基于CPLD的高響應(yīng)高精度伺服系統(tǒng)位置信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

虞志源1，魯文其1,2，顧小衛(wèi)1，2，袁嫣紅1，張建亞1，胡東軒1

(1. 浙江理工大學(xué)，浙江 杭州310018； 2. 浙江大學(xué)，浙江 杭州310018)

摘要：闡述了絕對(duì)式光電編碼器的工作原理，設(shè)計(jì)了一套基于17bit串行編碼器的位置檢測(cè)方案，給出了串行編碼器位置檢測(cè)方式的硬件框圖。按照功能將CPLD代碼分成4個(gè)模塊，并對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。搭建了試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了位置讀取的試驗(yàn)測(cè)試。由試驗(yàn)結(jié)果知，此方案能很好地讀取位置信息，且精度很高，適用于高響應(yīng)高精度的伺服系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：交流伺服系統(tǒng)； 串行編碼器； 位置檢測(cè)； 高響應(yīng)高精度

基金項(xiàng)目：* 國(guó)家自然科學(xué)

通訊作者：虞志源

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 383.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期：2015-03-17

Location Information Acquisition in Real Time System’s Design and Application

in High Response and High Precision Servo System Based on CPLD

YUZhiyuan1，LUWenqi1,2，GUXiaowei1,2，YUANYanhong1,ZHANGJianya1,HUDongxuan1

(1. Zhejiang Sci-tech University, Hangzhou 310018, China;

2. Zhejiang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract：The study expounded absolute photoelectric encoder’s principle, designed a set of position detection scheme based on 17 bits serial encoder, and presented serial encoder position detection method’s hardware block diagram. The system divided the CPLD code into four modules according to function, and expounded the of each module’s design principle in detail. At last, we set up the experimental platform to read the position information. According to the experiment, the solution can read the location information with high precision. It is suitable for high response and high precision servo system.

Key words： AC servo system; serial encoder; position detection; high response and high precision

0引言

目前，伺服系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、軍工等各種領(lǐng)域。它能快速、精確地跟蹤輸入信號(hào)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的位置、速度、轉(zhuǎn)矩的精確控制[1]。想要很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、速度、轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，必須先實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的精確檢測(cè)。因此，整個(gè)系統(tǒng)的精度往往受轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)精度的影響或制約[2，3]。

永磁交流伺服系統(tǒng)中，編碼器根據(jù)其輸出信號(hào)是數(shù)字量還是模擬量，可以分為數(shù)字量編碼器和模擬量編碼器。常見(jiàn)的絕對(duì)式光電編碼器和增量式編碼器就是數(shù)字編碼器，而模擬量編碼器則有旋轉(zhuǎn)變壓器和正余弦編碼器[4]。2500線(xiàn)編碼器是國(guó)內(nèi)較為常用的增量式編碼器，但是該編碼器只有11bit的分辨率，精度完全不能滿(mǎn)足高性能高精度的伺服系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)變壓器解碼之后的位置信息分辨率可達(dá)到16bit，精度相對(duì)于2500線(xiàn)編碼器已經(jīng)有了很大的提高，能較好地應(yīng)用于一般的大功率高精度場(chǎng)所[5]。美中不足的是，旋轉(zhuǎn)變壓器雖然屬于絕對(duì)式編碼器，但是其以模擬量的方式輸出位置信息，必須進(jìn)行復(fù)雜的解碼[6，7]。與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，17bit光電編碼器精度更是高達(dá)17bit，而高響應(yīng)高精度的伺服系統(tǒng)對(duì)位置檢測(cè)精度的要求相當(dāng)高，因此本研究選用17bit光電編碼器作為反饋位置信息的元件，并做了位置檢測(cè)相關(guān)的各種試驗(yàn)。

1位置檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

對(duì)于編碼器返回的數(shù)據(jù)，可以用解碼芯片進(jìn)行解碼，但是解碼芯片的價(jià)格較為昂貴，不利于成本的控制。另外一種辦法就是通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)返回?cái)?shù)據(jù)解碼[8，9]。本文利用CPLD強(qiáng)大的邏輯處理功能，采用VHDL語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼器返回?cái)?shù)據(jù)解碼的方案。具體的方案如圖1所示。

圖1　位置檢測(cè)方案流程圖

DSP發(fā)送控制指令給CPLD，CPLD對(duì)控制指令進(jìn)行譯碼，得到的數(shù)據(jù)通過(guò)485接口發(fā)送給編碼器，編碼器收到控制指令后再延遲3μs之后返回位置數(shù)據(jù)信息，同樣是經(jīng)過(guò)485接口，傳給CPLD，CPLD經(jīng)過(guò)解碼并且把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的位置供DSP讀取。

2光電編碼器原理

圖2　碼盤(pán)俯視圖

絕對(duì)式光電編碼器可直接輸出轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置角度數(shù)字量，在它的圓形碼盤(pán)上有若干碼道，每個(gè)碼道從里到外依次分為1、2、4、8……個(gè)區(qū)域，并黑白相間，如圖2所示。絕對(duì)式光電編碼器的碼盤(pán)上有很多碼道，而碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是其二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，也就是其分辨率的位數(shù)，17bit編碼器擁有17個(gè)碼道(圖2中所示是一個(gè)擁有4碼道的編碼器)，每個(gè)碼道上從里到到外依次分為1、2、4……個(gè)區(qū)域。在碼盤(pán)的兩側(cè)分別是光源和吸光元件，當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各吸光元件便能根據(jù)有無(wú)接收到光線(xiàn)來(lái)決定轉(zhuǎn)子位置的數(shù)值。

3位置檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)

位置檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。DRCNT信號(hào)能確定CPLD傳輸方向。CPLD通過(guò)RQ傳輸控制信號(hào)，通過(guò)SD接受數(shù)據(jù)信號(hào)。DSP通過(guò)片選地址A0～A5、CS_ZONE0、WE向CPLD傳送控制指令，CPLD對(duì)其進(jìn)行譯碼并通過(guò)RQ，經(jīng)485接口傳輸給編碼器。接收到控制指令后的編碼器在經(jīng)過(guò)3μs之后，返回所需要的數(shù)據(jù)，經(jīng)485接口，并通過(guò)SD傳回給CPLD，經(jīng)CPLD解碼，然后把相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的地址中。DSP可以通過(guò)切換地址來(lái)讀取需要的不同數(shù)據(jù)。

圖3　位置檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)框圖

CPLD作為17位串行編碼器與DSP之間的接口，其與編碼器之間的通信采用485接口通信。由于485接口是差分形式傳輸?shù)?，能有效抑制干擾。

4位置檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

DSP發(fā)送控制指令，CPLD作為DSP的外部接口對(duì)指令進(jìn)行譯碼，然后傳送給編碼器，控制編碼器返回位置數(shù)據(jù)，再經(jīng)由CPLD進(jìn)行解碼，由DSP讀取需要的信息?？刂菩盘?hào)接收模塊、傳送模塊、接收模塊以及輸出接口模塊構(gòu)成了整個(gè)CPLD。位置檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4　位置檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)框圖

4.1控制信號(hào)接收模塊

控制信號(hào)接收模塊框圖如圖5所示。接收模塊主要是CPLD用來(lái)接受DSP傳輸過(guò)來(lái)的控制命令，且對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行整理，并將最后整理完畢的控制信號(hào)傳輸給傳送模塊。

圖5　控制信號(hào)接收模塊

4.2傳送模塊

傳送模塊框圖如圖6所示。控制信號(hào)接收模塊的控制信號(hào)傳輸給傳送模塊之后，傳送模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生串行輸出控制信號(hào)和485接口傳輸方向控制信號(hào)。串行輸出控制信號(hào)分為3種情況： (1) 讀取編碼器模式，這種模式下只需要傳送一個(gè)控制幀；(2) 讀EEPROM模式，該模式下需要控制幀、地址幀和CRC幀；(3) 寫(xiě)EEPROM模式，需要地址幀和數(shù)據(jù)幀還有CRC幀。不管什么模式下，這些數(shù)據(jù)分別被存儲(chǔ)在不同的寄存器中，由DSP切換地址來(lái)讀取或者不讀取。

圖6　傳送模塊

4.3接收模塊

接收模塊框圖如圖7所示，編碼器傳回的數(shù)據(jù)(位置或者速度信息等)由接收模塊來(lái)接收，并與各個(gè)幀成相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。若在讀取編碼器模式下，數(shù)據(jù)幀的格式應(yīng)為控制幀(CF)+數(shù)據(jù)幀(Dn0～Dn7)+CRC幀的格式；若在讀寫(xiě)EEPROM的模式下，數(shù)據(jù)幀的格式應(yīng)為控制幀(CF)+地址幀(ADF)+數(shù)據(jù)幀(EDF)+CRC幀的格式[5]，在數(shù)據(jù)接受并且轉(zhuǎn)化完成之后，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，包括停止位校驗(yàn)、起始位校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)、奇偶校驗(yàn)，一旦所有的校驗(yàn)位都為0，就代表整個(gè)過(guò)程沒(méi)有錯(cuò)誤，可把整理好的數(shù)據(jù)幀傳送到下面所描述的輸出接口模塊。

圖7　接收模塊

4.4輸出接口模塊

輸出模塊框圖如圖8所示，編碼器返回的數(shù)據(jù)在接收模塊中重組之后傳輸給輸出接口模塊，然后存儲(chǔ)在CPLD不同的地址之中，來(lái)供DSP讀取。因此通過(guò)選用不同的外部接口的地址能方便地選擇需要的數(shù)據(jù)。

圖8　輸出接口模塊

4.5分頻模塊

分頻器原理如圖9所示。由于CPLD工作的頻率為75MHz，絕對(duì)式編碼器則為20MHz，75MHz轉(zhuǎn)化到20MHz需要3.75倍的分頻，參考文獻(xiàn)[10]提出由D觸發(fā)器級(jí)聯(lián)的小數(shù)分頻方法，輸出的兩種占空比波形的分布比較均勻，故分頻模塊采用D觸發(fā)器級(jí)聯(lián)。

圖9　分頻器原理圖

由圖9可知，此框圖的傳遞函數(shù)為

(1)

分頻倍數(shù)為3.75倍，由式(1)可計(jì)算得到M=N=4，也就是說(shuō)，前向通道與反饋通道都需要4分頻才能達(dá)到預(yù)期的3.75倍分頻。由文獻(xiàn)[10]可知，一個(gè)D觸發(fā)器電路為一次2分頻，因此前向通道和反饋通道都需要2個(gè)D觸發(fā)器電路。

5試驗(yàn)與測(cè)試

本文使用的編碼器為日本多摩川TS5667N2300，由CPLD向編碼器發(fā)出控制碼，得到編碼器返回的串行數(shù)據(jù)碼的波形。其試驗(yàn)結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10　發(fā)送ID0返回?cái)?shù)據(jù)

圖11　發(fā)送ID3返回?cái)?shù)據(jù)

總共進(jìn)行了兩次試驗(yàn)。圖10、圖11中控制字ID碼依次為0和3，ID0控制幀應(yīng)該是“0010000001”，ID3控制幀應(yīng)該是“0010110001”。圖10中DSP發(fā)送控制命令給CPLD之后，CPLD將控制命令譯碼之后將控制碼傳輸給編碼器，其傳輸波形是“0010000001”，圖11中則為“0010110001”。編碼器在3μs之后返回?cái)?shù)據(jù)，再觀察返回的數(shù)據(jù)波形。由編碼器協(xié)議可知，返回的數(shù)據(jù)格式為控制幀+狀態(tài)幀+數(shù)據(jù)幀+CRC幀的形式?？梢钥闯鰣D10編碼器返回的前面10位為“0010000001”，緊接著的狀態(tài)幀為“0000000001”，也就是說(shuō)此次通信編碼器返回?cái)?shù)據(jù)無(wú)誤、有效，緊接著便是數(shù)據(jù)幀和CRC幀。圖11也是一樣，只是控制幀不同而已。

17位串行編碼器的精度為17bit，即把一圈的位置分為131072(217)個(gè)部分，每個(gè)部分算是一個(gè)位置，也就是說(shuō)，每0.00275°(360°/131072)算作一個(gè)位置，且都有與之對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼數(shù)字量，精度非常之高。位置檢測(cè)中DSP所讀取的位置信息如圖12所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為角度寄存器中存儲(chǔ)的位置數(shù)值?？梢钥闯?，角度寄存器中最大的數(shù)值(131072-1)，當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)，位置信息從(131072-1)(位置信息數(shù)字量最大值)減小到0，然后跳變到(131072-1)，依次循環(huán)，逆時(shí)針則是相反。試驗(yàn)所得精度符合17bit串行編碼器的理論精度。

圖12　位置檢測(cè)波形

6結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種伺服系統(tǒng)的高精度位置檢測(cè)方案，方案通過(guò)對(duì)CPLD進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP控制指令的譯碼與對(duì)編碼器返回的位置數(shù)據(jù)的解碼。給出了位置檢測(cè)硬件原理框圖。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)位置檢測(cè)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。17bit串行編碼器具有高達(dá)17bit的精度，從返回一次數(shù)據(jù)的時(shí)間計(jì)算、位置波形及位置精度計(jì)算都能看出，該方案能很好地實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)高精度的位置檢測(cè)。

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