【正文】 AS配置（Active Serial Configuration）接口使用Altera串行配置器件來(lái)完成AS配置器件。 為JTAG配置接口電路。② JTAG配置接口JTAG（Joint Test Action Group）接口用來(lái)對(duì)目標(biāo)器件進(jìn)行測(cè)試或者編程，標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO,分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。本設(shè)計(jì)中選擇EP2C5T144C8N做為設(shè)計(jì)芯片，它屬于Cyclone II系列，具有4608個(gè)邏輯單元，119808位RAM，兩個(gè)鎖相環(huán)和144個(gè)引腳。這種工藝技術(shù)確保了快速有效性和低成本。Cyclone II器件的制造基于300mm晶圓，采用臺(tái)積電90nm、低K值電介質(zhì)工藝，這種可靠工藝也曾被用于Altera的Stratix174。Cyclone II 系列提供了與其上一代產(chǎn)品相同的優(yōu)勢(shì)——一套用戶定義的功能、業(yè)界領(lǐng)先的性能、低功耗但具有更多的密度和功能，極大地降低了成本。Altera于2002年推出的Cyclone器件系列改變了整個(gè)FPGA行業(yè)，帶給市場(chǎng)第一以最低成本為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的FPGA系列產(chǎn)品。這些可編輯元件可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些基本的邏輯門(mén)電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。與其它公司產(chǎn)品相比，Altera 公司的產(chǎn)品性價(jià)比高，開(kāi)發(fā)工具更容易獲得。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。而在這些芯片中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA（Field－Programmable Gate Array）以其保密性好、體積小、重量輕、可靠性高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，成為人們?cè)O(shè)計(jì)嵌入式電路的首選。當(dāng)；當(dāng)，當(dāng)；當(dāng)輸入為開(kāi)路時(shí)，輸出為高電平。AM26LV32是一種低電壓高速四路差動(dòng)線路接收器，該芯片具有高輸入阻抗和輸出滯后性，能夠提高電路的抗干擾能力，滿足設(shè)計(jì)要求[17]。該模塊主要是將編碼器輸入的差分信號(hào)由差分信號(hào)接收芯片轉(zhuǎn)換為非差分信號(hào)，然后輸入FPGA進(jìn)行處理。 硬件總體結(jié)構(gòu)硬件主要包括以下模塊：編碼器接口模塊、FPGA芯片模塊、電源模塊、編碼器上電控制模塊、輸出接口模塊。它還具有更好的信號(hào)質(zhì)量和更好的實(shí)用性[10]。由于采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，它只需要四條信號(hào)線，、四條信號(hào)線[10]。 海德漢公司的EnDat數(shù)據(jù)接口示意圖海德漢公司的EnDat數(shù)據(jù)通信協(xié)議是一種全雙工的同步串行通信協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)上位控制機(jī)對(duì)不同編碼器的兼容，本設(shè)計(jì)使用FPGA將增量式編碼器輸出的增量信息處理后。高檔數(shù)控機(jī)床要求位置檢測(cè)裝置具有很高的檢測(cè)精度和分辨率，并實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式位置檢測(cè)。串行傳輸又分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信，以及同步串行通信和異步串行通信。采用串行傳輸時(shí)，所有的數(shù)據(jù)信息通過(guò)編碼方式、利用一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。信號(hào)采用并行傳輸方式時(shí)，每位數(shù)據(jù)需要一根數(shù)據(jù)線。鑒幅細(xì)分又分為矢量運(yùn)算細(xì)分、倍頻關(guān)系細(xì)分、串聯(lián)移相電阻鏈細(xì)分和幅度分割細(xì)分等。其中電子學(xué)細(xì)分方法具有讀數(shù)快，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理過(guò)程的自動(dòng)化，并能用于動(dòng)態(tài)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。因此，必須采用莫爾條紋細(xì)分技術(shù)來(lái)提高光柵系統(tǒng)的精度和分辨率[9]。主要的原因有：第一，受到加工工藝的限制，光柵柵距不可能無(wú)限制的縮小。目前國(guó)內(nèi)所用的光柵的角節(jié)距大多在20″以上，而測(cè)角系統(tǒng)的分辨率往往要求達(dá)到0．1″甚至0．O1″。本設(shè)計(jì)使用的是華大新型電機(jī)科技公司的80STM01330LF1B伺服電機(jī)中的省線式編碼器。所以，所謂省線式編碼器就是在上電時(shí)輸出U、V、W信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間再切換輸出A、B、Z信號(hào)（信號(hào)線復(fù)合使用）。一般伺服電機(jī)的增量式編碼器共有六路信號(hào)線（U、V、W、A、B、Z），U、V、W是互差120度的電機(jī)換相信號(hào)，它們各自的每轉(zhuǎn)周期數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)一致。它的特點(diǎn)是：可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；沒(méi)有累積誤差；電源切除后位置信息不會(huì)丟失；編碼器的精度取決于位數(shù)；但是絕對(duì)式光電編碼器體積、重量都較大，并且造價(jià)昂貴。 絕對(duì)式光電編碼器是利用自然二進(jìn)制、循環(huán)二進(jìn)制（格雷碼）、二十進(jìn)制等方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。 絕對(duì)式光電編碼器組成與增量式光電編碼器不同的是，絕對(duì)式光電編碼器用不同的數(shù)碼來(lái)分別指示每個(gè)不同的增量位置，它是一種直接輸出數(shù)字量的傳感器。其缺點(diǎn)是它無(wú)法直接讀出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對(duì)位置信息[8]。標(biāo)志脈沖通常用來(lái)指示機(jī)械位置或?qū)Ψe累量清零。電度角的脈沖信號(hào)（即所謂的兩組正交輸出信號(hào)），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號(hào)，其作用是提供一種對(duì)連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置增量，不能夠直接檢測(cè)出軸的絕對(duì)位置信息。 所示。當(dāng)碼盤(pán)隨著被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，光線透過(guò)碼盤(pán)和檢測(cè)光柵上的透過(guò)縫隙照射到光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)器件就輸出兩組相位相差90176。碼盤(pán)上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期；檢測(cè)光柵上刻有A、B 兩組與碼盤(pán)相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過(guò)或阻擋光源和光電檢測(cè)器件之間的光線。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實(shí)現(xiàn)小型化，傳感長(zhǎng)度較長(zhǎng)，具有較長(zhǎng)的環(huán)境適用能力，因而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，在本文中主要針對(duì)旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。由于直線式運(yùn)動(dòng)可以借助機(jī)械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)，反之亦然。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對(duì)式以及復(fù)合式三大類。光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器, 主要用于速度或位置（角度）的檢測(cè)。和光電編碼器相比磁性編碼器的突出優(yōu)點(diǎn)是：適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、不怕灰塵、油污和水霧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，響應(yīng)速度快，壽命長(zhǎng)；不足之處是很難做出高分辨率的產(chǎn)品。光電編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，直接輸出數(shù)字式電脈沖信號(hào)。 光電編碼器目前常用位置傳感器主要有旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器、光電編碼器、磁性編碼器等元件。 位置檢測(cè)裝置的分類[6]類型數(shù)字式模擬式增量式絕對(duì)式增量式絕對(duì)式回轉(zhuǎn)型增量式脈沖編碼器圓光柵絕對(duì)式脈沖編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器圓感應(yīng)同步器圓磁尺多極旋轉(zhuǎn)變壓器三速圓感應(yīng)同步器直線型計(jì)量光柵激光干涉儀多通道透射光柵直線感應(yīng)編碼器光柵尺三速直線感應(yīng)同步器絕對(duì)式磁柵尺，按檢測(cè)信號(hào)的類型可分為數(shù)字式和模擬式兩種；按檢測(cè)量的基準(zhǔn)可分為增量式和絕對(duì)式兩種；按測(cè)量值的性質(zhì)可分為直接測(cè)量式和間接測(cè)量式。閉環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制精度依賴于位置檢測(cè)裝置。第五章對(duì)省線式編碼器串行總線接口裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和驗(yàn)證，給出了相關(guān)的測(cè)試結(jié)果。第三章介紹了省線式編碼器串行總線接口裝置的硬件設(shè)計(jì)，介紹了該裝置設(shè)計(jì)的主要思路和硬件總體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)論述了幾個(gè)主要模塊的原理。第二章論述了詳細(xì)介紹了光電編碼器原理以及省線式編碼器的特點(diǎn)和作用。[5][6] 本論文主要內(nèi)容本論文圍繞了全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，在吸收和借鑒國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，深入研究省線式編碼器接口技術(shù)，結(jié)合Altera FPGA芯片，設(shè)計(jì)了省式編碼器串行總線接口系統(tǒng)的硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)編碼器的通斷電控制和對(duì)電機(jī)初始角度信息和電機(jī)增量位置信息的正確讀取。全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以采用以下新技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，達(dá)到同時(shí)滿足高速度和高精度的要求。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的三環(huán)控制在內(nèi)部高速DSP的控制下，能充分實(shí)現(xiàn)伺服環(huán)路高響應(yīng)、高性能、高可靠性和高速實(shí)時(shí)控制的要求。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所有的控制運(yùn)算都是有內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）完成的。隨著數(shù)字信號(hào)微處理器速度的大幅度提高，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信息處理課完全用軟件來(lái)完成，這就是當(dāng)前所說(shuō)的“數(shù)字伺服”?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直線伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)告訴電主軸等將成為數(shù)控機(jī)床行業(yè)的熱點(diǎn)，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。常采用是霍爾電流傳感器，其利用霍爾效應(yīng)制成檢查電流裝置，能夠測(cè)量各種波形的交直流電流，且輸出電位是與系統(tǒng)相隔離。系統(tǒng)的信號(hào)處理部分一般都是低壓電路，所以要求電流傳感器具有很強(qiáng)的隔離性。目前常用位置傳感器主要有旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器、光電編碼器、磁性編碼器等元件。IPM以其高可靠性，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服驅(qū)動(dòng)，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。而且還內(nèi)藏有過(guò)電壓，過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到CPU?？刂茊卧饕蓴?shù)字信號(hào)處理器（DSP）和大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）組成。 交流伺服系統(tǒng)組成：除交流伺服電機(jī)外，系統(tǒng)主要由編碼器、電流反饋單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、位置速度轉(zhuǎn)矩電流控制單元組成?？梢?jiàn)提供伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對(duì)數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開(kāi)發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一，是提供數(shù)控機(jī)床的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要途徑。而數(shù)控機(jī)床的最高運(yùn)動(dòng)速度、跟蹤及定位精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)率及工作可靠性等技術(shù)指標(biāo)，往往又主要取決于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)就是按照控制命令的要求，對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換、調(diào)控和功率放大等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置的輸出的力矩、速度及位置都能得到靈活控制。 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介“伺服（servo）” 一詞源于希臘語(yǔ)“奴隸（slave）” [3]。采用硬件模塊化技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化。④數(shù)控系統(tǒng)的集成化和模塊化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐芳皩Ｓ眉呻娐稟SIC，可提高數(shù)控裝置的集成度和軟硬件運(yùn)行速度。智能化數(shù)控系統(tǒng)研究的目的是使數(shù)控系統(tǒng)能充分感知機(jī)床所處的工作環(huán)境并作出符合工況的優(yōu)化決策，使機(jī)床在智能控制器的指揮下，即使環(huán)境不可預(yù)知，甚至信息不完整、不確切仍能正常工作。③數(shù)控系統(tǒng)的智能化智能化是制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大方向。網(wǎng)絡(luò)數(shù)控作為全球制造的基礎(chǔ)，已從通信向生產(chǎn)管理轉(zhuǎn)移，注重和企業(yè)資源計(jì)劃、物料需求計(jì)劃等管理系統(tǒng)的集成。外部網(wǎng)絡(luò)化是數(shù)控系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)或外部上位計(jì)算機(jī)以網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)化包括兩個(gè)方面：內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)化（現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)）和外部網(wǎng)絡(luò)化。②數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化主要是指數(shù)控系統(tǒng)與外部的其他控制系統(tǒng)或上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。由此，對(duì)適合中小批量加工、具有良好柔性和多功能型制造系統(tǒng)的需求逐步超過(guò)了對(duì)大型單一功能的制造系統(tǒng)的需求，正是這一變化促使人們展開(kāi)了對(duì)模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充、可升級(jí)的新一代數(shù)控系統(tǒng)的研究。數(shù)控系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)發(fā)展方向：①開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的提出是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的靈魂。能靈敏、準(zhǔn)確地跟蹤C(jī)NC裝置的位置和速度指令是它們的共同特征。主軸伺服系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)零件加工的切削運(yùn)動(dòng)，其控制量為速度。其主要作用是根據(jù)輸入的零件加工程序或操作者命令進(jìn)行相應(yīng)的處理（如運(yùn)動(dòng)控制處理、機(jī)床輸入/輸出等），然后輸出控制命令道相應(yīng)的執(zhí)行部件（如伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和可編程控制器PLC等），完成零件的加工程序或操作者命令所要求的工作。輸入/輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行信息交互的裝置，它們的作用是講編制好的零件加工程序輸入數(shù)控系統(tǒng)。一方面，操作人員可以通過(guò)它對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行操作、編程、調(diào)試或?qū)C(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改；另一方面，操作人員也可以通過(guò)它了解或查詢數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的指揮中心，它主要由操作面板、輸入/輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置、PLC和機(jī)床I/O電路等部分組成[2]。在數(shù)控機(jī)床上加工一個(gè)零件的過(guò)程如下:首先編程人員按照零件的幾何形狀和工藝要求將加工過(guò)程編成零件加工程序?？刂葡到y(tǒng)按加工工件程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)出控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將控制指令放大，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械按要求運(yùn)動(dòng)；測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)位置或速度，并反饋到控制系統(tǒng)，來(lái)修正控制指令。通過(guò)利用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來(lái)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和開(kāi)關(guān)量。數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)本身的產(chǎn)值遠(yuǎn)不如汽車、航空、航天等產(chǎn)業(yè)，但高效能的數(shù)控機(jī)床給制造業(yè)帶來(lái)了高倍率的效益增長(zhǎng)和現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式，是促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大原動(dòng)力。 數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 自1952年第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問(wèn)世到如今六十年的歷史中，以電子信