SMT贴片机运动控制卡设计--DSP

  SMT贴片机是一个视觉机器人系统，由X-Y-Z-q 4 个自由度机械手，PCB板传输定位系统，元器件上料系统和视觉系统构成。决定贴片速度和精度是机械手的运动控制。开放式的运动控制技术利用了
近年来电子、网络通信、计算机和控制理论等领域的新成果，通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现预定运动轨迹目标的装置，用于完成多个运动轴(2～32轴)位置、速度和同步的控制。本运动控制系统的任务是研制高速高精度视觉贴片机DSP 多轴运动控制卡，同时实现4个轴的位置控制，研究高速度、高加速度运动与贴片精度的难题。

  SMT贴片机系统设计
  smt贴片机主要包括两个传送机构。一个是 X-Y 传送机构(X-Y 平台)；另一个是Z 与q传送机构。贴片机的精度和进度主要是由X 轴和Y 轴运动传动机构决定的。高精度的闭环位置控制系统一般采用滚
珠丝杆传送机构。电子尺线性编码器将贴片机的实际位置直接反馈，比旋转轴编码器更**，可靠性高，不受机械磨损的影响。Z轴运动主要是适应不同PCB 板厚和不同元器件的高低，Z 轴由气动驱动，步进电机/伺服电机驱动丝杆3种，有些贴片机还采用球形花键克服丝杆转动时径向的抖动，对于贴细间距器件用途很大。q 运动精度对贴片精度影响很大，分辨率要高。

  运动控制卡以美国 TI 公司的16 位定点DSP TMS320LF2407A为核心微处理器，它集成了编码器信号采集和处理电路，D/A 输出电路，扩展存储器电路和DSP—PC 机通信电路。PC机把粗插补的数据
通过PCI 总线传递给轴控制卡系统，DSP通过对光电编码器反馈信号处理电路的结果分析，计算出与给定位置的误差值，再通过软件PID＋前馈算法调节器获得位置控制量，计算出速度控制量，产生的输
出信号经D/A 转换将模拟电压量送伺服放大器，通过对伺服电机的控制实现对位置的闭环控制。

  1. DSP 部分
  我们选用 TI 公司的TMS320LF2407A 型DSP。这主要是由于其具有以下一些特点：
   (1)采用高性能静态CMOS 技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns(30MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；
   (2)片内有高达32k 字节×16 位的FLASH 程序存储器；高达2.5k 字×16位的数据/程序RAM；544字双端口RAM；2k 字的单口RAM；
   (3)两个事件管理器模块EVA 和EVB，每个均包括如下资源：两个16 位通用定时器；8 个16位的脉宽调制(PWM)通道，可以实现三相反相器控制、PWM 的中心或边缘校正、当外部引脚PDPINTX/出现低电平时快速关闭PWM通道；防止击穿故障的可编程的PWM 死区控制；对外部事件进行定时捕获的3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16 通道的同步A/D转换器。事件管理器模块适用于控制交流异步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器；
   (4)可扩展的外部存储器总共具有192k×16 位通用定时器的空间，分别位64k 字程序存储器空间、64k的数据存储器空间和64k 字的I/O 空间；
   (5)10 位ADC 转换器，其特性为：*小转换时间为500ns、8 个或16个多路复用的输入通道、可选择由两个事件管理器来触发两个8 通道输入A/D 转换器或一个16 通道输入的A/D 转换器；
   (6)5 个外部中断(两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)；
   (7)电源管理，具有3种低功耗模式，能独立地将外围器件转入低功耗工作模式。该系统可实现交流传动系统以及永磁直流电机的数字化控制，系统中通信模块接受上位机发出的控制参数，将其转换为PWM输出，经过驱动放大送给电机，产生输出。相电流以及由光电编码器检测的电机转向及转角反馈给DSP系统，形成闭环控制，实时控制运动精度。该系统可实现多电机系统协调动作的控制，从而构成多轴联动的控制平台。

  2. 伺服驱动器
 在伺服电机控制系统中，首先有一个给定位置指令，它是伺服系统期望的位置目标，而位置的实际值由感应器测得。因此系统工作时，感应器将检测到的实际位置信息反馈到输入端同给定的期望位置
进行比较，将差值信号放大，送到控制器，然后调节受控对象的输出，使它逐渐靠近目标位置。

  3. PCI 总线
  PCI 总线的主要特点如下：
   (1)具有地址数据多路复用的高性能32 位或64 位的同步总线；
   (2)PCI 局部总线在33MHz 总线时钟、32 位数据通路时，可达到峰值132MB/s的带宽，远远超过标准ISA 总线5MB/s 的速率，PCI 总线还有线性突发传输功能，保证了满载的高速传输；
   (3)极小的存取延时，采用总线多主控和异步数据转移操作；
   (4)PCI 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证数据完整性和准确性；
   (5)PCI 总线与CPU和时钟频率无关，能支持多个外设，设备间通过局部总线可完成数据快速传递，从而很好地解决数据传输的瓶颈问题；
   (6)对PCI 扩展卡及元件，能够自动配置，实现设备的即插即用。正是由于 PCI总线有如此多的优点，使得它成为今天*具发展潜力的局部总线标准。
  由于PCI 总线规范定义了严格的电气特性和时序要求，开发难度比ISA 总线大得多。一般可有两种方案实现：一种是用VHDL语言在FPGA 器件中实现，虽然成本低，但是开发任务重，难度大；另一种是使用专用的PCI接口芯片，这种方案省事，开发周期短。考虑到本系统的具体情况，决定采用后者。

  4. 编码电路
  电路采用光电增量编码器作为闭环控制的反馈元件，光电编码理论上输出的是两组相位相差 90°的脉冲信号A和B。实际中，需要设计数字滤波器，将脉动干扰去掉，降低系统产生误动作可能性。应用时还需要倍频鉴相电路及可逆计数器电路。常用的倍频鉴相电路由RC和门电路构成的，RC 电路抗干扰能力差，因此，选用了LATTOCE 公司的高密度系统可编程逻辑器件，应用VHDL语言设计了单片机并行4 路数字4 倍频鉴相电路，4路数字倍频鉴相电路设计在一个一个片子上，一方面单片芯片内的门电路、触发器的参数特性完全一致，在相同转速下，4倍频脉冲信号的脉冲周期可以保持一致；另一方面，电路做在单芯片内，抗干扰性能比分离器件构成的电路结构简单、可靠性高和抗干扰能力强，可逆计数器电路通过对脉冲编码器信号进行计数，确定电机运动位移反馈DSP，计算出与给定位置的误差值，完成位置控制，将设计好的数字滤波电路、倍频鉴相电路和可逆计数器模块，下载到可编程逻辑控制器件中，实现对编码器信号处理。

  5. 正交编码脉冲电路
  QEP 被电路使能时，会对引脚CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2 上的正交编码输入脉冲进行解码和计数。QEP电路可以用作与一个光学编码接口，以获取一个传动机构的位置和速度信息。当电机轴上的光学编码产生正交编码脉冲时，通过检测两个序列中哪一个序列**，就可以测出电机的转向，角位置和速度可以通过脉冲计数和脉冲的频率测出。
  启动 QEP 电路需要作以下设置：
   (1)如果需要，为GP 定时器计数器、周期和比较寄存器载入预定值。
   (2)配置T2CON 和TCON 来设置GP 定时器2、3 或2 和3为双向加/减计数模式，使能选定的定时器
   (3)配置CAPCON，以使能QEP 电路。

  控制算法
  PID 控制仅有3 个参数。但是常规的PID控制器对电机控制时，电机运动时会出现与命令速度成正比的跟随误差。即命令速度越高，跟随误差越大。为了减小电机运动的跟随误差，在常规的PID控制器里面加上速度前馈来闭合控制回路，以减小跟随误差。带速度前馈的PID算法，比较常规的PID算法仅仅多了一个速度前馈参数K。但是实际应用中，由于多了速度前馈这个环节，跟随误差比没有速度前馈时减小了80％之多。