专利名称：一种基于fpga的运动控制卡的制作方法
技术领域：
本实用新型属于自动化控制领域，具体的说是一种基于FPGA (Field —Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)的线性磁轴直线电机运动控制卡。
背景技术：
近几年来，在各种工业场合外，线性磁轴电机在人们日常生活中的应用越来越广泛，比如在医疗、汽车、制造等领域，相对于现有直线电机来说，线性磁轴直线电机具有大推力，高刚性，无磁气吸引力，安装时无磁气吸引力，推力波动小。另外线性磁轴电机构造简单，仅由磁石和线圈构成，不发生摩擦，零维护，无噪声，不产生粉尘，无因热膨胀所引起误差，安装简单方便，磁轴和线圈即使安装时不是同心圆也不会影响到推力。更为重要的是高 推力(最高8000N)，高精度(O. 14nm)，高速传动(6. 5m/s)，耐久结构，即使在水中和真空中也能运行，所以线性磁轴电机的应用前景非常广阔。但是目前对于线性磁轴式直线电机的控制目前技术手段是通过专业的控制器和伺服驱动器搭配实现对磁轴式直线电机的控制，一般是通过伺服驱动器的速度模式来驱动直线电机运动。在成本上，专业伺服驱动器和控制器比较昂贵，而且需要调控的参数也很多，不是很方便完成设定的控制目标。在资源上，专业伺服驱动器和控制器资源十分有限，不能很好满足线性磁轴直线电机运动良好控制，也不能很好发挥线性磁轴直线电机运动的性能。在空间上，需要在工控设备中单独划分一块空间用于安放专业控制器。这对于工控设备空间布局上提出要求，并且工控设备的空间资源也十分有限。磁轴式直线电机在运行过程中，由于存在电磁场，磁能消耗损失，需要实时对大量的控制参数进行监测控制，因此需要占用许多信号通道资源。另外一方面，磁轴式直线电机存在电磁场，会对控制器产生电磁场干扰，一般专业控制器却很少考虑到这点。FPGA是可编程器件基础上发展而来的产物，利用小型查找表(16 X 1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动1/0，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块，而且允许无限次的编程。现在的FPGA芯片集成嵌入式软核，快速方便配置内部硬件架构，调用芯片内部资源，处理更加复杂的运算。因此FPGA完全有能力实现对直线电机运动进行控制。
实用新型内容本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种基于FPGA的线性磁轴直线电机运动控制卡，FPGA在逻辑功能确定后，就很可靠，不易受外界干扰。另外其资源很丰富，芯片引脚高达上百个，逻辑门资源达百万个，处理速度高达几百兆赫兹。采用SOPC (System ona Programmable Chip,可编程片上系统)技术,在FPGA内嵌处理器,并且集成相应的IP核，在实现原来功能的基础之上，大幅度提高性能和可用资源，方便调试和功能升级。并且集成了多个模块于单板上，减少占用空间。[0006]为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种基于FPGA的运动控制卡，特别适用于线性磁轴直线电机的运动控制，包括FPGA、脉冲电压转换模块、运放模块、差分单端转换模块、光耦隔离输入模块、光耦隔离输出模块、USB/串口接口模块、电源接口模块和时钟模块；所述的FPGA通过USB/串口接口模块与主控机进行通信；FPGA、脉冲电压转换模块、运放模块通过标准信号接口依次相连；运放模块输出端通过光耦隔离输出模块与电机的伺服驱动器相连；差分单端转换模块通过光耦隔离输入模块与电机检测设备光栅编码器相连，输出端与FPGA相连。上述FPGA内部通过SOPC技术采用嵌入式架构总线将速度脉冲转换模块、主控模 块和脉冲位置转换模块集成；三个模块通过嵌入式架构总线进行通信和指令信号传送。上述的运放模块包含单向双向转换模块和增强驱动模块，与伺服驱动器连接经过双口随机存取存储器。上述时钟模块提供FPGA主控模块用的时钟信号；所述的电源接口模块连接外部电源，用于提供整个运动控制卡的电源。本实用新型与现有技术相比较，具有以下突出的优点从成本上，本实用新型的成本远比专业的控制器低，而且考虑了信号电磁干扰性。从空间上，本实用新型采用嵌入式架构的单板设计，占用空间资源很少。从资源上，本实用新型采用基于带有内核的FPGA来搭建运动控制卡，其引脚资源和门阵列资源远比专业控制器多，方便调试和功能升级。
图I是本实用新型的基于FPGA的运动控制卡结构示意图。图2是本实用新型的基于FPGA的运动控制卡中FPGA嵌入式架构内部框图。图3是本实用新型的基于FPGA的运动控制卡中速度脉冲转换模块框图。图4是本实用新型的基于FPGA的运动控制卡中脉冲位置转换模块框图。图5是本实用新型的基于FPGA的运动控制卡中脉冲电压转换模块电路图。图6是本实用新型的基于FPGA的运动控制卡中运放模块电路图。图7是本实用新型的基于FPGA的运动控制卡中差分单端转换模块框图。
具体实施方式
以下结合附图将对本实用新型的实施例进行更为详细的说明如图I所示，一种基于FPGA的运动控制卡，特别适用于线性磁轴直线电机的运动控制，包括FPGA、脉冲电压转换模块、运放模块、差分单端转换模块、光耦隔离输入模块、光耦隔离输出模块、USB/串口接口模块、电源接口模块、时钟模块。其中FPGA通过USB/串口接口模块与主控机进行通信。FPGA、脉冲电压转换模块、运放模块依次通过标准信号接口依次相连。运放模块输出端通过光耦隔离模块与电机的伺服驱动器相连。差分单端转换模块通过光耦隔离输入模块与电机检测设备编码器相连，输出端与FPGA相连。如图2所示，上述FPGA采用Altera公司Cyclone II系列FPGA芯片。采用SOPC技术通过嵌入式架构总线Avalon总线嵌入了速度脉冲转换功能模块、Nios II软核主控模块和脉冲位置转换功能模块，并具有根据反馈信号自主判断功能的功能。[0023]如图3所示，上述FPGA内嵌了速度脉冲转换功能模块由输入信号分频系数接口m、占空比系数接口 η、复位信号接口 reset、速度时钟信号接口 elk和输出信号脉冲信号clkout,组成，此模块能达到分频效果，完成速度脉冲转换功能。如图4所不,上述FPGA内嵌了脉冲位置转换功能模块由输入信号ABZ三相脉冲信号、时钟输入信号elk以及清零clear信号和输出信号位置信号speedtest组成。ABZ三相输入时(Z为控制旋转方向控制，直线电机未有旋转方向控制，故输入为零)，当检测出A提前于B脉冲时，判断直线电机为正向运动；当检测出A滞后于B脉冲时，直线电机为反向运动，从而得到直线电机的绝对位置信息。如图5所示，上述脉冲电压转换模块采用AD650芯片，转换精度误差在百分之一。根据外围电路配置该模块能够实时将输入脉冲信号转换对应的单向电压信号。其工作原理 如下输入脉冲Fin经C4、R5组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。当输入脉冲的下降沿到来时，输入比较器输出高电平，单稳态多谐振荡器被触发输出高电平，此时ImA电流源对积分电容C1进行充电，充电时间是由电容C3决定的。输入频率和输出电压成线性函数关系。AD650的输入频率Fin与输出电压Vtjut的关系如下Vout=7. 5 · Fin · C3(R^R2) (I)其中R1+ R2=Voutfflax/0. 25mA(2)C3=IO-4F/(S · Fmax)(3)式中Vtjutmax为最大输出电压，Fmax为满刻度频率，S为定时电容固有参数，R1^ R2分别指外围电路中电阻，F指输入频率。如图6所示，上述运放模块由单向双向转换电压模块，增强驱动模块组成。该模块在外围电路下能够实时将单向电压信号根据设定稳压电压值分成双向电压信号，并且在增强驱动模块作用下增加了其驱动能力。其中单向双向电压转换模块由稳压模块和减法器运放模块组成。稳压模块由稳压芯片7805、接地信号组成。减法器运放模块由外接电阻Rn、R22、Rff、R33、运放芯片LM324以及输入输出的电压信号组成。设经由7805稳压电路输入电阻R11的电压为Vil,电阻R22的输入端电压为Ni2,运放的输出电压为Vtl，有V0=- y- Vil+ ^ (1+ y- ) Vi2 (4)
^ll ·κ22 十kII为了消除偏置电流引起的误差，要求运算放大器两输入端的外电路其总电阻必须平衡，即R11 /I Rff= R22 // R33 (5)设R11= R22, Rff= R33,则有
ReV0=子(V12- V11) (6)
iiIl当R11= Rff 时，有V0= Vi2- Vil (7)[0043]Vil大小为5V，而Vi2的输入电压为0-10V，因而减法电路的输出电压Vtl为_5_5V。该减法器运放模块电路采用的是单片高增益双运算放大器，可在较宽范围的单电源下工作，其电源电流很小且与电源电压大小无关。电压跟随器模块在保证输入电压和输出电压相同，同时能够降低阻抗，从而提高原来电路带负载的能力，将双向电压信号输入伺服驱动器，从而驱动直线电机按设定速度运动。如图7所示，上述差分单端模块是采用AM26LS芯片，根据外围电路该模块能够将ABZ三相差分脉冲信号转换为单端三相脉冲信号。应当理解的是，上述针对本实用新型实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本实用新型专利保护范围的限制，本实用新型的专利保护范围应以所附权利要求 为 准。
权利要求1.一种基于FPGA的运动控制卡，特别适用于线性磁轴直线电机的运动控制，其特征在于，包括FPGA、脉冲电压转换模块、运放模块、差分单端转换模块、光耦隔离输入模块、光耦隔离输出模块、USB/串ロ接ロ模块、电源接ロ模块和时钟模块；所述的FPGA通过USB/串ロ接ロ模块与主控机进行通信；FPGA、脉冲电压转换模块、运放模块通过标准信号接ロ依次相连；运放模块输出端通过光耦隔离输出模块与电机的伺服驱动器相连；差分单端转换模块通过光耦隔离输入模块与电机检测设备光栅编码器相连，输出端与FPGA相连。
2.根据权利要求I所述的ー种基于FPGA的运动控制卡，其特征在于，所述FPGA内部通过SOPC技术采用嵌入式架构总线将速度脉冲转换模块、主控模块和脉冲位置转换模块集成；三个模块通过嵌入式架构总线进行通信和指令信号传送。
3.根据权利要求I所述的ー种基于FPGA的运动控制卡，其特征在于，所述的运放模块包含单向双向转换模块和增强驱动模块，与伺服驱动器连接经过双ロ随机存取存储器。
4.根据权利要求I所述的ー种基于FPGA的运动控制卡，其特征在于，所述时钟模块提供FPGA主控模块用的时钟信号；所述的电源接ロ模块连接外部电源，用于提供整个运动控制卡的电源。
专利摘要本实用新型涉及一种基于FPGA的运动控制卡，特别适用于线性磁轴直线电机的运动控制，包括FPGA、脉冲电压转换模块、运放模块、差分单端转换模块、光耦隔离输入模块、光耦隔离输出模块、USB/串口接口模块、电源接口模块和时钟模块；所述的FPGA通过USB/串口接口模块与主控机进行通信；FPGA、脉冲电压转换模块、运放模块通过标准信号接口依次相连；运放模块输出端通过光耦隔离输出模块与电机的伺服驱动器相连；差分单端转换模块通过光耦隔离输入模块与电机检测设备光栅编码器相连，输出端与FPGA相连。本实用新型能够快速完成速度模式下闭环控制线性磁轴直线电机的运动，不但成本低，可靠性高，速度快，体积小，而且运动控制精度高达1KHz，响应时间为3KHz。
文档编号H02P25/06GK202385050SQ20122000092
公开日2012年8月15日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者吕海峰, 张生才, 徐新虎, 李桂琴, 蔡浩, 郭庆, 郭磊 申请人:上海大学