高精度平動工作 臺一般利用交流伺服電機進行驅動， 采用光柵尺來產生位置反饋信號 ， 然后通過整形、 倍頻 、 鑒相、 計數(shù) 電路將產生的位置信息作為系統(tǒng)反饋構成全閉環(huán)結構。 以往這部分 電路一般采用普通邏輯電路和分立元件實現(xiàn) ， 不僅體積龐大、 可靠性差 、 不利調試 ， 而且處理速度也受到限制， 在多軸運動控制系統(tǒng)中表現(xiàn)得尤為 突出； 如果光柵尺的信號直接 由 C P U來處 理 ， 占用 C P U 的很 多資源 ， 而且其實時性不能保證。 為了解決這些問題 ， 本文利用現(xiàn)場可編程門陣列 （ F PGA） ， 首先將各個功能 電路設計成專用集成功能模塊 ， 再將這些功能模塊作 為普通外部設備由 Ni o s I I 嵌入式處理器調用， 最后通過軟件編譯環(huán)境 Ni o s I I E D S編寫系統(tǒng)軟件程序 ，構建起完整的高精運動控制 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 ） 應用于運動控制領域或光柵計量領域以提升系統(tǒng)性能及可靠性 ， 提高集成度及實 時性 已經成為一種發(fā)展趨勢u ] ， 但這種 運用方式只是將 F P GA芯 片單 純作為取代數(shù)字邏輯電路 的工具來使用 的， 沒有利用到內嵌 的軟核或硬核， 即 F P GA的強大功能還遠遠沒有被發(fā)掘出來。 　　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公司針對復雜電子系統(tǒng)設計提供的一種基于 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， 其精簡指令結構 ， 具 有超 過 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交給 Ni o s I I 軟核來處理 ， 這樣它就有足夠的軟硬件資源來處理其他 的任務， 可以很 大程度上將上位機解放出來 ， 提 高了系統(tǒng) 的效率和靈活性 ， 特別適合于多軸運動控制系統(tǒng)中。 [b]2系統(tǒng)方案的總體設計 [/b]　　為了實現(xiàn)對電機 的控制與光柵 的計量， 設計 了如圖 1 所示的高精運動控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)的控制任務主要 由基于 FP GA（ EP 2 C8 ） Ni o s I I 軟核的系統(tǒng)來完成。 該 S O P C系統(tǒng)主要組成部分包括 ： 作為的 Ni o s I I內核 ， 片 內 RAM 和 ROM 用來配置程序的 J TAG uAR T接 口， 片 內 P I I ， 用來輔助顯示的 LCD驅動模塊 ， 用來控制電機驅動器的電機控制模塊 ， 用來實現(xiàn)光柵測量的光柵計數(shù)模塊， 用來與上位機通信的數(shù)據輸入輸出接 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　　用 ， 但關鍵的電機控制模塊和光柵計數(shù)模塊需要利用硬件描述語言來編寫。 　　對于多軸運動平臺， 只需在該 S O P C系統(tǒng) 內部添加多個電機控制模塊和光柵計數(shù)模塊 ， 這是 因為每個功能模塊都是獨立工作 的硬件電路 ， 它們不 占用 C P U 的資源就可以獨立地對不 同的軸向電機和光柵進行驅動和計量 ， 而且不同軸向可以并行驅動。 　　該運動控制系統(tǒng)的基本工作過程是 ： 首先 由上位機發(fā)送 運動 控制 指 令 給 F P G A 中 的 Ni o s I I內核，內核根據接收到的指令 向相應 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始獨立的運行。 [b]3功能模塊的設計 [/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內部豐富 的硬件資源構建起來 的可 以掛接在 Av a l o n總線上的各種功能電路。 利用構建 的功能模塊可以將許多原來由分散的數(shù)字電路實現(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 由于 F P GA芯片使用的系統(tǒng)頻率比較高（ 可達 1 0 0 MHz以上） ， 這使得系統(tǒng)的實時性得到 了提高。 在高精運動控制系統(tǒng)中， 針對運動控制和精確定位這樣 2個關鍵任務 ， 分別設計了電機控制模塊和光柵計數(shù)模塊 ，這些模塊 全部是通 過硬件描述語 言來編寫的。 　　 運動控制模塊實驗使用的二維精密工作 臺由華 中科技大學機電工程公 司設計 ， 采用 Pa n a s o n i c的交流伺服 電機作 為 驅 動 裝 置 ， 驅 動 器 型 號 為. 該 電機帶標準 2 5 0 0線 編碼器 ， 驅動器內部采用了4倍頻技術， 故其脈沖當量為 3 6 0 。 ／　　—0 . 0 3 6 。 . 由于本系統(tǒng)工作 臺采用的驅動絲杠的螺距為 2 mm， 因而該工作臺 的理論精度可達／ 1 0 0 0 0 —0 . 2 p t m. 根據驅動器輸入電路和系統(tǒng)設置的不同， 驅動器可以有多種不同的工作模式 ， 系統(tǒng)采用最高響應頻率可達 2 0 0 k Hz 的模式 ， 圖 2是根據所采用模式設計 的電機控制模塊結構 圖。 該控制模塊通過 Al t e r a開發(fā)的專用 內部連接總線 Av a l —總線連接到 Ni o s I I內核上， 作為從設備使用。 上位機只需將控制電機運動 的指令通過 Ni o s I I內核轉發(fā)給相應的電機驅動模塊 ， 該模塊就可以獨立地完成對電機的控制任務。 由上位機發(fā)送過來的電機控制指令信息包括 ： 速度控制信息、 方向控制信息和運動距離控制信息。 　　在電機控制模塊中， 主要的控制邏輯由圖 2所示的驅動器控制邏輯電路來實現(xiàn)。 該邏輯 電路將上位機傳來的電機控制指令信息轉化為相應的電平和脈沖信號輸入到驅動器來控制交流伺服電機。 　　其中運動距離是通過控制驅動脈沖的個數(shù)來實現(xiàn)的。 該系統(tǒng) 設置 的驅動脈 沖 的個數(shù) 范 圍是 ： 0 ～船， 能夠控制的工作臺行程達 0 ～1 6 7 8 mm； 速度控制是通過控制驅動脈 沖的頻率來 實現(xiàn) 的， 而驅動脈沖的頻率是通過對系統(tǒng)頻率信號進行不同頻率的分頻得到的。 考慮到電機驅動器此模式下 的最大輸入脈沖頻率是 2 0 0 k Hz ， 本模塊設計 的實際工作速度范圍是 ： 6 . 1 g m／ s ～2 5 mm／ s ， 理論上最高可以達到／ s的工作速度。 　　 光柵計數(shù)模塊計為了提高測量精度， 一般都會對輸入的光柵信號進行細分 ， 即對輸入信號進行倍頻。 設計 了一種細分辯向電路， 它能在完成對光柵信號進行細分的同時鑒別出動光柵 的運動方 向， 由于采用 的工作臺上使用的是 6 0 0 線 的光柵尺 ， 則它產生的光柵信號經過 4細分辯向電路后能夠達到的分辨率是： （ 1 ／×0 . 2 5 ≈0 . 4 2, u m. 辨向的原理是根據光柵尺兩正交脈沖 s i n 、 C O S的相對 關系。 將莫 爾條紋的運動轉換為小 圓點穿越象限的圓周運動_ _ 7 ] ， 而圓周運動的方向就決定了被測位移的方 向。 假設在穿越某　　個象限的瞬間， 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)可知四細分辯向邏輯為（ 記 s i n = A ， C O S = = =B）： 　　圖 3 是依據該 四細分辯向邏輯在 QUAR TUS I I 中搭建的電路原理圖。 圖 4是將該 電路進行時序仿 真得到的效果圖， 可以看到仿真的結果是： 兩路正交光柵信號 s i n 、 C O S輸 入 到該 電路后 ， 變成 四倍頻 的、 MI NUS信號輸出， 并且當 C O S 信號超前 9 O 。 　　時代表動光柵的正向運動， 此時 P L US信號有效；當 s i n信號超前 9 0 。 時代表動光柵 的負向運動 ， 此時信號有效， 這與預先要求一致， 實際的測試也證明所設計的四細分與辯向電路是成功的。 　　光柵計數(shù)模塊 中還集成 了 3 2位計數(shù)器和減法器， 用來對辯向信號進行可逆計數(shù)。 該計數(shù)值通過Av a l o n總線傳給上位機后可以變成位置信號， 作為 　　總線傳給上位機后可以變成位置信號， 作為閉環(huán)回路的反饋信息控制電機和壓電陶瓷對工作平臺進行微調， 達到更高的定位精度。 基于這一思想設計的光柵計數(shù)模塊結構如圖 5所示。 這里使用的是位計數(shù)器 ， 對于絕大多數(shù)應用場合本系統(tǒng)不可能出現(xiàn)計數(shù)器溢出的情況， 也就是說使用本系統(tǒng)進行光柵測量時不存在由于行程過大導致光柵尺不能正常計數(shù)的問題， 因而它也適合大型設備如數(shù)控機床的運動控制領域: 　　軟件設計在 QUARTUS I I 7 . 2中完成 S OP C系統(tǒng) 的硬件部分開發(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語言編譯環(huán)境很相似 ， 不 同的是在對 自定義外部設備如電機驅動模塊和光柵計數(shù)模塊進行讀寫操 作前 ，需要定義專門的讀 寫函數(shù) ， 這些 函數(shù)會 以頭文件的形式放在這個軟件 系統(tǒng) 中以供調用 ， 下面列舉的是對光柵計數(shù)模塊進行讀寫的函數(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 中設定 了 3種工作模式 ， 其 中，模式是通過脈寬調制技術產生不同幅值 的直流信號作用于光柵信號處理電路 中。 可以通過上層應用軟件界面進入任一模式來控制不同軸 向電機 的運動，　　讀取不同軸向的實時光柵計數(shù)值等 ， 而且可以重復進入同一模式給不同的軸 向功能模塊發(fā)送指令 ， 實現(xiàn)多軸 的聯(lián)動、 聯(lián)測。 　　若在主程序中選定了工作模式就跳轉到相應模式的子程序中去執(zhí)行， 否則主程序 向上位機發(fā)送出錯誤信號 ， 并不斷讀取 D I口數(shù)據 ， 直到新的控制指令到來。 圖 7 為電機驅動模式程序流程圖， S O P C系統(tǒng)經過該程序流程后可 以完整地接 收電機控制 指令 ， 再通過內部 Av a l o n總線將這些信息傳遞給電機控制模塊實現(xiàn)具體的控制任務。 圖 8是光柵讀數(shù)模式程序流程圖， 上位機可 以隨時進入到該模式讀取任一軸向的光柵計數(shù)值， 該值進行一定處理后成為反饋信息作為電機驅動模式的輸人或作為壓電陶瓷的輸入對多維工作臺進行精密定位。 　　圖 9反映的是連續(xù) 2次計數(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 . 則計數(shù)值—擬合直線斜率的相對誤差￡一 ≈ 0 . 7 3 ， 這表明光柵計數(shù)模塊對 電機在不同速度下連續(xù)運行相　　同的位移都能得到一致性非常好的計數(shù)值， 這驗證了系統(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脈 沖驅動的相對誤差 ， 可以發(fā)現(xiàn)在不同條件下 單個脈 沖驅動 的相 對誤差一. 0 9 9 ； 平均相對誤差 小至一0 . 3 0 1 ， 這說明實際光柵計數(shù)值與理論 的值非常接近 ， 進一步證明光柵計數(shù)值的可靠性。 　　實驗與分析為了驗證該系統(tǒng) 的可靠性 和穩(wěn)定性 ， 設計了以下的實驗環(huán) 節(jié)。 表 1為在 給定 脈 沖數(shù) P 一 2 一. 9 6 情況下 ， 光柵計數(shù)模塊得到的伺服電機在不 同速度、 不同方向上 的計數(shù)值． 其中一個脈沖位移的相對誤差 : 　　由于絲杠螺距很難做 到完全均勻 ， 以及在機械傳動過程中存在柔性連接件等因素導致了電機并不能按照理論的距離行進 ， 而這就是光柵計數(shù)值與理論值之間有一定偏差的主要原因。 在實際工作中， 為了獲得更高的定位精度 ， 需要采用壓電陶瓷來產生微位移進行定位， 此時工作臺的的實際位移能可以通過光柵計數(shù)模塊進行計量， 故而實際的定位精度與光柵的檢測精度密切相關。 參 考 文 獻 趙玉剛 ， 周維芳 ， 白慶華。 基于 F PGA 的光柵 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