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全数字交流伺服系统由于具有高速、高精度和无漂移等特点, 发展非常迅速, 并且已经在数控机床、纺织、包装、印刷等各行业中获得了广泛应用。在传统的数字交流伺服系统中, 接口是采用大量的芯片组合构成组合逻辑和时序逻辑电路, 芯片数量多,电路结构复杂, 影响了系统的可靠性。为了提高系统的开放性、可靠性和灵活性, 本文研究了一种基于CPLD 的伺服系统接口设计方法, 并给出了它在永磁全数字交流伺服系统中的应用实例。
1 系统结构
在本永磁数字交流伺服系统中, 核心控制器为TI 公司的TM S320L F2407A。TM S320L F2407A 具有很高的运算速度和精度, 主要完成电流环、速度环和位置环的控制算法, 并采用SV PWM 方法对PWM 波形进行控制。Xilinx 公司的可编程逻辑器件XC95108 用于处理各种接口信号。本系统可驱动多种交流伺服电机, 目前处于调试阶段。伺服电机为110SNMA 4 Ⅱ 型永磁无刷伺服电机, 额定转矩4Nm , 额定转速3000r/min, 额定电流5A , 额定功率1. 256kW。电机非负载侧装有增量式光电码盘, 分辨率为2500 脉冲/转。
2 接口电路的要求与设计
本伺服系统的接口电路主要由I/O 模块、SPI模块、电子齿轮模块和控制模块构成。其中, I/O 模块用来接收和发送各种信号; SPI 模块用来实现XC95108 和TM S320L F2407A 间的通讯; 电子齿轮模块将接收到的脉冲信号进行分频; 控制模块对XC95108 接收到的或即将发送的数据进行处理(脉冲信号的计数、SPI 发送缓冲寄存器的装载等)。
2.1 开关量和脉冲信号的处理
本伺服系统的接口信号主要有开关量和脉冲信号两种, 考虑到电平匹配和保护的因素, 需要进行光电隔离。开关量信号使用TL P521 进行隔离, 而脉冲信号由于频率较高, 使用高速光电耦合器PC900 进行隔离。
脉冲信号主要有3 种模式: AB 相脉冲模式、方向脉冲模式和正反脉冲模式。CPLD 根据参数设置来选择相应的接收方式, 如图2 所示。后两种模式辨向和计数相对简单,AB 相脉冲模式需要先转换成前两种模式, 再进行处理。例如, 将AB 相脉冲模式转换成方向脉冲模式时, 先将A、B 脉冲进行4倍频得到脉冲列C, 再通过辨向电路得到方向D IR 信号。通过对C 计数可以得到脉冲数, 当DIR = 1 时,对C 增计数, 当DIR= 0 时, 对C 减计数。码盘脉冲信号经过计数和辨向处理后可以实现M 法测速。
2.2 电子齿轮
所谓电子齿轮是指电气传动装置对脉冲编码器产生的信号进行m/n 分频, 将分频后得到的脉冲信号给电梯、数控机床等主控系统作精确定位用。采用电子齿轮主要是为了主控系统在选用不同的电气传动装置或位置传感器时, 本身不做任何改动而只需要重新设置电子齿轮的分频比m/n。
分频比为1/n 的电子齿轮是最基本的, 也比较容易实现。先将输入的A、B 脉冲进行4 倍频得到脉冲列C, 再进行辨向处理得到方向信号DIR, 最后分频得到两路脉冲A0 和B0。由A、B 相脉冲波形的特点可以看出, 当发生正、反转切换时, 4 倍频脉冲列C 会因为B 脉冲少一个跳变而漏掉一个脉冲, 而脉冲A 0 和B0 是基于对C 的计数得到的, 会有一个脉冲的滞后, 因此必须对其进行补偿。可以在D IR 跳变的时候让计数器加1,这样就可以补偿漏掉的脉冲。以2 分频为例, 通过图4 可以看出, 分频后得到的脉冲A 0 和B0 正交性好,滞后的问题也得到了解决。
2.3 CPLD 和DSP 的通讯
XC95108 通过SPI 与TM S320L F2407A 进行通讯。SPI 是高速的同步串行I/O 口。它能使可编程长度的串行位流(1 到16 位) 以可编程的位传输率输入和输出器件。其工作原理类似于一个16 位的移位寄存器, 时钟由主机提供。
通讯时采用主从结构,DSP 为主机, CPLD 为从机。TM S320L F2407A 作为主机, 在SP ICL K 引脚上提供串行时钟, 数据从SPISIMO 引脚输出并在SPISOMI 引脚输入。发送数据的过程如下: 首先,SP ISTE 引脚置低, 使能从机; 再将数据写入到发送缓冲寄存器SP ITXBU F 或移位寄存器SPIDAT , 起动数据发送; 将寄存器SPIDA T 内的数据左移一位, 最高位被移出并通过SP IS IMO 引脚发送, 同时将SPISOM T 引脚接收到的数据移入SPIDAT 的最低位。重复这个过程直到传送完设定数量的位时,通讯完毕。最后, SPISTE 引脚置高, 等待下一次通讯。XC95108 作为从机, 通讯过程和主机类似, 不同的是它并不产生串行时钟, 而由主机提供, 数据由CSP ISOMI 引脚移出并且由CSPISIMO 移入。
TM S320LF2407A 与XC95108 间的通讯采用主从问答的方式。在一次完整的通讯过程中,TM S320LF2407A 先发送一帧数据。该数据包含了选择哪个信号并进行何种操作, 以及反馈状态信号的信息。伺服控制模块根据这些信息将相应的数据装载到CSPIDAT 寄存器, TM S320LF2407A 再发送一帧数据提供时钟, 同时XC95108 将装载好的数据回传给TM S320LF2407A , 这样就完成了一次通讯。为了提高数据传输效率, 本系统采用流水线式的数据传送方法, 合理地对数据传输进行了规划。系统通讯时钟的最高频率为10MHz, 可以很好地满足通讯的可靠性和实时性。
3 结语
将CPLD 应用于数字交流伺服系统的接口设计, 不仅可以代替核心控制器完成部分功能, 减轻核心控制器的负担, 还简化了接口电路, 提高了系统的可靠性和开放性, 且便于调试。本方案中所有模块和逻辑电路均采用Verilog HDL 语言进行编写, 通过ModelSim 仿真检验了逻辑正确性后, 利用Synplify进行综合。采用本接口设计方法的交流伺服系统与传统伺服系统相比有电路简单和运行稳定的优点,有较好的应用前景。
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