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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。
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系统概述
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，TMS320LF 2407A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短的要求。下面讨论一下升降频控制的算法实现。 升降频控制 为实现所确定的运行频率—时间函数，通常是将其离散化，即将其转换为脉冲时间间隔对脉冲个数的函数。另一种方法是按升降频过程所走过的脉冲步数通过定步中断来变频。但是离散化方法既会引起频率突跳和失步，又要进行复杂的迭代运算，而定步法同样需要进行迭代。这两种方法在DSP上都不易实现且灵活性较差。为此本文研究了一种称为定时的方法。 设运行频率为fh（电机恒速段的速度），升频段总时间为ts。则根据步进电动机指数型升频过程的频率—时间关系： f（t）=fM-（fM-fb）*exp（-t/T） （1） 式中fb为步进电动机起动频率；fM为极限运行频率；T为驱动系统时间常数 则有fh=f（ts）=fM-（fM-fb）*exp（-ts/T） 从而得到 ts=T*ln（（fM-fb）/（fM-fh）） （2） 将ts等分为N段，得到各段时间为：ta=ts/N 则在第i个等分段ta内脉冲切换频率和要送出的脉冲数分别为： f［i］=f（i*ta）=fM-（fM-fb）*exp（-i*ta/T）（3） X［i］=ta*f［i］ （4） 故升频段的总步数为： P=X［0］+X［1］+…+X［N-1］ （5） 将脉冲间隔1/f［i］转换为DSP内部16位定时器的时间常数K［i］。转换关系式为 K［i］=f_DSP/f［i］， i=0，1，2…， N-1 （6） 由于降频段特性变化规律与升频段相反，可知降频序列是升频序列的逆序列。 电机在恒速步进阶段，以fh的换相频率步进。因此对应的定时器时间常数为： K［N］=f_DSP/fh （7） 恒速段总步数为： X_h=X_total-2*P （8） 式中X_total为步进电机运动的总步数。 电机运行前，由主程序计算出升频段和恒速段定时器时间常数序列K［i］（i=0， …，N-1），存放于DSP的SARAM中，形成一个K-P升速表格。当电机运行时，在线查表，并取出K［i］用于设置DSP的PWM中周期寄存器的值，从而不断改变PWM波形的周期，实现对电机的速度调节。根据升速、降速或高频恒速，决定升速表地址指针增1、减1或不变。通过这种定时的方法，一方面提高了系统的灵活性，可根据输入的频率、起动频率等参数改变升降速表，另一方面升降速表的求取不占用运行时间，从而提高了运行效率。 |
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系统的部分软件流程
图2为升降频控制子程序流程图，其中：p_SARAM为指向电机升降速时间常数表的指针，采用DSP的内部SARAM来存放该表；X_up、X_con、X_down分别代表电机在升速段、恒速段、降速段要走的总步数；up_flag、con_flag、down_flag分别代表当前电机的运动状态（升速、恒速、降速）。 DSP与PC机的通信 DSP与PC机的通信通过CY09449连接，CY09449内部带有128KB双向静态SRAM，为了在工作中，使PC机和DSP对SRAM的访问不会发生冲突，本设计中把SRAM均分为两个单元A和B， PC机和DSP对这两部分的操作采用乒乓操作模式。由于DSP具有外部数据存储器扩展能力，所以该SRAM完全可以作为DSP的外扩数据存储器，这样在设计中便采用DSP的外部数据存储器有效信号/DS来作为CY09449的片选信号/SELECT。 DSP的编码接口 本设计也考虑到如果需要对电机进行控制时，就需要对电机进行闭环控制。一般情况下，会运用光电编码器作为系统的闭环反馈元件。由于本设计是针对双轴步进电机的运动，而单轴的光电编码器就输出两相相差为90°的脉冲信号A、B，以及归零信号Z（都是差分形式），这样一共就有6路反馈信号。但是DSP只有两个正交编码单元，所以设计中把DSP的引脚PWM9和PWM10设为通用输入脚。这样，反馈信号经过高速光耦隔离后，就送入到DSP的正交编码接口QEP1/QEP2、QEP3/QEP4，以及PWM9/PWM10，然后由DSP对该反馈信号进行计算处理，从而得出电机的实际运动信息。 |
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40mR/650V SiC 碳化硅MOSFET，替代30mR 超结MOSFET或者20-30mR的GaN!
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