基于PCI总线和DSP的步进电机运动控制卡的设计和实现

摘要:本文针对数控系统的工作特点和要求,通过对TI公司DSP芯片TMS320LF2407A和Cypress公司PCI接口芯片CY7C09449PV-AC的功能和特点进行深入分析,设计了一种基于PCI局部总线的步进电机运动控制卡。该卡能够较好地满足数控系统对运动控制部件的实时性和控制精度的苛刻要求。

关键词:PCI；DSP；运动控制卡

引言

当今,开放式数控系统正在工业领域得到广泛应用。其中,工控机通过PCI总线连接专用运动控制卡的数控系统最为流行。在运动控制卡中,由于DSP采用多总线哈佛结构使得处理指令和数据可以同时进行,因此相比传统控制中的单片机具有更多的优势。同时,运动控制卡与PC机通过PCI局部总线通信,能够达到很高的数据传输速率,从而还保证了数控系统的实时性。

图1运动控制系统功能框图

系统概述

系统的功能框图如图1所示。该系统的核心是TI公司的16位定点DSP芯片TMS320LF2407A。DSP芯片负责接收PCI局部总线的命令和参数,然后经过特定的运动控制算法,如系统位置、速度调节、插补算法等,从而完成对步进电机的精确运动控制。同时DSP芯片还负责将反馈信息传输给PCI局部总线,并且控制系统外围I/O模块。DSP芯片与计算机的通信通过PCI桥接芯片CY09449实现。

DSP模块

DSP芯片TMS320LF2407A采用高性能静态CMOS工艺,供电电压仅3.3V；指令周期缩短到33ns。

作为系统的核心,TMS320LF2407A主要完成复杂的运动控制算法,比如升降频控制、插入补偿等。本设计主要是完成双轴步进电机控制,故插入补偿采用经典的DDA算法。由于本设计对步进电机采用无反馈控制,这样对步进电机的升降频控制就显得格外重要,这也成了整个系统设计的一个难点。根据步进电机变速过程动力学特性,以指数曲线前段规律作为前后沿的近似梯形波,进而确定升降频特性,这样既能保证步进电机运行过程不会失步,又充分发挥了步进电机的固有性能,使升频过程达到时间最短的要求。下面讨论一下升降频控制的算法实现。