基于PCIE總線3D打印機運動控制系統設計

殷立志，徐世東

（1.渤海大學，錦州121000；2.哈爾濱工業大學）

引 言

目前3D打印機在工業、民用領域得到廣泛應用[1]，隨著3D打印技術的革新，3D打印不僅在傳統的制造行業體現出非凡的發展潛力，而且其魅力延伸至食品制造、服裝奢侈品、影視傳媒以及教育等多個與人們生活息息相關的領域。經過對比各種芯片性能，選用PEX8311與X7043協同工作，PEX8311芯片[3]對PCIE總線信號進行譯碼，生成16路總線數據和地址信號，這些控制信號可用于X7043運控控制芯片，保證同時對最多4臺伺服電機進行實時同步的控制。實驗過程中發現即使3D打印機與主控機相距3 m，誤碼率仍在萬分之一以下，對3D打印機的運動控制性能有明顯提升。

1 總體設計

該套方案的系統結構圖如圖1所示，在整個設計中，用戶控制主機，向下發送指令，指令信息最先到達PCIE板卡，指令經過處理（如打包）按照PCIE總線協議發送到信號加強轉接板，該板需插入機箱內部插槽（金手指），經過信號加強芯片，對PCIE總線信號加強，PI3EQX5801芯片對信號重驅動后，信號能傳輸的有效距離將大大增加。

圖1 系統結構圖

總線信號中的讀/寫信息都是以高頻差分對的形式傳輸，對特征阻抗的要求非常高，按照PCI2.0總線協議，差分對在PCB走線時不能超過15 cm，只有進行重驅動，才能使PCIE總線信號到達打印機的運動控制模塊，否則在線路傳輸中信號將被干擾而失真，不能實現主機對3D打印機運動控制系統的實時操作。

運動控制系統硬件主要由上位機、工控機、PI3EQX5801重驅動電路、PEX8311解析電路、X7043控制電路和3臺伺服電機驅動系統組成，圖2所示即為整個系統結構。上位機為用戶提供操作界面，工控機則用來發送上位機下達的指令給下位機，PCIE總線信息首先經過PI3EQX5801進行重驅動處理，以使信號在進行遠距離傳輸后不失真。在多軸運控控制電路板上裝有PEX8311、X7043和CPLD芯片，PEX8311對傳輸過來的總線進行信號解析，產生能被X7043使用的數據總線、地址總線和控制總線信號，CPLD用于采集編碼信號和來自伺服電機驅動器的信號，進而準確控制電機運行狀態。著重介紹具有創新意義的PI3EQX5801的使用。

圖2 系統硬件結構圖

2 PI3EQX5801的電路設計

PI3EQX5801特性：兼容PCIe 2.0協議，可調節量化接收器，兩路5.0 Gbps差分信號對，100Ω匹配電阻差分輸入端，為引腳加強的配置輸出且能控制擺幅輸出，單通道的輸入信號檢測和去噪，自動接收檢測，低電壓工作為-330 mW（3.3 V）/-150 mW（1.5 V），采用 TQFN（4×4 mm）20引腳封裝。

這款低功耗、高性能的信號驅動器是為PCIE 2.0協議特別研制的，芯片提供可編程量化器，去加重，具有輸出幅度控制功能，通過抑制系統內多樣的物理媒介產生的干擾來優化芯片的性能。芯片支持兩路100Ω特征阻抗的差分信號輸入/輸出，使用戶平臺上的ASIC協議信號在經過轉換機構、導線或遠程數據線路后仍有效。

當通道使能時，EN＃＝0，開始操作，通道的輸入信號極性決定輸出極性，而不管輸出是否激活。當輸入通道的信號下降到閾值（Vth-）以下時，輸出也被驅動到相同的電壓。另外在有信號條件下，當EN＃＝1時，芯片會進入低功耗的待機模式。PI3EQX5801還包含一個完全可編程的I2C總線接口。當I2C總線控制模式使能時，I2C＿EN＝1，量化、輸出擺動和去加重功能的設置可以通過編輯相應的寄存器得到調整。

特別注意的是該芯片的輸出振幅設置，當信號頻率為2.5 GHz時，電阻的選型可根據表1進行選擇，在默認情況下輸出的振幅為被加強。

數據發送周期以主控制器產生的一位開始位開始，芯片在識別這個開始位后，將監督下一位信息，看該數據是否與它的地址匹配。當發現匹配后，在接下來的時鐘信號里，它將回應一個讀或寫的數據。每字節后都必須跟著一位應答位，除非最后的一個字節以一位停止位結束。在一個發送周期中，跟著地址字節的第一個數據字節是偽字節或填充字節，并不被PI3EQX5801使用。這個字節是為了兼容使用10位地址的系統而產生的。數據傳輸中最先傳輸最重要的數據。

表1 輸出振幅設置

重驅動的電路設計參考了百利通公司給出的標準圖，為了讓電路具有對其他設備的適用性，保留了官方配置時需要的各個電阻，在做PCB板時加入了撥碼開關，可以根據不同需要進行模式選擇。

3 PEX8311設計

PEX8311起到橋梁作用，它將PCIE總線變成一般的局部總線信號。芯片支持3種不同的總線協議或模式。由于該芯片引腳足夠滿足本控制系統的設計要求，所以該系統中使用C（非復用）模式，總共96個引腳。作為Local總線的主控方，PEX8311提供了一個32位的地址用于數據傳輸，8位數據傳輸時，LAD[31：0]提供字節地址；16位數據傳輸時，LAD[31：1]提供字地址，LAD[0]為0；32位數據傳輸時，LAD[31：2]提供雙字地址，LAD[1：0]為00。作為Local總線的從控方，主控方以32位地址訪問PEX8311，LAD[1：0]忽略，在 ADS＃有效期間、LCLK上升沿到達時或者ALE有效時，輸入的地址被鎖存入PEX8311中。

在一個數據周期中，作為Local總線的主控方，PEX8311通過總線數據寬度訪問方式可以提供8/16/32位數據傳輸通道；作為Local總線的從控方，32位的數據總線被用來讀取/寫入PEX8311。

PEX8311上電后接收PCIE協議信息完成自身的初始化，對局部總線進行讀寫操作。初始化過程代碼如下：

4 X7043電路設計

X7043作為大規模集成電路，能產生控制伺服電機和步進電機速度和位置的脈沖序列，最多能控制4個軸。芯片單元包含一個S形或線性的加速/減速脈沖發生器、一個線性插值除法器、一個基于形或三角形驅動的減速點自動計算器、多個編碼器和計數器的輸入腳（可用作當前位置計數器或偏差計數器），一個回原點的傳感器接口、一個限位傳感器接口、一個伺服驅動接口、一個8位多用途的輸入口和一個8位多用途的輸出口。輸入為PEX8311解碼后的數據信號，包括16位地址和8位數據，由于X7043只有8位輸入，所以我們只用到了16位地址線中的8位。

X7043擁有多種指令形式，分別對應多種功能，發送命令代碼時，代碼先進入命令寄存器中。該系統最常用的命令代碼有00h、01h、指數驅動，這樣的驅動形式伴隨加速和減速過程，電機會先加速到最高速度，在最高速運行一定時間后進入減速狀態，到達目標位置時剛好停止。電機轉速狀態如圖3所示。

圖3 電機轉速狀態圖

X7043使用前需先下載應用文件，對需要的功能進行配置，具體配置方法參考官方的使用手冊。

梯形正弦加速度設置公式：

Tsg＝f×K×R5/131 072

梯形正弦減速度設置公式：

Tsg＝f×K×R6/131 072。

其中，K代表速度分辨率，K＝f/65536×R0；f為參考時鐘頻率；R0頻率系數寄存器值；R5為加速度設置寄存器值；R6是減速度設置寄存器值。

PEX8311寫給X7043的程序代碼如下：

實驗中，對伺服驅動器輸出數值進行采集，并對各軸的目標位置與實際位置進行分析，調整梯形規劃算法并優化上位機程序，以提高電機響應速度。實際效果圖如圖4所示。

圖4 電機實際轉速圖

圖中預設是反向220 r/min，粗線是實際轉速，細線為設置轉速，可以看出電機的轉停沒有較大的沖擊，并且能夠達到很高的控制精度。

結 語

此運動控制系統采用具有高速數據處理能力的芯片，對從上位機下發的指令信號進行一整套的解析，在3D打印機的多軸控制試驗中取得了很好效果，這套體系也可用于多軸控制的其他設備中。作為新方案，軸的運動速度及精度與進口3D打印機相比還有一定差距。若要達到國外高級3D打印機的打印精度，還需在控制算法上進行深入研究。目前，3D打印機在國內應用市場前景很廣闊，這套運動控制系統為高精度、高效率的3D打印機設計提供了新思路。

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