Unidade servo de alta velocidade com base em CPLD e codificador absoluto

Atualmente, os servo motores em máquinas -ferramentas domésticas CNC geralmente são equipadas com codificadores incrementais, enquanto a precisão dos codificadores incrementais não é muito alta e a saída é de sinais paralelos. Para melhorar sua precisão, é necessário aumentar o projeto do codificador. Dificuldade e aumentar a produção de sinais paralelos, o que não é propício à comunicação de longa distância entre a unidade servo e o codificador. O codificador absoluto é usado, exceto que sua precisão é várias vezes maior que a do codificador incremental. A comunicação serial de alta velocidade salva linhas de comunicação para comunicação de longa distância. Na outra extremidade do codificador, o CPLD e o codificador absoluto são usados ​​para comunicação serial de alta velocidade. O CPLD converte as informações do codificador recebido em transmissão de dados paralelos. O DSP na unidade servo executa controle aritmético. Este artigo fornecerá o design de software e hardware da comunicação serial de alta velocidade entre CPLD e Codificador Absoluto .

Design de hardware

O hardware é composto principalmente por três módulos: fonte de alimentação, CPLD e seus circuitos periféricos e circuito de interface do codificador absoluto.

Módulo de potência

O módulo de energia consiste em um circuito de fonte de alimentação de comutação e um chip de fonte de alimentação DC/DC, como mostrado na Figura 1.

A fonte de alimentação de comutação na figura converte a tensão da grade CA de 220V em +5V, +15V, -15V. A fonte de alimentação de comutação pode filtrar várias interferências na rede elétrica, e o transformador na fonte de alimentação de comutação será de 220V e a saída é + 5V, + 15V, -15V é isolada, o circuito interno também usa TL431 para ajustar o Largura do pulso de condução do tubo de comutador, portanto, a regulação anti-interferência, segurança, estabilidade e tensão da fonte de alimentação de comutação é melhor. O TPS7333 é um chip DC/DC. A tensão de +5V CC é convertida em uma tensão CC estável de +3,3V para uso pelo CPLD. O TPS7333 possui uma melhor eficiência de conversão, confiabilidade e regulação de tensão. Pode ser usado na faixa de tensão de +3,77V- +10V. A conversão +3,3V faz com que o CPLD seja queimado devido à tensão de entrada muito alta.

CPLD e seus módulos de circuito periférico

O CPLD e seus módulos de circuito periférico são compostos principalmente por CPLD, CPLD Programming Download Interface Circuit (interface JTAG), circuito de interface DSP, oscilador de cristal ativo, circuito de conversão de nível e ADM485 e seus circuitos periféricos (circuito de interface responsável pela comunicação com o codificador) . Figura 2).

Este CPLD de design usa o EPM570T144C5 da Altera, que pertence ao Max II de Altera. O Max II é menor em custo que o máximo I e consome menos energia. O dispositivo possui mais células macro e o atraso do dispositivo é controlado dentro de 6 ns. Com desempenho de alto custo, o EPM570T144C5 possui 570 macrocélulas. O número de pinos no chip é 144, dos quais 116 estão disponíveis portas de E/S, portanto os recursos desse chip são suficientes. O CPLD é principalmente responsável pela comunicação serial de alta velocidade com o codificador absoluto e é controlado pelo comando DSP para encaminhar os dados do codificador e outras informações ao DSP em paralelo.

A interface JTAG é usada principalmente para baixar o arquivo executável no CPLD, instalar o ambiente de desenvolvimento da empresa Altera - Quartus II no PC e compilar o programa VHDL escrito nesse ambiente de desenvolvimento para garantir que a compilação não seja livre de erros e a função é implementada. Conecte o cabo de download à interface JTAG e faça o download da placa CPLD através da ferramenta de download de programação fornecida pelo Quartus II.

A interface DSP consiste em 8 linhas de dados, 3 linhas de endereço e 1 linha de controle. As 8 linhas de dados são responsáveis ​​por transferir os dados do codificador e outras informações. As três linhas de endereço são responsáveis ​​por transmitir comandos DSP e decodificar no terminal CPLD. O CPLD transmite os dados do codificador ou outras informações para o DSP através de 8 linhas de dados de acordo com o comando decodificado. A linha de controle completa principalmente o controle síncrono da CPLD e do DSP.

O oscilador de cristal ativo de 20m fornece principalmente um relógio de referência para o CPLD. Sob a direção do sinal do relógio, o CPLD gera uma taxa de transmissão de 2,5 MB/s para se comunicar com o codificador e gera um relógio de 10m Hz para alguns sinais de controle lógico. Fornecer uma frequência de relógio de 20m Hz requer uma tensão de 3,3V DC da fonte de alimentação.

O circuito de mudança de nível é principalmente responsável pela conversão de 3.3V a 5V ou 5V a 3,3V, porque as portas do núcleo e E/S do CPLD requerem uma tensão de alimentação de 3,3V, necessária para ADM485 e codificadores absolutos. A tensão de alimentação e o circuito do driver de porta de E/S são 5V, por isso é necessário converter 3.3V a 5V ou 5V a 3,3V com o nível de conversão de conversão LVC4245A.

ADM485 e seus circuitos periféricos são a conexão de hardware entre a CPLD e a comunicação absoluta de alta velocidade do codificador. A tensão de trabalho do ADM485 é 5V e sua velocidade máxima de comunicação é de 5 MB/s. O uso de dois chips ADM485 para encaixar a comunicação pode melhorar a capacidade anti-interferência na linha de comunicação, e a distância de transmissão mais longa pode atingir 1,2 km. O circuito periférico é mostrado na Figura 3. A metade direita da linha pontilhada pertence ao circuito periférico do codificador absoluto. Os resistores de pull-up e pull-down são 1K ohms, o resistor limitador atual é de 220 ohms e o SDAT ADM485 é o pino de saída de dados. ADM485 é SRQ é o pino de entrada de dados, DE OF ADM485 é o pino de controle externo, este pino é controlado pela CPLD. Como o protocolo de comunicação RS-485 é meio-duplex, o ADM485 só pode estar no estado de enviar dados ou receber dados. Quando o ADM485 é de alta, o ADM485 está no estado de saída de dados (ou seja, o CPLD recebe dados). Quando o DE do ADM485 é de baixo nível, o ADM485 está no estado de entrada de dados (ou seja, o CPLD envia dados).