SMT貼片機運動控制卡設(shè)計--DSP

  SMT貼片機是一個視覺機器人系統(tǒng)，由X-Y-Z-q 4 個自由度機械手，PCB板傳輸定位系統(tǒng)，元器件上料系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)構(gòu)成。決定貼片速度和精度是機械手的運動控制。開放式的運動控制技術(shù)利用了
近年來電子、網(wǎng)絡(luò)通信、計算機和控制理論等領(lǐng)域的新成果，通過對以電機驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備進行運動控制，以實現(xiàn)預(yù)定運動軌跡目標的裝置，用于完成多個運動軸(2～32軸)位置、速度和同步的控制。本運動控制系統(tǒng)的任務(wù)是研制高速高精度視覺貼片機DSP 多軸運動控制卡，同時實現(xiàn)4個軸的位置控制，研究高速度、高加速度運動與貼片精度的難題。

  SMT貼片機系統(tǒng)設(shè)計
  smt貼片機主要包括兩個傳送機構(gòu)。一個是 X-Y 傳送機構(gòu)(X-Y 平臺)；另一個是Z 與q傳送機構(gòu)。貼片機的精度和進度主要是由X 軸和Y 軸運動傳動機構(gòu)決定的。高精度的閉環(huán)位置控制系統(tǒng)一般采用滾
珠絲桿傳送機構(gòu)。電子尺線性編碼器將貼片機的實際位置直接反饋，比旋轉(zhuǎn)軸編碼器更**，可靠性高，不受機械磨損的影響。Z軸運動主要是適應(yīng)不同PCB 板厚和不同元器件的高低，Z 軸由氣動驅(qū)動，步進電機/伺服電機驅(qū)動絲桿3種，有些貼片機還采用球形花鍵克服絲桿轉(zhuǎn)動時徑向的抖動，對于貼細間距器件用途很大。q 運動精度對貼片精度影響很大，分辨率要高。

  運動控制卡以美國 TI 公司的16 位定點DSP TMS320LF2407A為核心微處理器，它集成了編碼器信號采集和處理電路，D/A 輸出電路，擴展存儲器電路和DSP—PC 機通信電路。PC機把粗插補的數(shù)據(jù)
通過PCI 總線傳遞給軸控制卡系統(tǒng)，DSP通過對光電編碼器反饋信號處理電路的結(jié)果分析，計算出與給定位置的誤差值，再通過軟件PID＋前饋算法調(diào)節(jié)器獲得位置控制量，計算出速度控制量，產(chǎn)生的輸
出信號經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換將模擬電壓量送伺服放大器，通過對伺服電機的控制實現(xiàn)對位置的閉環(huán)控制。

  1. DSP 部分
  我們選用 TI 公司的TMS320LF2407A 型DSP。這主要是由于其具有以下一些特點：
   (1)采用高性能靜態(tài)CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns(30MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力；
   (2)片內(nèi)有高達32k 字節(jié)×16 位的FLASH 程序存儲器；高達2.5k 字×16位的數(shù)據(jù)/程序RAM；544字雙端口RAM；2k 字的單口RAM；
   (3)兩個事件管理器模塊EVA 和EVB，每個均包括如下資源：兩個16 位通用定時器；8 個16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道，可以實現(xiàn)三相反相器控制、PWM 的中心或邊緣校正、當外部引腳PDPINTX/出現(xiàn)低電平時快速關(guān)閉PWM通道；防止擊穿故障的可編程的PWM 死區(qū)控制；對外部事件進行定時捕獲的3 個捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16 通道的同步A/D轉(zhuǎn)換器。事件管理器模塊適用于控制交流異步電機、無刷直流電機、開關(guān)磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器；
   (4)可擴展的外部存儲器總共具有192k×16 位通用定時器的空間，分別位64k 字程序存儲器空間、64k的數(shù)據(jù)存儲器空間和64k 字的I/O 空間；
   (5)10 位ADC 轉(zhuǎn)換器，其特性為：*小轉(zhuǎn)換時間為500ns、8 個或16個多路復(fù)用的輸入通道、可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8 通道輸入A/D 轉(zhuǎn)換器或一個16 通道輸入的A/D 轉(zhuǎn)換器；
   (6)5 個外部中斷(兩個驅(qū)動保護、復(fù)位和兩個可屏蔽中斷)；
   (7)電源管理，具有3種低功耗模式，能獨立地將外圍器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。該系統(tǒng)可實現(xiàn)交流傳動系統(tǒng)以及永磁直流電機的數(shù)字化控制，系統(tǒng)中通信模塊接受上位機發(fā)出的控制參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為PWM輸出，經(jīng)過驅(qū)動放大送給電機，產(chǎn)生輸出。相電流以及由光電編碼器檢測的電機轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角反饋給DSP系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，實時控制運動精度。該系統(tǒng)可實現(xiàn)多電機系統(tǒng)協(xié)調(diào)動作的控制，從而構(gòu)成多軸聯(lián)動的控制平臺。

  2. 伺服驅(qū)動器
 在伺服電機控制系統(tǒng)中，首先有一個給定位置指令，它是伺服系統(tǒng)期望的位置目標，而位置的實際值由感應(yīng)器測得。因此系統(tǒng)工作時，感應(yīng)器將檢測到的實際位置信息反饋到輸入端同給定的期望位置
進行比較，將差值信號放大，送到控制器，然后調(diào)節(jié)受控對象的輸出，使它逐漸靠近目標位置。

  3. PCI 總線
  PCI 總線的主要特點如下：
   (1)具有地址數(shù)據(jù)多路復(fù)用的高性能32 位或64 位的同步總線；
   (2)PCI 局部總線在33MHz 總線時鐘、32 位數(shù)據(jù)通路時，可達到峰值132MB/s的帶寬，遠遠超過標準ISA 總線5MB/s 的速率，PCI 總線還有線性突發(fā)傳輸功能，保證了滿載的高速傳輸；
   (3)極小的存取延時，采用總線多主控和異步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移操作；
   (4)PCI 提供的數(shù)據(jù)和地址奇偶校驗功能，保證數(shù)據(jù)完整性和準確性；
   (5)PCI 總線與CPU和時鐘頻率無關(guān)，能支持多個外設(shè)，設(shè)備間通過局部總線可完成數(shù)據(jù)快速傳遞，從而很好地解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題；
   (6)對PCI 擴展卡及元件，能夠自動配置，實現(xiàn)設(shè)備的即插即用。正是由于 PCI總線有如此多的優(yōu)點，使得它成為今天*具發(fā)展?jié)摿Φ木植靠偩€標準。
  由于PCI 總線規(guī)范定義了嚴格的電氣特性和時序要求，開發(fā)難度比ISA 總線大得多。一般可有兩種方案實現(xiàn)：一種是用VHDL語言在FPGA 器件中實現(xiàn)，雖然成本低，但是開發(fā)任務(wù)重，難度大；另一種是使用專用的PCI接口芯片，這種方案省事，開發(fā)周期短?？紤]到本系統(tǒng)的具體情況，決定采用后者。

  4. 編碼電路
  電路采用光電增量編碼器作為閉環(huán)控制的反饋元件，光電編碼理論上輸出的是兩組相位相差 90°的脈沖信號A和B。實際中，需要設(shè)計數(shù)字濾波器，將脈動干擾去掉，降低系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作可能性。應(yīng)用時還需要倍頻鑒相電路及可逆計數(shù)器電路。常用的倍頻鑒相電路由RC和門電路構(gòu)成的，RC 電路抗干擾能力差，因此，選用了LATTOCE 公司的高密度系統(tǒng)可編程邏輯器件，應(yīng)用VHDL語言設(shè)計了單片機并行4 路數(shù)字4 倍頻鑒相電路，4路數(shù)字倍頻鑒相電路設(shè)計在一個一個片子上，一方面單片芯片內(nèi)的門電路、觸發(fā)器的參數(shù)特性完全一致，在相同轉(zhuǎn)速下，4倍頻脈沖信號的脈沖周期可以保持一致；另一方面，電路做在單芯片內(nèi)，抗干擾性能比分離器件構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和抗干擾能力強，可逆計數(shù)器電路通過對脈沖編碼器信號進行計數(shù)，確定電機運動位移反饋DSP，計算出與給定位置的誤差值，完成位置控制，將設(shè)計好的數(shù)字濾波電路、倍頻鑒相電路和可逆計數(shù)器模塊，下載到可編程邏輯控制器件中，實現(xiàn)對編碼器信號處理。

  5. 正交編碼脈沖電路
  QEP 被電路使能時，會對引腳CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2 上的正交編碼輸入脈沖進行解碼和計數(shù)。QEP電路可以用作與一個光學編碼接口，以獲取一個傳動機構(gòu)的位置和速度信息。當電機軸上的光學編碼產(chǎn)生正交編碼脈沖時，通過檢測兩個序列中哪一個序列**，就可以測出電機的轉(zhuǎn)向，角位置和速度可以通過脈沖計數(shù)和脈沖的頻率測出。
  啟動 QEP 電路需要作以下設(shè)置：
   (1)如果需要，為GP 定時器計數(shù)器、周期和比較寄存器載入預(yù)定值。
   (2)配置T2CON 和TCON 來設(shè)置GP 定時器2、3 或2 和3為雙向加/減計數(shù)模式，使能選定的定時器
   (3)配置CAPCON，以使能QEP 電路。

  控制算法
  PID 控制僅有3 個參數(shù)。但是常規(guī)的PID控制器對電機控制時，電機運動時會出現(xiàn)與命令速度成正比的跟隨誤差。即命令速度越高，跟隨誤差越大。為了減小電機運動的跟隨誤差，在常規(guī)的PID控制器里面加上速度前饋來閉合控制回路，以減小跟隨誤差。帶速度前饋的PID算法，比較常規(guī)的PID算法僅僅多了一個速度前饋參數(shù)K。但是實際應(yīng)用中，由于多了速度前饋這個環(huán)節(jié)，跟隨誤差比沒有速度前饋時減小了80％之多。