1 引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)的要求和微電子技術(shù)的進(jìn)步，交流傳動已迅速從模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，這種轉(zhuǎn)變帶來的是控制精度的提高和控制電路的集成化。為了提高可靠性和設(shè)計的靈活性，人們越來越期待系統(tǒng)開放性的提高，在核心控制器件方面，已有多種針對傳動控制的專用芯片(80c196mc、tms320f240)，它們在硬件上已經(jīng)具有很強的通用性，通過外掛eeprom或者直接對片內(nèi)flash rom編程可以方便的更新控制程序。進(jìn)一步提高系統(tǒng)通用性，簡化設(shè)計，研究如何從應(yīng)用系統(tǒng)需求出發(fā)，依一定原則與算法對軟硬件功能進(jìn)行分析及合理分配，實現(xiàn)系統(tǒng)柔性重構(gòu)成為研究熱點之一。本文主要介紹，cpld/fpga在伺服系統(tǒng)接口設(shè)計中的應(yīng)用以及通過串行口實現(xiàn)在線修改系統(tǒng)參數(shù)與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制的方法。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，tms320f240作為主控器件，檢測位置，速度及電流反饋信號，完成位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的控制算法，最后產(chǎn)生pwm波形。我們選用altera公司的max7256s器件，用于系統(tǒng)作外圍信號的處理，tms320f240把max7256s作為外部i/o器件來訪問。數(shù)字操作器用來在線修改系統(tǒng)參數(shù)并作為用戶對系統(tǒng)進(jìn)行單機操作的接口，主要功能由at89c52來完成，與tms320f240的通訊遵循rs232協(xié)議。通過rs232接口系統(tǒng)也可以與pc機進(jìn)行通訊。為了使系統(tǒng)能適用于大系統(tǒng)，要求多臺設(shè)備協(xié)調(diào)的場合，設(shè)計了rs485接口，用于實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)控制。根據(jù)不同應(yīng)用要求，用戶可以通過跳線選擇rs232或者rs485通訊協(xié)議。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 cpld/fpga在交流伺服系統(tǒng)接口設(shè)計中的應(yīng)用
復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device, cpld)和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(field programmable gate array ,fpga)具有規(guī)模大，速度快，可重復(fù)編程，i/o口可任意配置的特點，并且具有高效的開發(fā)方式。cpld/fpga技術(shù)與eda技術(shù)相互配合，在cpld/fpga的設(shè)計中大量使用vhdl語言、原理圖、波形圖，它們可以直接面向功能設(shè)計，大大降低硬件設(shè)計的難度，使硬件設(shè)計軟件化。將程序下載到芯片以后，程序不再象cpu一條一條地執(zhí)行，而是通過硬件連接的并行實現(xiàn)的，完成時間是極短的。由于是硬件連接，不存在復(fù)位和程序跑飛的問題。

在本系統(tǒng)中，我們將max7256s與tms320f240作為硬件核心。tms320f240作為主控器件，max7256s用于處理各種數(shù)字式的接口信息，例如:指令信號、反饋信號、開關(guān)量，同時max7256s還必須完成保護電路和譯碼器的功能。max7256s通過16位的數(shù)據(jù)總線和16位的地址總線與tms320f240接口，再將max7256s的其他i/o引腳定義為輸入和輸出。由于max7256s的引腳配置可以由軟件任意改變，所以，設(shè)計好硬件電路后，盡管以后的設(shè)計內(nèi)容不一樣，只要每次配置的引腳符合硬件電路的定義就可以了。而且，大多數(shù)的fpga器件都帶有符合jtag協(xié)議的jtag接口，通過jtag口我們可以很方便的從pc機并口通過開發(fā)軟件將程序下載到芯片中去。因此，針對不同的要求，我們的工作只是改變max7256s的軟件設(shè)計，而不用改變硬件電路。

在本系統(tǒng)中，max7256s接收來自數(shù)控裝置的位置指令信號，并對其進(jìn)行四倍頻和必要的四則運算。數(shù)控裝置的位置指令信號一般有兩種形式:(1)方向+脈沖;(2)兩路相位相差90°的脈沖。對于這兩種形式的脈沖，我們都要將它們處理成兩路脈沖，一路用于正向計數(shù)，另一路用于反向計數(shù)。圖2為對方向+脈沖信號的處理;圖3為對相位相差90°脈沖的處理，該電路具有四倍頻功能。clk-、clk+分別作為兩個減計數(shù)器的計數(shù)脈沖，分別記為正向計數(shù)器的當(dāng)前計數(shù)值，反向計數(shù)器的當(dāng)前計數(shù)值，正向計數(shù)器的前一次計數(shù)值，反向計數(shù)器的前一次計數(shù)值。，為正、反向計數(shù)器兩次計數(shù)的差值。為實際偏差量，則絕對位置量為(其中是上一次的位置絕對量)。在位置伺服系統(tǒng)中當(dāng)不同螺距的絲杠與各種步距角的電機或不同一轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的伺服電機相配時，或通過各種變速齒輪聯(lián)結(jié)時，通過系統(tǒng)的電子齒輪比參數(shù)設(shè)定，可以使編程與實際運動距離保持一致。因此位置環(huán)的給定量為(是電子齒輪比)。這一過程所涉及的四則運算都可以用數(shù)字邏輯來完成，如圖4所示。電子齒輪比由用戶設(shè)定，由tms320f240將其存放在max7256s的常量寄存器內(nèi)。

圖2 方向+脈沖信號處理圖


圖3 a、b相差90°脈沖的處理圖


圖4 位置絕對量的計算邏輯圖

tms320f240的定時中斷服務(wù)程序，每次都從max7256s讀取y值，作為控制給定量。這樣的設(shè)計比單純用一個8254與dsp接口更可靠、更簡潔，同時由于max7256s完成了大量的四則運算工作，使得dsp的核心控制程序簡化了，縮短了程序執(zhí)行時間，提高了控制精度。

同時max7256s完成開關(guān)指令的接收，和給保護電路提供驅(qū)動信號(過流、過壓、過熱)的功能。對于這些信號，可以根據(jù)現(xiàn)場要求，對其進(jìn)行邏輯處理。數(shù)字量輸出端口都帶有鎖存器，保證了信號的穩(wěn)定性、非易失性。

4 通過串行口實現(xiàn)單機操作和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制
為了滿足用戶和適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場不同的要求，我們將tms320f240的串行口進(jìn)行復(fù)用，實現(xiàn)了用于單機操作的rs232接口和用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制的rs485接口。
在系統(tǒng)中rs232接口用于連接pc機和數(shù)字操作器。其用途都是為了能夠設(shè)定和在線修改參數(shù)(電子齒輪比，調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)給定量等)、監(jiān)視系統(tǒng)運行參數(shù)并顯示、故障報警以及參數(shù)保存。其中數(shù)字操作器的主器件為at89c55，軟件設(shè)計用franklin c51，和pc機的標(biāo)準(zhǔn)c一樣，用franklin c51編寫的程序易于修改和維護。

rs485接口使驅(qū)動器能夠滿足網(wǎng)絡(luò)控制的要求，基于rs485協(xié)議的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主控計算機完成如下功能:
(1) 主動發(fā)送數(shù)據(jù)給驅(qū)動器;
(2) 主動讀取驅(qū)動器的相關(guān)數(shù)據(jù);
(3) 響應(yīng)驅(qū)動器的請求，發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)給驅(qū)動器;
(4) 響應(yīng)驅(qū)動器的請求，讀取驅(qū)動器的相關(guān)數(shù)據(jù);
(5) 讀取驅(qū)動器的故障報警信息;
(6) 完成實時顯示、存儲、打印等功能。
rs232/rs485的轉(zhuǎn)換器，由max232、光隔器、max488組成。

4.1 串口通訊程序的設(shè)計
以操作器為例，簡要介紹串口通訊程序的設(shè)計。
在操作器與tms320f240的通訊過程中，at89c52作為主機，tms320f240作為從機。操作器每兩秒鐘向dsp發(fā)送一個幀(幀的定義如圖6所示)，dsp接收并根據(jù)該幀所包含的信息來控制伺服電機并回傳信息給操作器。幀中的命令字和子命令字字節(jié)存放要求dsp進(jìn)行何種操作的信息(修改某個參數(shù)、回送某個參數(shù)、回送故障信息、點動、正反轉(zhuǎn)……)。操作器的發(fā)送程序，總是交替發(fā)送普通數(shù)據(jù)和故障查詢命令。

圖 6 幀的定義

4.2 接收程序框圖
接收程序(結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示)根據(jù)收到的命令字，判斷是否是故障報警信息，如果不是則說明接收到的是普通數(shù)據(jù)，處理后送led顯示。如果是則判斷接收到的故障代碼是否為零，是零表示沒有故障發(fā)生或故障已被清除，不為零則表示驅(qū)動器已發(fā)生故障，操作器立即將故障代碼送led顯示。tms320f240的接收程序(結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示)，每次接收到數(shù)據(jù)時先判斷是否為起始位，這樣可以很好的保證按幀定義的順序來接收數(shù)據(jù)，不致混亂。接收到停止位后，將接收到的幀的信息進(jìn)行處理，判斷命令字與子命令字，轉(zhuǎn)向不同的處理程序。為了避免某些常用參數(shù)的反復(fù)設(shè)置，操作器設(shè)有串行eeprom，用戶可將這些常用參數(shù)保存在串行eeprom中，每次上電操作器將這些參數(shù)傳給驅(qū)動器。

圖 7 操作器接收程序流程圖


圖 8 dsp接收程序流程圖

5 結(jié)束語
cpld/fpga應(yīng)用于伺服驅(qū)動器，簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)通用性、可靠性，降低了開發(fā)成本，同時也減輕了核心控制器件的負(fù)擔(dān)。通過對串行口的復(fù)用，使驅(qū)動器能夠滿足rs232和rs485通訊，配以良好的通訊程序同時通訊協(xié)議對用戶開放，為用戶提供了友好的人機接口。以上設(shè)計方法已在實際工程項目中得到初步應(yīng)用，獲得了良好效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡介
冷廣平 副總工程師 現(xiàn)任職南京蘇強數(shù)控機電有限公司。