电子设计自动化(EDA)技术(葛红宇)课件章 (7)
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其性能指标决定运动控制系统本身品质的好坏。相应的，交流 伺服及其驱动控制也是运动控制系统的主要控制任务之一。
第7章 工业控制专用集成电路
交流伺服电机的控制模式与方法有很多种，包括模拟电压 方式、总线方式、指令脉冲结合方向信号方式等。相对于其他 方式，指令脉冲方式具有接线、调试简单方便、易于实现等特 点，在运动控制领域的应用相对广泛。工作于指令脉冲方式时， 其与传统的步进电机控制具有一定的类似性，交流伺服电机的 驱动信号包括驱动脉冲与方向信号。其中，指令脉冲的频率决 定伺服电机的转速，脉冲频率越高，转速越快；频率越低，转 速越慢。方向信号的电平状态决定电机的旋转方向，在不同的 高低电平状态作用下，电机分别按照逆时针或顺时针方向旋转。
第7章 工业控制专用集成电路
1．顶层实体MtDrv设计 顶层实体MtDrv提供16位双向数据端口D、3位地址输入端A 与器件片选端CS。同时，器件提供数据写入端WR、读出端RD， 均为低电平有效。器件使用地址00H～05H存储运动指令参数， 分别为指令位移Dis、平均速度SpdA、初始速度SpdS、终止速 度SpdE、加速度ACC与运动模式Md。为便于仿真观测，电路中 设置了相关的专用端口xSpd、XSpdCnt与XDisCur，以观察电路 运行时的瞬时速度、瞬时速度计数值与瞬时位移的变化情况。 生成电路时，可删除该部分端口及相关赋值语句，删除后器件 逻辑与功能不受影响。
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
7.1 单轴交流伺服驱动控制 7.2 两轴联动控制电路设计 7.3 高速数据采集专用控制电路 习题与思考
第7章 工业控制专用集成电路
7.1 单轴交流伺服驱动控制
7.1.1 控制原理与功能分析 1．交流伺服驱动原理与控制方法 交流伺服电机及驱动电路是运动控制系统的主要构成单元，
第7章 工业控制专用集成电路
2．梯形加减速控制 受到电机功率、输出扭矩等条件的影响，实现伺服控制时， 还需要对电机的加加速度、加速度、速度等进行规划。运动控 制常用的速度规划方法包括S曲线加减速、梯形曲线加减速等 方法，其中梯形加减速运算简单、易于实现，在多种运动控制 系统中得到广泛应用，其加速度、速度曲线如图7.1所示。
第7章 工业控制专用集成电路 图7.3 单轴交流伺服控制器件的进程结构与启动关系
第7章 工业控制专用集成电路
7.1.2 电路的VHDL描述 结合电路的实际应用状况，在实现电路时，分别设计电路
的匀速运动、升速运动与降速运动3种工作模式，并分模式加 以实现。其中，匀速运动的参数曲线如图7.1所示；在升速运 动模式下，运动按指定初始速度开始，以指定加速度升至终止 速度，运动到指令位移结束；降速运动按指定初始速度开始， 以指定加速度降至指定的终止速度，运动到指令位移结束。
第7章 工业控制专用集成电路
在图7.1所示的加减速过程中，根据运动控制系统的速度 特征，可以将梯形加减速的运动曲线划分为加速段、匀速段与 减速段3个工作段，分别为图中的0～t0、t0～t1、t1～t2这3个 时间段。假定运动控制系统在时刻t时的即时加速度、即时速 度分别为a(t)、v(t)，则瞬时时间t时的加速度参数由公式(71)确定：
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
为便于理解与描述器件电路，在编程实现时，程序的所有 端口、变量、信号定义以及进程设计与前文的逻辑结构、进程 描述严格一致，顶层实体电路MtDrv的VHDL实现程序如下。
第7章 工业控制专用集成电路
例7-1-1 单轴交流伺服控制器件顶层实体MtDrv的VHDL描 述：
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
本例的速度、位移、加速度参数分别采用计量单位“步 /s”、“步”与“mm/s2”描述，电机步当量为0.01 mm，即1 mm = 100步。运动采样时间Δt设定为10 μs，即每过10 μs， 实体MtDrv的进程StaCon执行一次运动参数运算。为便于程序 描述，StaCon利用公式(7-3)的变体公式(7-4)计算运动速度， 式中的多项式Int(10-3Σak)为速度积分ΣakΔt的整数部分， 多项式Rm(10-3Σak)是速度积分ΣakΔt的余数部分。
(7-1)
来自百度文库
第7章 工业控制专用集成电路 图7.1 运动控制系统梯形加减速的加速度及速度曲线
第7章 工业控制专用集成电路 在图7.1所示梯形加速度控制中，瞬时时间t时的速度参数
由公式(7-2)确定：
(7-2)
第7章 工业控制专用集成电路
为便于梯形加减速的数字实现，本例中的速度计算利用递 推公式获取。假定速度、加速度的采样时间为Δt，时刻k-1的 速度、加速度采样值分别为vk-1、ak-1，则采样时刻k时的速度 vk由递推公式(7-3)确定。
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
顶层实体MtDrv的数据写进程WrProc响应写信号WR的上升 沿。片选信号CS有效时，WrProc根据地址A的取值，分别将指 令位移、平均速度、初始速度等运动参数写入相关寄存器备用。 模式控制字Md仅使用8位数据端口D的低2位，取值00H～02H分 别对应于匀速运动、升速运动与降速运动3种模式；实体中的 基准时钟进程Ck10MP对100 MHz基准时钟CLK进行10分频，产生 10 MHz的控制时钟Ck10M用于采样周期、驱动脉冲等的实现。
(7-3)
第7章 工业控制专用集成电路 3．器件实现原理与功能结构 根据前文描述的控制原理与方法，本例的单轴交流伺服驱
动控制电路可采用图7.2所示的逻辑功能结构。
图7.2 单轴交流伺服控制器件的逻辑功能结构
第7章 工业控制专用集成电路
4．器件的进程结构 参照图7.2中的伺服控制器件的逻辑功能结构，本例通过 多进程结合结构化描述实现相应的伺服驱动控制电路逻辑。结 合器件各构成单元的功能与数据处理过程描述，分别设计专用 集成电路的并行接口写进程、并行接口读进程、状态转换与控 制、基准时钟控制、驱动脉冲输出控制等进程，各进程间的输 入/输出与启动关系如图7.3所示。
第7章 工业控制专用集成电路
交流伺服电机的控制模式与方法有很多种，包括模拟电压 方式、总线方式、指令脉冲结合方向信号方式等。相对于其他 方式，指令脉冲方式具有接线、调试简单方便、易于实现等特 点，在运动控制领域的应用相对广泛。工作于指令脉冲方式时， 其与传统的步进电机控制具有一定的类似性，交流伺服电机的 驱动信号包括驱动脉冲与方向信号。其中，指令脉冲的频率决 定伺服电机的转速，脉冲频率越高，转速越快；频率越低，转 速越慢。方向信号的电平状态决定电机的旋转方向，在不同的 高低电平状态作用下，电机分别按照逆时针或顺时针方向旋转。
第7章 工业控制专用集成电路
1．顶层实体MtDrv设计 顶层实体MtDrv提供16位双向数据端口D、3位地址输入端A 与器件片选端CS。同时，器件提供数据写入端WR、读出端RD， 均为低电平有效。器件使用地址00H～05H存储运动指令参数， 分别为指令位移Dis、平均速度SpdA、初始速度SpdS、终止速 度SpdE、加速度ACC与运动模式Md。为便于仿真观测，电路中 设置了相关的专用端口xSpd、XSpdCnt与XDisCur，以观察电路 运行时的瞬时速度、瞬时速度计数值与瞬时位移的变化情况。 生成电路时，可删除该部分端口及相关赋值语句，删除后器件 逻辑与功能不受影响。
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
7.1 单轴交流伺服驱动控制 7.2 两轴联动控制电路设计 7.3 高速数据采集专用控制电路 习题与思考
第7章 工业控制专用集成电路
7.1 单轴交流伺服驱动控制
7.1.1 控制原理与功能分析 1．交流伺服驱动原理与控制方法 交流伺服电机及驱动电路是运动控制系统的主要构成单元，
第7章 工业控制专用集成电路
2．梯形加减速控制 受到电机功率、输出扭矩等条件的影响，实现伺服控制时， 还需要对电机的加加速度、加速度、速度等进行规划。运动控 制常用的速度规划方法包括S曲线加减速、梯形曲线加减速等 方法，其中梯形加减速运算简单、易于实现，在多种运动控制 系统中得到广泛应用，其加速度、速度曲线如图7.1所示。
第7章 工业控制专用集成电路 图7.3 单轴交流伺服控制器件的进程结构与启动关系
第7章 工业控制专用集成电路
7.1.2 电路的VHDL描述 结合电路的实际应用状况，在实现电路时，分别设计电路
的匀速运动、升速运动与降速运动3种工作模式，并分模式加 以实现。其中，匀速运动的参数曲线如图7.1所示；在升速运 动模式下，运动按指定初始速度开始，以指定加速度升至终止 速度，运动到指令位移结束；降速运动按指定初始速度开始， 以指定加速度降至指定的终止速度，运动到指令位移结束。
第7章 工业控制专用集成电路
在图7.1所示的加减速过程中，根据运动控制系统的速度 特征，可以将梯形加减速的运动曲线划分为加速段、匀速段与 减速段3个工作段，分别为图中的0～t0、t0～t1、t1～t2这3个 时间段。假定运动控制系统在时刻t时的即时加速度、即时速 度分别为a(t)、v(t)，则瞬时时间t时的加速度参数由公式(71)确定：
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
为便于理解与描述器件电路，在编程实现时，程序的所有 端口、变量、信号定义以及进程设计与前文的逻辑结构、进程 描述严格一致，顶层实体电路MtDrv的VHDL实现程序如下。
第7章 工业控制专用集成电路
例7-1-1 单轴交流伺服控制器件顶层实体MtDrv的VHDL描 述：
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
本例的速度、位移、加速度参数分别采用计量单位“步 /s”、“步”与“mm/s2”描述，电机步当量为0.01 mm，即1 mm = 100步。运动采样时间Δt设定为10 μs，即每过10 μs， 实体MtDrv的进程StaCon执行一次运动参数运算。为便于程序 描述，StaCon利用公式(7-3)的变体公式(7-4)计算运动速度， 式中的多项式Int(10-3Σak)为速度积分ΣakΔt的整数部分， 多项式Rm(10-3Σak)是速度积分ΣakΔt的余数部分。
(7-1)
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第7章 工业控制专用集成电路 图7.1 运动控制系统梯形加减速的加速度及速度曲线
第7章 工业控制专用集成电路 在图7.1所示梯形加速度控制中，瞬时时间t时的速度参数
由公式(7-2)确定：
(7-2)
第7章 工业控制专用集成电路
为便于梯形加减速的数字实现，本例中的速度计算利用递 推公式获取。假定速度、加速度的采样时间为Δt，时刻k-1的 速度、加速度采样值分别为vk-1、ak-1，则采样时刻k时的速度 vk由递推公式(7-3)确定。
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
第7章 工业控制专用集成电路
顶层实体MtDrv的数据写进程WrProc响应写信号WR的上升 沿。片选信号CS有效时，WrProc根据地址A的取值，分别将指 令位移、平均速度、初始速度等运动参数写入相关寄存器备用。 模式控制字Md仅使用8位数据端口D的低2位，取值00H～02H分 别对应于匀速运动、升速运动与降速运动3种模式；实体中的 基准时钟进程Ck10MP对100 MHz基准时钟CLK进行10分频，产生 10 MHz的控制时钟Ck10M用于采样周期、驱动脉冲等的实现。
(7-3)
第7章 工业控制专用集成电路 3．器件实现原理与功能结构 根据前文描述的控制原理与方法，本例的单轴交流伺服驱
动控制电路可采用图7.2所示的逻辑功能结构。
图7.2 单轴交流伺服控制器件的逻辑功能结构
第7章 工业控制专用集成电路
4．器件的进程结构 参照图7.2中的伺服控制器件的逻辑功能结构，本例通过 多进程结合结构化描述实现相应的伺服驱动控制电路逻辑。结 合器件各构成单元的功能与数据处理过程描述，分别设计专用 集成电路的并行接口写进程、并行接口读进程、状态转换与控 制、基准时钟控制、驱动脉冲输出控制等进程，各进程间的输 入/输出与启动关系如图7.3所示。