《电子设计自动化（EDA）技术》课件_第7章.pptx

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

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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。

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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。

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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(7-1)确定：

(7-1)

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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)

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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。

(7-3)

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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???动控制电路可采用图7.2所示的逻辑功能结构。

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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。

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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。

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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。

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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。

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例7-1-1单轴交流伺服控制器件顶层实体MtDrv的VHDL描述：

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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100MHz基准时钟CLK进行10分频，产生10MHz的控制时钟Ck10M用于采样周期、驱动脉冲等的实现。

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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0.01mm，即1mm?=?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S