CN209170256U - 一种基于dsp和fpga的多轴步进电机驱动控制板卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，属于步进电机伺服系统运动控制技术领域，解决了现有控制板卡接口不足、并行能力弱、可扩展性差，集成度不高的问题。包括：电源模块，将外部直流电源电压转化为DSP模块、FPGA模块和接口电路模块的工作电压；DSP模块与FPGA模块通过总线相连；FPGA模块与步进电机驱模块、接口电路模块相连；接口电路模块，连接外部信号；步进电机驱动模块与外部直流电源相连、步进电机相连。该板卡结合DSP和FPGA各自的优点，并将步进电机的驱动芯片集成到一块驱动控制板卡上，既保证了硬件系统对于外部接口的广泛适应能力，硬件系统上进行软件编程相对简单，同时驱动控制一体的设计，硬件体积小，重量轻，成本低。

Description

一种基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡

技术领域

本实用新型涉及步进电机伺服系统运动控制技术领域，尤其涉及一种基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡。

背景技术

在不失步的情况下，步进电机的转速和位置只取决于给定脉冲的频率和个数，步距角与脉冲数成线性关系，控制相对简单，使得步进电机组成的伺服系统的到广泛的应用。随着现在工业和军事的发展以及电子电力器件的进步，对由步进电机组成的伺服控制系统的要求也越来越高，因此由步进电机组成的伺服控制系统也越来越复杂，系统中步进电机的的数量也可能存在多个。

目前，在多轴步进电机伺服控制领域，目前其硬件构架主要有五类：1)MCU/DSP+单步进电机驱动器；2)MCU/DSP+三轴/六轴步进电机驱动器+单步进电机驱动器；3)FPGA+单步进电机驱动器；4)PLC+单步进电机驱动器；5)DSP与FPGA+单步进电机驱动器。

对于第一类，虽然能够同时实现简单的多轴步进电机的伺服控制，但对于复杂的伺服控制系统，如系统中需要接入惯性测量、双北斗定位定向和上位机等各种串行信号和开关信号下，硬件系统外部接口不足；对于第二类，除了存在第一类的外部接口不足问题外，还因为需要一个三轴/六轴步进电机驱动器作为中转，整个控制系统的实时性无法得到保障；对于第三类，在同时满足系统对外的接口能力和系统的解算和存储能力的情况下，对FPGA的要求较高，使得硬件系统成本升高。另外目前FPGA对电机控制领域的支持不如MCU或DSP完善，使得采用纯FPGA作为核心处理器的硬件系统的软件编程较为复杂；对于第四类，由于环境适应性问题，一般无法满足在军工和航空航天上的应用；对于第五类，DSP和FPGA的控制板卡和单步进电机驱动器，对于多步进电机伺服控制系统，系统硬件较为分散，硬件体积大，成本较高。综上所述，现有电机伺服控制方式在需要多个步进电机作为执行机构的复杂伺服运动控制系统中，已不能够满足生产和使用的要求，存在接口不足、并行能力弱、可扩展性差，集成度不够等问题。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，用以解决现有控制板卡接口不足、并行能力弱、可扩展性差，集成度不高的问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

提供了一种基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，包括FPGA模块、DSP模块、电源模块、接口电路模块和步进电机驱动模块；

电源模块将外部直流电源电压转化为所述DSP模块、FPGA模块和接口电路模块的工作电压；

DSP模块与所述FPGA模块通过总线相连；

FPGA模块与所述步进电机驱模块、接口电路模块分别相连；

接口电路模块，用于连接外部信号；

步进电机驱动模块与外部直流电源、步进电机分别相连。

本实用新型有益效果如下：本实用新型提供的基于DSP、FPGA和多个步进电机驱动芯片的驱动控制板卡，结合DSP和FPGA各自的优点，并将步进电机的驱动芯片集成到一块驱动控制板卡上，既保证了硬件系统对于外部接口的广泛适应能力，硬件系统上进行软件编程相对简单，同时驱动控制一体的设计，硬件体积小，重量轻，成本低。同时，该驱动控制板卡具有较强的适应能力，可应用于动中通天线系统，雷达天线系统等多个系统中，将在一定程度上减小其应用系统的硬件体积和重量，同时降低系统成本。

在上述方案的基础上，本实用新型还做了如下改进：

进一步，所述FPGA模块包括FPGA芯片、JTAG电路、时钟电路、复位电路、外扩Flash电路、串行配置电路；所述复位电路与所述FPGA芯片相连，用于提供上电复位和掉电复位信号；所述时钟电路与所述FPGA芯片相连，用于提供基准时钟信号；所述JTAG电路、串行配置电路分别与所述FPGA芯片相连，用于提供在线烧写程序运行和离线加载程序运行功能；所述外扩Flash电路与所述FPGA芯片相连，用于保存和加载数据。

进一步，所述DSP模块包括DSP芯片、JTAG电路、时钟电路、复位电路、外扩Flash电路；所述复位电路与所述DSP芯片相连，用于提供上电复位和掉电复位信号；所述时钟电路与所述DSP芯片相连，用于提供基准时钟信号；所述JTAG电路与所述DSP芯片相连，用于提供在线仿真以及烧写程序功能；所述外扩Flash电路与所述DSP芯片相连，用于保存和加载数据。

进一步，所述步进电机驱模块的SPI接口、STEP/DIR接口和状态指示引脚分别与FPGA芯片的IO引脚相连。

进一步，所述DSP模块与所述FPGA模块之间通过地址总线和数据总线连接。

进一步，所述DSP芯片为TMS320F28335芯片，所述TMS320F28335芯片的XWE0、XZCS6、XZCS7、XA0-XA19、XD0-XD31引脚分别与所述FPGA芯片的IO引脚相连；外扩Flash电路包括M25P16-VMN6P芯片，所述M25P16-VMN6P芯片的HOLD和W引脚与FPGA芯片的IO引脚相连。

进一步，所述FPGA芯片为EP2S15F484I4芯片；串行配置电路包括EPCS16SI8N芯片；外扩Flash电路包括M25P16-VMN6P芯片，所述M25P16-VMN6P芯片的HOLD和W引脚与DSP芯片的GPIO引脚相连。

进一步，所述电源模块包括DC/DC转换单元、可调电压转换单元；所述DC/DC转换单元包括THN 15WI系列的DC/DC转换功能模块，用于将外部直流电源电压转换为5V电压；所述可调电压转换单元包括PTH05000WAH芯片，用于将5V电压分别转化为3.3V、1.9V、1.2V电压。

进一步，所述接口电路模块包括：信号转换单元、电平转换单元；所述信号转换单元为DS26LS32CM芯片，用于差分信号到单端信号的转换；所述电平转换单元包括MAX3232、MAX3490/MAX490、MAX3485/MAX485芯片，分别用于RS232、RS422、RS485电平到LVTTL或TTL电平的转换。

进一步，所述步进电机驱动模块包括多个TMC261芯片；所述每一TMC261芯片通过滤波稳压电路与外部输入电源相连，所述TMC261芯片分别与相应的驱动电机相连。

本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实用新型中基于DSP和FPGA多轴步进电机驱动控制板结构示意图；

图2为本实用新型中基于DSP和FPGA多轴步进电机驱动控制板硬件框图；

图3为本实用新型中基于DSP和FPGA多轴步进电机驱动控制板卡中电源模块中5V转1.9V电路图；

图4为本实用新型中基于DSP和FPGA多轴步进电机驱动控制板卡中接口电路模块中RS485电平转LVTTL电平电路图；

图5为本实用新型中基于DSP和FPGA多轴步进电机驱动控制板卡中步进电机驱动模块中滤波稳压电路图。

附图标记：

1-电源模块；2-DSP模块；3-FPGA模块；4-接口电路模块；5-步进电机驱动模块。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型的一个具体实施例，公开了一种基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，如图1、图2所示，包括FPGA模块(3)、DSP模块(2)、电源模块(1)、接口电路模块(4)和步进电机驱动模块(5)；

电源模块将外部直流电源电压转化为DSP模块、FPGA模块和接口电路模块的工作电压；

DSP模块与FPGA模块通过总线相连；

FPGA模块与步进电机驱模块、接口电路模块分别相连；

接口电路模块，用于连接外部信号；

步进电机驱动模块与外部直流电源、步进电机分别相连。

与现有技术相比，本实用新型提供的基于DSP、FPGA和多个步进电机驱动芯片的驱动控制板卡，结合DSP和FPGA各自的优点，并将步进电机的驱动芯片集成到一块驱动控制板卡上，既保证了硬件系统对于外部接口的广泛适应能力，硬件系统上进行软件编程相对简单，同时驱动控制一体的设计，硬件体积小，重量轻，成本低。同时，该驱动控制板卡具有较强的适应能力，可应用于动中通天线系统，雷达天线系统等多个系统中，将在一定程度上减小其应用系统的硬件体积和重量，同时降低系统成本。

具体来说，通常情况下，系统外部输入直流电源的电压范围为19V到59V，电源模块包括DC/DC转换单元、可调电压转换单元；示例性的，DC/DC转换单元采用TRACO的THN 15WI系列的DC/DC转换模块，用于将上述外部直流电源电压转换为5V；可调电压转换单元采用TI的可调电压转换PTH05000WAH芯片，用于将5V电压分别转化为3.3V、1.9V、1.2V电压，并分别提供给FPGA模块、DSP模块、接口电路模块。其中，5V转1.9V原理图如图3所示，图3中电阻R46为输出电压调节电阻，其阻值计算公式参考PTH05000WAH芯片手册(5V转3.3V和1.2V的原理图与图3相似，不再赘述)其中，数字地与模拟地通过磁珠(优选的，JPB2012-000/4A)与信号地相连。

FPGA模块包括FPGA芯片、JTAG电路、时钟电路、复位电路、外扩Flash电路、串行配置电路；示例性的，FPGA芯片可以采用Altera的Stratix系列的EP2S15F484I4芯片(或者Cyclone系列，或者其他可实现类似功能的可编程逻辑器件)。其中，复位电路与FPGA芯片相连，用于提供上电复位和掉电复位信号；时钟电路与FPGA芯片相连，用于提供基准时钟信号；时钟电路、复位电路均有采用现有的一些典型电路，在此不再赘述。JTAG电路、串行配置电路分别与FPGA芯片相连，用于提供在线烧写程序运行和离线加载程序运行功能；串行配置电路可以选用EPCS16SI8N芯片，对应的JTAG电路采用现有的典型电路，在此不再赘述。外扩Flash电路与FPGA芯片相连，可根据需要保存程序在运行过程中的参数和数据，并在下一次上电运行时加载需要的参数和数据。示例性地，外扩Flash电路可以选用SGS-ThomsonMicroelectronic的Flash芯片M25P16-VMN6P，该M25P16-VMN6P芯片与FPGA芯片通过SPI总线相连，具体地，该Flash芯片的HOLD和W引脚与FPGA芯片的任意普通IO引脚相连；Flash芯片外围电路的具体连接关系可参考M25P16-VMN6P芯片手册。

DSP模块包括DSP芯片、JTAG电路、时钟电路、复位电路、外扩Flash电路；其中，复位电路与DSP芯片相连，提供上电复位和掉电复位信号；时钟电路与DSP芯片相连，提供基准时钟信号；JTAG电路与DSP芯片相连，用于提供在线仿真以及烧写程序功能；时钟电路、复位电路、JTAG电路均有采用现有的一些典型电路，在此不再赘述。示例性地，DSP芯片采用TI的TMS320F28335芯片，DSP模块与FPGA模块之间通过地址、数据总线和片选信号连接。具体的，通过TMS320F28335芯片的外设接口与FGPA芯片的任意普通IO引脚连接，外设接口包含20位地址总线：XA0-XA19，32位数据总线：XD0-XD31和3个片选信号：XWE0、XZCS6、XZCS7。外扩Flash电路与DSP芯片相连，可根据需要保存程序在运行过程中的参数和数据，并在下一次上电运行时加载需要的参数和数据。优选的，外扩Flash电路采用SGS-ThomsonMicroelectronic公司的Flash芯片M25P16-VMN6P，该M25P16-VMN6P芯片与DSP芯片通过SPI总线相连，Flash芯片的HOLD和W引脚与DSP芯片的GPIO引脚相连；Flash芯片外围电路的具体连接关系可参考M25P16-VMN6P芯片手册。

接口电路模块包括：信号转换单元、电平转换单元；外部信号通过接口转换电路模块分别于FGPA芯片任意普通IO引脚相连。示例性，信号转换单元采用TI的DS26LS32CM芯片，用于差分信号到单端信号的转换；电平转换单元采用Maxim的MAX系列芯片：MAX3232、MAX3490/MAX490、MAX3485/MAX485芯片(或者ADM的MAX系列芯片相对应的芯片)分别用于RS232、RS422、RS485电平到LVTTL或TTL电平的转换。其中，采用MAX3485芯片完成RS485电平转LVTTL电平的原理图如图4所示，其余电平转换原理图的可参考图4或者相应的芯片手册。另外，驱动控制板卡具体需要几片相应的转换芯片，可根据应用需求调整。需要说明的是，接口电路模块除直接接收电源模块提供的3.3V电压外，还可以包括TI的SN74ALVC1642455芯片，用于直接获取电源模块中DC/DC转换单元输出的5V电平，以及可调电压模块输出的3.3V电平，完成外部信号中5V电平与3.3V电平之间的转换。

步进电机驱动模块包括多个带SPI接口的步进电机驱动芯片，分别与相应的驱动电机相连。本实用新型选择Trinamic的步进电机驱动芯片TMC261，该芯片的工作电压可达60V，TMC261外围电路连接关系以及电阻电容大小的选择参考TMC261芯片手册。若选择其他带有SPI接口的步进电机驱动芯片，其外围电路参考所选芯片的芯片手册设计即可。同时，为了减小步进电机运行时对系统电压稳定性的影响，在外部输入电源与步进电机驱动芯片输入电压之间加入了滤波稳压电路，如图5示，包括滤波电容和稳压二极管，示例性地，输入电压为48V，故选择48V的稳压二极管和耐压分别为63V和100V的电容；本领域技术人员可以根据输入电压的大小和系统制动时的动能大小选择适当对应的稳压二极管及电容。另外，步进电机驱动模块与FPGA模块通过SPI总线、方向和脉冲信号以及状态信号引脚连接。具体地，FPGA芯片中一个SPI加多个片选信号CS与多个(几个到十几个)步进电机驱动芯片相连，具体连接多少个步进电机驱动芯片取决于根据具体应用需求与所选择的具体型号的FPGA芯片。具体地，将步进电机驱动芯片的SPI口(CS、SCK、SDI、SDO)、STEP、DIR和状态指示引脚与FPGA芯片的任意普通IO引脚相连。当多个TMC261芯片与FPGA芯片相连时，复用SPI的SCK、SDI、SDO引脚，只增加片选信号CS，例如当接入3片TMC261芯片时，FPGA芯片引脚连接为SCK、SDI、SDO、CS1、CS2、CS3。

需要说明的是，板卡上总共存在四类地：信号地、功率地、数字地、模拟地。各地线的连接关系为：步进电机驱动模块功率地与信号地直接通过两个磁珠相连，步进电机驱动模块的信号地通过两个磁珠与板卡上其余模块的信号地相连。步进电机驱动模块的电源地与板卡其余模块的地并不直接相连。系统上模拟地和数字地通过一个磁珠与系统信号地相连，最后信号地与大地相连。

需要强调的是，根据应用需求，可适当调整驱动控制板上部分芯片的使用与否以及使用数量，例如，可根据系统对存储数据大小的需求选择外扩Flash电路或者不需要外扩Flash电路；可根据需要驱动步进电机的数量决定需要使用的步进电机驱动芯片的数量；可根据外部信号的类型和数量选择是否需要相应的电平转换芯片和相应电平转换芯片的数量。

本领域技术人员可以理解，上述实施例中FPGA模块、DSP模块、电源模块、接口电路模块和步进电机驱动模块所涉及的程序/软件均为现有技术常见的方法，本实用新型不涉及任何软件方面的改进。本实用新型仅需要将各个具有相应功能的装置通过本实用新型实施例所给出的连接关系进行连接即可，其中并不涉及任何程序软件方面的改进。而至于各个相应功能的硬件装置之间的连接方式，均是本领域技术人员可以采用现有技术实现的，在此不做详细说明。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，其特征在于，包括FPGA模块、DSP模块、电源模块、接口电路模块和步进电机驱动模块；

所述电源模块将外部直流电源电压转化为所述DSP模块、FPGA模块和接口电路模块的工作电压；

所述DSP模块与所述FPGA模块通过总线相连；

所述FPGA模块与所述步进电机驱模块、接口电路模块分别相连；

所述接口电路模块，用于连接外部信号；

所述步进电机驱动模块与外部直流电源、步进电机分别相连。

2.根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，其特征在于，所述FPGA模块包括FPGA芯片、JTAG电路、时钟电路、复位电路、外扩Flash电路、串行配置电路；所述复位电路与所述FPGA芯片相连，用于提供上电复位和掉电复位信号；所述时钟电路与所述FPGA芯片相连，用于提供基准时钟信号；所述JTAG电路、串行配置电路分别与所述FPGA芯片相连，用于提供在线烧写程序运行和离线加载程序运行功能；所述外扩Flash电路与所述FPGA芯片相连，用于保存和加载数据。

3.根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，其特征在于，所述DSP模块包括DSP芯片、JTAG电路、时钟电路、复位电路、外扩Flash电路；所述复位电路与所述DSP芯片相连，用于提供上电复位和掉电复位信号；所述时钟电路与所述DSP芯片相连，用于提供基准时钟信号；所述JTAG电路与所述DSP芯片相连，用于提供在线仿真以及烧写程序功能；所述外扩Flash电路与所述DSP芯片相连，用于保存和加载数据。

4.根据权利要求2或3所述的基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，其特征在于，所述步进电机驱模块的SPI接口、STEP/DIR接口和状态指示引脚分别与FPGA芯片的IO引脚相连。

5.根据权利要求4所述的基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，其特征在于，所述DSP模块与所述FPGA模块之间通过地址总线和数据总线连接。

6.根据权利要求5所述的基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，其特征在于，所述DSP芯片为TMS320F28335芯片，所述TMS320F28335芯片的XWE0、XZCS6、XZCS7、XA0-XA19、XD0-XD31引脚分别与所述FPGA芯片的IO引脚相连；外扩Flash电路包括M25P16-VMN6P芯片，所述M25P16-VMN6P芯片的HOLD和W引脚与FPGA芯片的IO引脚相连。

7.根据权利要求6所述的基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，其特征在于，所述FPGA芯片为EP2S15F484I4芯片；串行配置电路包括EPCS16SI8N芯片；外扩Flash电路包括M25P16-VMN6P芯片，所述M25P16-VMN6P芯片的HOLD和W引脚与DSP芯片的GPIO引脚相连。

8.根据权利要求7所述的基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，其特征在于，所述电源模块包括DC/DC转换单元、可调电压转换单元；所述DC/DC转换单元包括THN15WI系列的DC/DC转换功能模块，用于将外部直流电源电压转换为5V电压；所述可调电压转换单元包括PTH05000WAH芯片，用于将5V电压分别转化为3.3V、1.9V、1.2V电压。

9.根据权利要求8所述的基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，其特征在于，所述接口电路模块包括：信号转换单元、电平转换单元；所述信号转换单元为DS26LS32CM芯片，用于差分信号到单端信号的转换；所述电平转换单元包括MAX3232、MAX3490/MAX490、MAX3485/MAX485芯片，分别用于RS232、RS422、RS485电平到LVTTL或TTL电平的转换。

10.根据权利要求9所述的基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡，其特征在于，所述步进电机驱动模块包括多个TMC261芯片；每一所述TMC261芯片通过滤波稳压电路与外部输入电源相连，所述TMC261芯片分别与相应的驱动电机相连。