可以替代MCX312/314/314as的高性价比运动控制FPGA/芯片

Bob Yu (深圳市斯迈迪科技发展有限公司---"运动控制之芯”: 运动控制核心技术产品的提供者,国内首家研发出高性能运动控制芯片级产品。http://www.smarteer.com 欢迎联系进行技术交流。可以定制核心控制部件，OEM/ODM运动控制卡、控制平台方案)
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　　　　高性能运动控制FPGA/芯片SM5000系列 简介
　　　　
　　　　
　　　　 SM5000是由深圳市斯迈迪科技发展有限公司自主研发的，具有高性价比的，可以独立控制2到6个伺服或步进马达的运动控制芯片系列。它以脉冲串形式输出，能对伺服和步进马达进行位置控制、插补驱动、速度控制等，以下是它的简介。它是以MCX314/AS技术指标为基础，参考了其它系列芯片的特点研发而出的。它在功能和性能上可以全面替代NOVA的MCX3xx/A(比如MCX314/AS)、NPM的PCL6045/6025等同类芯片。是一种SOPC方案。 它既和MCX314功能兼容（包括寄存器/IO定义）又改进了MCX314的缺点，同时增加了多数据段预存（16段）、4轴直线/位插补等功能，且成熟、可靠。 欢迎索取免费资料！
　　　　
　　　　
　　　　1 规格
　　　　1.1 系列
　　　　1.1.1 控制轴数: 2-6轴
　　　　1.1.2 包含六个规格FPGA芯片: SM5002, SM5004, SM5005, SM5006
　　　　 (每款芯片联合一个配套芯片形成一个完整方案)
　　　　1.1.3 专用配套芯片： SMC5-X；X为轴数
　　　　1.1.4 适合马达: 步进,伺服
　　　　
　　　　1.2 各轴规格（每个轴相同）
　　　　1.2.1 驱动输出脉冲(当CLK=20MHz时； 标准为16MHz)
　　　　 输出速度范围： 1 PPS 至 5 MPPS
　　　　 输出速度精密度： ±0.1%以下对设定数值
　　　　 速度倍率： 1 至 500
　　　　 S 曲线用Jerk： 954 至 62.5 x 106 [是10的6次方，以下相同]PPS/SEC2 (倍率=1 的时候)
　　　　(加/减速度的增/减率) 477 x 103 至 31.25 x 109 PPS/SEC2 (倍率=500 的时候)
　　　　 加/减速度： 125 至 1 x 106 PPS/SEC (倍率=1 的时候)
　　　　62.5 x 103 至 500 x 106 PPS/SEC (倍率=500 的时候)
　　　　 初始速度： 1 至 8,000PPS (倍率=1 的时候)
　　　　500PPS 至 5 x 106 PPS (倍率=500 的时候)
　　　　 驱动速度： 1 至 8,000PPS (倍率=1 的时候)
　　　　500PPS 至 5 x 106 PPS (倍率=500 的时候)
　　　　 输出脉冲数： 0 至 4,294,967,296（定量驱动）
　　　　 速度曲线： 定速/直线加减速/抛物线S 曲线加减速驱动
　　　　 定量驱动的减速模式：自动减速/手动减速
　　　　 在驱动中可以自由变更定量输出脉冲数和驱动速度
　　　　 可以选择独立2 脉冲输出方式（正脉冲/负脉冲），或1脉冲输出方式（脉冲/方向）
　　　　 可以选择输出脉冲的逻辑电平
　　　　1.2.2 编码器输入脉冲
　　　　 可以选择2 相脉冲输入/上下脉冲输入
　　　　 对 2 相脉冲输入方式可以选择做 1 / 2 / 4 分频
　　　　1.2.3 位置计数器
　　　　 逻辑位置计数器（输出脉冲用）计数范围-2,147,483,648 至 +2,147,483,647
　　　　 实位计数器（输入脉冲用）计数范围-2,147,483,648 至 +2,147,483,647
　　　　 可以随时写入、读出
　　　　1.2.4 比较寄存器
　　　　 COMP+寄存器位置比较范围-2,147,483,648 至 +2,147,483,647
　　　　 COMP-寄存器位置比较范围-2,147,483,648 至 +2,147,483,647
　　　　 和逻辑位置计数器/实位计数器的大小进行比较，其大小状态可以输出，或做为软件限制的启动条件
　　　　1.2.5 中断功能
　　　　 中断发生因素:
　　　　 输出一个驱动脉冲时
　　　　 加减速运转中之定速开始时
　　　　 加减速运转中之定速结束时
　　　　 驱动结束时
　　　　 位置计数器 >= COMP - 变化时
　　　　 位置计数器＜COMP - 变化时
　　　　 位置计数器＜COMP + 变化时
　　　　 位置计数器 >= COMP + 变化时
　　　　 可以对任何因素选择有效/无效
　　　　1.2.6 根据外部信号的驱动操作
　　　　 根据EXPP、EXPM信号可，以运行+/-方向的定量/连续驱动
　　　　1.2.7 外部减速停止/立即停止信号
　　　　 每一个轴4个,IN0 ~ IN3
　　　　 任何信号都可以选择有效/无效，逻辑电平。也可以做为通用输入使用。
　　　　1.2.8 伺服马达用输入信号
　　　　 ALARM（警报）INPOS（ 定位完毕）
　　　　 任何信号都可以选择有效/无效，逻辑电平。
　　　　1.2.9 通用输出/入信号
　　　　 OUT0 ~ OUT7 每一个轴8个(和驱动状态输出信号共用端子)
　　　　 对于精简通用I/O组的封装，只提供部分轴的OUT0 ~ OUT7
　　　　1.2.10 驱动状态信号输出
　　　　 DRIVE（驱动脉冲输出中）ASND （加速中）DSND （减速中）CMPP （位置>=COMP+ ）CMPM（位置<=COMP-）
　　　　 驱动状态也可以在状态寄存器读出
　　　　1.2.11 超越限制信号输入
　　　　 +方向，-方向各一个
　　　　 可选逻辑电平，激活时可选择立即停止/减速停止。
　　　　1.2.12 紧急停止信号输入
　　　　 全部轴共用 1 个EMGN。 该信号在Low电平时立即停止全部轴的驱动脉冲。
　　　　
　　　　1.3 插补功能
　　　　1.3.1 2轴/3轴/4轴直线插补
　　　　 插补范围各个轴： -2,147,483,648 至 +2,147,483,648
　　　　 插补速度： 1 PPS 至 5 MPPS
　　　　 插补位置精密度： ±0.5 LSB 以下(在全插补范围内)
　　　　1.3.2 圆弧插补
　　　　 插补范围各个轴： -2,147,483,648 至 +2,147,483,648
　　　　 插补速度： 1 PPS 至 5 MPPS
　　　　 插补位置精密度： ±0.5 LSB 以下(在全插补范围内)
　　　　1.3.3 2轴/3轴/4轴位模式插补
　　　　 插补速度： 1 PPS 至 5 MPPS
　　　　1.3.4 其他插补功能
　　　　 固定线速度
　　　　 连续插补
　　　　 步进插补(命令/外部信号)
　　　　 可任选多轴中的2～3轴进行差补
　　　　
　　　　1.4 封装：
　　　　1.4.1 SM5000系列FPGA芯片
　　　　 144个脚TQFP：总外形尺寸22.0 x 22.0 mm
　　　　 240个脚PQFP：外形尺寸34.35 x 34.35 mm
　　　　1.4.2 SMC5-X专用配套芯片:
　　　　 44个脚PQFP: 外形尺寸13 x 13 mm
　　　　
　　　　1.5 电气特性
　　　　1.5.1 工作温度范围: 0 至 +70 oC
　　　　1.5.2 内核电源： 电压+1.5V ±10%, 消耗电流180mA-500mA max
　　　　1.5.3 管脚电源： 电压+3.3V ±10%
　　　　1.5.4 配套芯片SMC5-X： 内核/管脚电源皆为3.3V ±10%
　　　　1.5.5 输出/入信号电平: CMOS TTL可以连接
　　　　1.5.6 输入时钟: 16MHz（标准）；20MHz（最大）
　　　　
　　　　
　　　　2 概要
　　　　2.1 硬件可重构性SOC方案（SOPC）
　　　　 SM5000为SOPC[系统在可编程器件上]器件/方案，它较同类芯片具有更好的灵活性，同时又比 "CPU＋DSP＋FPGA" 相互组合的方案可靠性高、集成度高。配套芯片SMC5-X拥有双重功能：部分独立配套电路；为了实现可编程特性。
　　　　2.2 独立2-6轴驱动
　　　　 一个芯片SM500x（配合上SMC5-X）形成独立控制x轴的套片方案。每个轴都可以进行定速驱动直线加/减速驱动S 曲线加/减速驱动等。各轴的性能相同。
　　　　2.3 速度控制
　　　　 输出的驱动速度范围是从1PPS到5MPPS。 可以运行固定速度驱动，直线加/减速驱动，S 曲线加/减速驱动。加/减速驱动可以使用自动和手动2种操作方法。脉冲输出的频率精确度在±0.1%内 (在CLK=16MHZ时) 驱动脉冲输出的速度可以在驱动中自由变更。
　　　　2.4 S-曲线加/减速驱动
　　　　 每个轴可以用S-曲线进行加/减速设定，使用S-曲线命令还可以对抛物线加/减速驱动输出脉冲进行设定。此外对于定量驱动，我们使用独特的方法避免在S-曲线加/减速中发生三角波形。
　　　　2.5 2轴/3轴/4轴直线插补
　　　　 可以选择多轴中（SM5002不能独立完成3/4轴插补）的任何2个, 3个或4个轴进行2 轴/3轴/4轴的直线插补驱动。插补坐标范围是从当前位置到-2,147,483,648至+2,147,483,648之间。在整个指定的直线插补范围内，插补精度是±0.5LSB， 插补速度范围是从1PPS 至5MPPS。
　　　　2.6 圆弧插补
　　　　 可以选择多轴中的任何2 个轴进行圆弧插补驱动插补坐标范围是从当前位置到-2,147,483,648 至 +2,147,483,648之间。在整个指定的圆弧曲线插补范围内，插补精度是±0.5LSB 插补速度范围是从1PPS至5MPPS。
　　　　2.7 2轴/3轴/4轴位模式插补
　　　　 收到在高位CPU上计算的位模式插补数据后，可以用指定的驱动速度连续输出插补脉冲，用这种方式可以产生任何插补曲线。
　　　　2.8 连续插补
　　　　 直线插补->圆弧插补->直线插补...这样可以不停地运行每个插补节点的插补驱动，连续插补的最大驱动速度是5MPPS。
　　　　2.9 固定线速度控制
　　　　 这是一种在插补驱动中保持插补轴合成速度恒定的功能。2轴同时输出脉冲时，需要把第2 轴设定为第一轴脉冲周期的1.414倍。3轴同时输出脉冲时，需要把第3轴设定为第一轴脉冲周期的1.732倍。
　　　　2.10 位置控制
　　　　 每轴都有2个32位位置计数器，一个是在芯片内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置计算器。另一个是管理从外部编码器来的脉冲的实际位置计数器。
　　　　2.11 比较寄存器和软件限制功能
　　　　 每轴都有2个32位比较寄存器，用于与逻辑位置计数器或者实际位置计数器进行位置大小比较。在驱动时，可以从状态寄存器读出比较寄存器和逻辑/实际位置计数器之间的大小关系。大小关系有变化时可产生中断，并且可以使用这2个比较寄存器作为正负方向软限位的启动条件。
　　　　2.12 由外部信号控制驱动
　　　　 每个轴都可以用外部信号控制进行+/-方向运行的定量驱动和连续驱动。这功能使各轴在手动操作时，可以减轻高位CPU 的负担，使多轴驱动顺畅运行。
　　　　2.13 搜寻原位输入
　　　　 每轴有4个输入信号，这些信号有效时使驱动减速停止。使用这些输入信号可以完成原位靠近、高速搜寻、原位搜寻、编码器Z相搜寻等功能。
　　　　2.14 伺服马达各种信号
　　　　 SM5000系列芯片可接收来自伺服马达驱动器的信号，如2相编码器信号、在位信号、报警信号等。
　　　　2.15 中断发生功能
　　　　 可以由这些原因产生中断，如加/减速驱动的定速开始时、定速完毕时驱动完毕时、位置计数器和比较器之间的大小关系有变化时，等等。此外，连续插补、位模式插补发生下一个数据请求时也产生中断。
　　　　2.16 实时监控功能
　　　　 在驱动中，可以实时读出逻辑位置、实际位置、驱动速度、加速度、加/减速状态（加速中定速中减速中）。
　　　　2.17 8/16/32 位数据总线
　　　　 可以通过8 位/16位/32位的数据总线与高位 CPU 连接
　　　　2.18 16段连续插补数据段预存，非常有利于数控系统性能的提高
　　　　2.19 其它
　　　　 自动搜寻原位
　　　　 非对称梯形驱动的自动加减速
　　　　 同步动作
　　　　 完全S曲线加减速的非对称
　　　　 手动设定模式
　　　　 位置计算器的可变环形
　　　　 Z相输入的实位计数器的清除
　　　　 实位计数器的增减反转
　　　　 功能图
　　　　 图A 是这SM5000系列的功能方框图。它包括相同功能的X，Y，Z，U 轴控制部分和插补运算部分，插补驱动时在主轴(MA)上产生的基本脉冲振荡的时序,进行插补算术运算。也可进行定速驱动和加/减速驱动。
　　　　
　　　　
　　　　3 应用领域
　　　　 SM5000系列运动控制FPGA芯片可应用于各行业的加工/生产的数控设备中（参考下列），它主要可以完成此类设备中控制处理电路的核心硬件功能。
　　　　塑胶机械 五金加工 轻纺机械
　　　　电机设备 电子机械 模具机床
　　　　石材加工 板金设备 焊接设备
　　　　制刷机械 涂装设备 制锁设备
　　　　包装机械 搬运机械 医疗仪器
　　　　光学仪器 分析仪器 激光雕刻
　　　　木工机械 印刷机械 广告机械
　　　　陶瓷机械 机器人