]　　所謂功能模塊 ， 就是按照特定數(shù)字邏輯 的需要，利用 F P GA內(nèi)部豐富 的硬件資源構(gòu)建起來(lái) 的可 以掛接在 Av a l o n總線上的各種功能電路。 利用構(gòu)建 的功能模塊可以將許多原來(lái)由分散的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的功能集成在一塊芯片中， 極 大地提高了系統(tǒng)的集成度 、 可靠性 ， 節(jié)約 了空 間。 同時(shí) 由于 F P GA芯片使用的系統(tǒng)頻率比較高（ 可達(dá) 1 0 0 MHz以上） ， 這使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到 了提高。 在高精運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中， 針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和精確定位這樣 2個(gè)關(guān)鍵任務(wù) ， 分別設(shè)計(jì)了電機(jī)控制模塊和光柵計(jì)數(shù)模塊 ，這些模塊 全部是通 過(guò)硬件描述語(yǔ) 言來(lái)編寫的。 　　 運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)驗(yàn)使用的二維精密工作 臺(tái)由華 中科技大學(xué)機(jī)電工程公 司設(shè)計(jì) ， 采用 Pa n a s o n i c的交流伺服 電機(jī)作 為 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 ， 驅(qū) 動(dòng) 器 型 號(hào) 為. 該 電機(jī)帶標(biāo)準(zhǔn) 2 5 0 0線 編碼器 ， 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了4倍頻技術(shù)， 故其脈沖當(dāng)量為 3 6 0 。 ／　　—0 . 0 3 6 。 . 由于本系統(tǒng)工作 臺(tái)采用的驅(qū)動(dòng)絲杠的螺距為 2 mm， 因而該工作臺(tái) 的理論精度可達(dá)／ 1 0 0 0 0 —0 . 2 p t m. 根據(jù)驅(qū)動(dòng)器輸入電路和系統(tǒng)設(shè)置的不同， 驅(qū)動(dòng)器可以有多種不同的工作模式 ， 系統(tǒng)采用最高響應(yīng)頻率可達(dá) 2 0 0 k Hz 的模式 ， 圖 2是根據(jù)所采用模式設(shè)計(jì) 的電機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu) 圖。 該控制模塊通過(guò) Al t e r a開(kāi)發(fā)的專用 內(nèi)部連接總線 Av a l —總線連接到 Ni o s I I內(nèi)核上， 作為從設(shè)備使用。 上位機(jī)只需將控制電機(jī)運(yùn)動(dòng) 的指令通過(guò) Ni o s I I內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ， 該模塊就可以獨(dú)立地完成對(duì)電機(jī)的控制任務(wù)。 由上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的電機(jī)控制指令信息包括 ： 速度控制信息、 方向控制信息和運(yùn)動(dòng)距離控制信息。 　　在電機(jī)控制模塊中， 主要的控制邏輯由圖 2所示的驅(qū)動(dòng)器控制邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 該邏輯 電路將上位機(jī)傳來(lái)的電機(jī)控制指令信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電平和脈沖信號(hào)輸入到驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制交流伺服電機(jī)。 　　其中運(yùn)動(dòng)距離是通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 該系統(tǒng) 設(shè)置 的驅(qū)動(dòng)脈 沖 的個(gè)數(shù) 范 圍是 ： 0 ～船， 能夠控制的工作臺(tái)行程達(dá) 0 ～1 6 7 8 mm； 速度控制是通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)脈 沖的頻率來(lái) 實(shí)現(xiàn) 的， 而驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)頻率信號(hào)進(jìn)行不同頻率的分頻得到的。 考慮到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器此模式下 的最大輸入脈沖頻率是 2 0 0 k Hz ， 本模塊設(shè)計(jì) 的實(shí)際工作速度范圍是 ： 6 . 1 g m／ s ～2 5 mm／ s ， 理論上最高可以達(dá)到／ s的工作速度。 　　 光柵計(jì)數(shù)模塊計(jì)為了提高測(cè)量精度， 一般都會(huì)對(duì)輸入的光柵信號(hào)進(jìn)行細(xì)分 ， 即對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行倍頻。 設(shè)計(jì) 了一種細(xì)分辯向電路， 它能在完成對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)行細(xì)分的同時(shí)鑒別出動(dòng)光柵 的運(yùn)動(dòng)方 向， 由于采用 的工作臺(tái)上使用的是 6 0 0 線 的光柵尺 ， 則它產(chǎn)生的光柵信號(hào)經(jīng)過(guò) 4細(xì)分辯向電路后能夠達(dá)到的分辨率是： （ 1 ／×0 . 2 5 ≈0 . 4 2, u m. 辨向的原理是根據(jù)光柵尺兩正交脈沖 s i n 、 C O S的相對(duì) 關(guān)系。 將莫 爾條紋的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為小 圓點(diǎn)穿越象限的圓周運(yùn)動(dòng)_ _ 7 ] ， 而圓周運(yùn)動(dòng)的方向就決定了被測(cè)位移的方 向。 假設(shè)在穿越某　　個(gè)象限的瞬間， s i n 、 C O S的前一種狀態(tài)分別為 s i n 1 、， 那么由加 1與減 1的狀態(tài)可知四細(xì)分辯向邏輯為（ 記 s i n = A ， C O S = = =B）： 　　圖 3 是依據(jù)該 四細(xì)分辯向邏輯在 QUAR TUS I I 中搭建的電路原理圖。 圖 4是將該 電路進(jìn)行時(shí)序仿 真得到的效果圖， 可以看到仿真的結(jié)果是： 兩路正交光柵信號(hào) s i n 、 C O S輸 入 到該 電路后 ， 變成 四倍頻 的、 MI NUS信號(hào)輸出， 并且當(dāng) C O S 信號(hào)超前 9 O 。 　　時(shí)代表動(dòng)光柵的正向運(yùn)動(dòng)， 此時(shí) P L US信號(hào)有效；當(dāng) s i n信號(hào)超前 9 0 。 時(shí)代表動(dòng)光柵 的負(fù)向運(yùn)動(dòng) ， 此時(shí)信號(hào)有效， 這與預(yù)先要求一致， 實(shí)際的測(cè)試也證明所設(shè)計(jì)的四細(xì)分與辯向電路是成功的。 　　光柵計(jì)數(shù)模塊 中還集成 了 3 2位計(jì)數(shù)器和減法器， 用來(lái)對(duì)辯向信號(hào)進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)。 該計(jì)數(shù)值通過(guò)Av a l o n總線傳給上位機(jī)后可以變成位置信號(hào)， 作為 　　總線傳給上位機(jī)后可以變成位置信號(hào)， 作為閉環(huán)回路的反饋信息控制電機(jī)和壓電陶瓷對(duì)工作平臺(tái)進(jìn)行微調(diào)， 達(dá)到更高的定位精度。 基于這一思想設(shè)計(jì)的光柵計(jì)數(shù)模塊結(jié)構(gòu)如圖 5所示。 這里使用的是位計(jì)數(shù)器 ， 對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合本系統(tǒng)不可能出現(xiàn)計(jì)數(shù)器溢出的情況， 也就是說(shuō)使用本系統(tǒng)進(jìn)行光柵測(cè)量時(shí)不存在由于行程過(guò)大導(dǎo)致光柵尺不能正常計(jì)數(shù)的問(wèn)題， 因而它也適合大型設(shè)備如數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域: 　　軟件設(shè)計(jì)在 QUARTUS I I 7 . 2中完成 S OP C系統(tǒng) 的硬件部分開(kāi)發(fā)后 ， 就要利用軟件編譯環(huán)境. 2編寫系統(tǒng)軟件程序。 該軟件環(huán)境 與一般 的 C語(yǔ)言編譯環(huán)境很相似 ， 不 同的是在對(duì) 自定義外部設(shè)備如電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和光柵計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行讀寫操 作前 ，需要定義專門的讀 寫函數(shù) ， 這些 函數(shù)會(huì) 以頭文件的形式放在這個(gè)軟件 系統(tǒng) 中以供調(diào)用 ， 下面列舉的是對(duì)光柵計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行讀寫的函數(shù)定義。 　　— a v a l o n _Gr a t n g _ 3 2 一 r e g s — h 一— a he r a _ a v a l o n — Gr a t i n g 一 3 2 一 r e gs _h 一. 　　—ALTERA—AVALON—Gr a t i n g—e n a b l e（ b a s e ，， 0，—AVALON—Gr a t i n g — e n a b l e ——ALTERA—AVALON—Gr a t i n g—，—AVALON————ALTERA—AVALON—Gr a t i n g—CLR（ b a s e，， 2，———　　圖 6為該 S OP C系統(tǒng) 的的主程序 流程 圖， 可 以看到在 主程序 中設(shè)定 了 3種工作模式 ， 其 中，模式是通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生不同幅值 的直流信號(hào)作用于光柵信號(hào)處理電路 中。 可以通過(guò)上層應(yīng)用軟件界面進(jìn)入任一模式來(lái)控制不同軸 向電機(jī) 的運(yùn)動(dòng)，　　讀取不同軸向的實(shí)時(shí)光柵計(jì)數(shù)值等 ， 而且可以重復(fù)進(jìn)入同一模式給不同的軸 向功能模塊發(fā)送指令 ， 實(shí)現(xiàn)多軸 的聯(lián)動(dòng)、 聯(lián)測(cè)。 　　若在主程序中選定了工作模式就跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)模式的子程序中去執(zhí)行， 否則主程序 向上位機(jī)發(fā)送出錯(cuò)誤信號(hào) ， 并不斷讀取 D I口數(shù)據(jù) ， 直到新的控制指令到來(lái)。 圖 7 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式程序流程圖， S O P C系統(tǒng)經(jīng)過(guò)該程序流程后可 以完整地接 收電機(jī)控制 指令 ， 再通過(guò)內(nèi)部 Av a l o n總線將這些信息傳遞給電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)具體的控制任務(wù)。 圖 8是光柵讀數(shù)模式程序流程圖， 上位機(jī)可 以隨時(shí)進(jìn)入到該模式讀取任一軸向的光柵計(jì)數(shù)值， 該值進(jìn)行一定處理后成為反饋信息作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的輸人或作為壓電陶瓷的輸入對(duì)多維工作臺(tái)進(jìn)行精密定位。 　　圖 9反映的是連續(xù) 2次計(jì)數(shù)值之差。 可以看到在不同速度、 不 同方 向條件下 △ f呈 良好 的線性分布 ， 利用 E X C E I 軟件可 以得到它們的擬合直線斜率分別是：！ 足 l = = = 1 9 7 5 . 6 ， k 。 = 1 9 6 1 . 1 . 則計(jì)數(shù)值—擬合直線斜率的相對(duì)誤差￡一 ≈ 0 . 7 3 ， 這表明光柵計(jì)數(shù)模塊對(duì) 電機(jī)在不同速度下連續(xù)運(yùn)行相　　同的位移都能得到一致性非常好的計(jì)數(shù)值， 這驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖 1 0反映的就是在不同速度、 不同方向條件下單個(gè)脈 沖驅(qū)動(dòng)的相對(duì)誤差 ， 可以發(fā)現(xiàn)在不同條件下 單個(gè)脈 沖驅(qū)動(dòng) 的相 對(duì)誤差一. 0 9 9 ； 平均相對(duì)誤差 小至一0 . 3 0 1 ， 這說(shuō)明實(shí)際光柵計(jì)數(shù)值與理論 的值非常接近 ， 進(jìn)一步證明光柵計(jì)數(shù)值的可靠性。 　　實(shí)驗(yàn)與分析為了驗(yàn)證該系統(tǒng) 的可靠性 和穩(wěn)定性 ， 設(shè)計(jì)了以下的實(shí)驗(yàn)環(huán) 節(jié)。 表 1為在 給定 脈 沖數(shù) P 一 2 一. 9 6 情況下 ， 光柵計(jì)數(shù)模塊得到的伺服電機(jī)在不 同速度、 不同方向上 的計(jì)數(shù)值． 其中一個(gè)脈沖位移的相對(duì)誤差 : 　　由于絲杠螺距很難做 到完全均勻 ， 以及在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中存在柔性連接件等因素導(dǎo)致了電機(jī)并不能按照理論的距離行進(jìn) ， 而這就是光柵計(jì)數(shù)值與理論值之間有一定偏差的主要原因。 在實(shí)際工作中， 為了獲得更高的定位精度 ， 需要采用壓電陶瓷來(lái)產(chǎn)生微位移進(jìn)行定位， 此時(shí)工作臺(tái)的的實(shí)際位移能可以通過(guò)光柵計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行計(jì)量， 故而實(shí)際的定位精度與光柵的檢測(cè)精度密切相關(guān)。 參 考 文 獻(xiàn) 趙玉剛 ， 周維芳 ， 白慶華。 基于 F PGA 的光柵 位移檢 測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)E J ] . 機(jī)電工程技術(shù) ， 2 0 0 8 ， 3 7 （ 4 ） ： 5 7 —5 8 ，. 　　節(jié)德剛， 劉延杰， 孫立寧。 基于雙光柵尺的高速高精度　　位移測(cè)量方法[ J ] . 光學(xué)精密工程 ， 2 0 0 7 ， 1 5 （ 7 ） ： 　　黃 濤， 程 鑫。 F P GA在高速高精運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[ J ] . 武漢理工大 學(xué)學(xué) 報(bào)。 信 息與管理工程版，， 2 9（ 2）： 28—31 . 　　王成元， 常國(guó)祥， 夏加寬。 新型光柵信號(hào)接口 I c的設(shè)計(jì). 電機(jī) 與控制學(xué)報(bào) ， 2 0 0 7， 3 7 （ 4 ） ： 4 2 1 —4 2 4 . 　　周立功。 S 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