開放數(shù)控系統(tǒng)模型的建立及實現(xiàn)

　　DSP插補板原理如圖2所示。DSP插補板通過ISA總線與PC機通訊，雙口RAM用于PC機與DSP交換信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通訊。控制步進電機時，只需要控制每臺電機輸入的步進脈沖和轉(zhuǎn)向，就可以控制一臺步進電機，所以步進電機可以直接由F2812 DSP的事件管理器控制，實現(xiàn)四臺電機的聯(lián)動。控制伺服電機時，需要控制逆變器的六支開關(guān)管(如無刷直流電機和交流異步電機)的開關(guān)動作，用F2812 DSP的EVA、EVB分別控制兩通道的PWM輸出，F(xiàn)PGA控制另兩通道的PWM輸出。FPGA接收DSP數(shù)據(jù)線傳來的三相脈寬，設置好死區(qū)寄存器和周期寄存器，完成PWM的輸出控制逆變器六支開關(guān)管的動作，實現(xiàn)四軸的聯(lián)動。

　　由于FPGA需要設計兩通道的PWM輸出和總線與控制卡的通訊功能，因此所需要的邏輯單元很大。在設計仿真后，確定FPGA選用Altera公司的Flex10K系列的EPF10K30A。由于其配置單元為SRAM，屬于易失性可編程器件，編程信息在系統(tǒng)斷電后會丟失，所以在設計FPGA時就需要外擴一個Flash存儲器，在每次上電工作時，需要從器件外部的Flash中將編程信息寫入器件的SRAM中，從而可以進行任意次數(shù)的編程、快速編程、實現(xiàn)板極和系統(tǒng)級的動態(tài)配置，充分體現(xiàn)了硬件的開放性設計。

　　4 硬件設計

　　圖3為DSP插補板的硬件接線圖。硬件接線需要注意以下幾個問題：因為DSP的時鐘和FPGA不同，數(shù)據(jù)傳輸不能正常完成，DSP通過總線向FPGA只寫數(shù)據(jù)，可以在FPGA中做DPRAM來實現(xiàn)DSP與FPGA的數(shù)據(jù)交換，在DPRAM的一側(cè)用DSP時鐘讀寫，另一側(cè)用FPGA系統(tǒng)時鐘讀寫，可以很好地完成數(shù)據(jù)的讀寫交換。DSP的速度較快，為了保證DSP的運行速度，外部存儲器需要具有一定的速度，否則DSP訪問外部存儲器時需要加入等待周期，且C2000系列的DSP只能同異步的存儲器直接相接。本設計要驅(qū)動不同種類的電動機的四軸聯(lián)動，需要的數(shù)據(jù)量比較大，控制算法比較復雜，選用存儲空間大的CY7C104BV33-12作為外擴存儲器。F2812 DSP采用統(tǒng)一尋址方式，CY7C104BV33既可以作為程序存儲器，也可以作為數(shù)據(jù)存儲器。CY7C104BV33采用3.3V供電，可以與DSP直接相接。DSP系統(tǒng)中難免存在5V/3.3V混合供電現(xiàn)象，I/O為3.3V供電的DSP，其輸入信號電平不允許超過電源電壓3.3V，5V器件輸出信號高電平可達4.4V，長時間超常工作會損壞DSP器件，輸出信號電平一般無需變換。本設計采用74LVC245A(8位、3.3V)進行電平轉(zhuǎn)換，方向控制信號由DSP的/RD控制。

　　5 PWM發(fā)生器的實現(xiàn)

　　圖4為FPGA實現(xiàn)PWM設計框圖，以驅(qū)動一臺電機6個功率器件為例。它主要由脈寬寄存器、緩沖寄存器、周期寄存器、死區(qū)寄存器、死區(qū)發(fā)生器、比較器組成。脈寬寄存器接收來自DSP刷新后送來的三相PWM信號脈寬;緩沖寄存器實現(xiàn)對脈寬數(shù)據(jù)的緩沖;周期寄存器決定PWM的載波周期;死區(qū)寄存器決定上下橋臂的死區(qū)時間;比較寄存器將三相脈寬值與三角載波進行比較，最后生成三相PWM信號PA、PB、PC，再經(jīng)過死區(qū)發(fā)生器處理，最后產(chǎn)生6個中心對稱的PWM驅(qū)動信號，驅(qū)動三相逆變器的6個功率器件。為了實現(xiàn)三相的同步，將三相脈寬寄存器中的值放入各自的緩沖寄存器中，通過基準計數(shù)器計數(shù)達到最大時，發(fā)出三相同步信號SYN，在SYN下將三個脈寬值從緩沖寄存器中取出與三角波進行比較，達到三相同步的目的。

　　6 實驗結(jié)果分析

　　圖5為在MAX PLUSⅡ環(huán)境下仿真的FPGA驅(qū)動直流電機的PWM波形，采用VHDL設計的帶有死區(qū)功能的PWM輸出，控制逆變器六支開關(guān)管AH、AL、BH、BL、CH、CL。AH、BH、CH設為高有效，AL、BL、CL設為低有效，A相占空比50%，B相占空比40%，C相占空比60%。仿真波形符合DSP中EV產(chǎn)生PWM波形的標準，證明了FPGA在DSP的控制下能夠很好地完成電機的控制，F(xiàn)PGA并行擴展了DSP的EV模塊功能。

　　本文在開放數(shù)控模型的基礎(chǔ)上，提出了一個經(jīng)濟、高速的開放數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。該數(shù)控系統(tǒng)在軟硬件平臺體現(xiàn)出了良好的開放性，能控制多種電機四軸聯(lián)動，符合開放數(shù)控發(fā)展方向。給出了FPGA產(chǎn)生帶死區(qū)功能的PWM輸出的仿真圖形，理論上證明了該結(jié)構(gòu)模型的正確性和可行性。其經(jīng)濟高效的性能，符合市場發(fā)展的需要。