介绍 |
| 大规模集成电路处理技术和计算机辅助设计工具的不断进步，提供了设计高成本效益的定制集成电路的能力，并取得了很高的成功。电子电路集成水平的稳步进步改善了生产设备的许多方面-提高可靠性，降低成本，更容易制造，提高性能，降低功耗。超大规模集成电路的使用使制造商能够提供令人印象深刻的设备，如电池驱动的光盘播放器，其直径仅比光盘本身大一点，能够提供数小时的音乐聆听乐趣。定制VLSI设计的好处是可变的，取决于应用和批量生产的要求。尽管有VLSI设计带来的所有好处，但由于最初的高价和与VLSI设计相关的风险，许多设计师对使用亚瑟士犹豫不决。此外，VLSI设计中心通常要求对将购买的集成电路数量做出坚定的承诺。初始投资、NRE成本和设计时间促使设计人员选择使用小规模集成(SSI)和中等规模集成(MSI)集成组件的离散电路设计，从而增加电路板面积和功耗。许多设计人员正在使用可编程阵列逻辑(PAL)设备来取代不可避免的“胶合逻辑”，并节省电路板空间。 |
先进的遥控机械手 |
| 双轴PWM控制器芯片被设计为一个完整的双臂、力反射、主从遥控机器人机械手系统的一部分。高级远程机器人是一个具有力反射反馈能力的7自由度机械手。机械手的每个关节由俯仰/偏航机构组成，需要两个驱动系统来完成两个自由度的运动。PWM ASIC控制器为驱动每个机械手关节的两个电机的两轴500瓦放大模块提供PWM驱动信号和控制。通过将伺服控制和放大电子元件放在关节结构中，使机械手关节在电气和机械上可互换。其结果是一个远程机器人操纵臂，适应性强，模块化，易于维护。分布式轴远端机器人的控制是本研究的目标。随着微控制器技术和标准单元VLSI设计工具的发展，分布式运动控制成为可能。针对先进远程机器人系统，开发并实现了分布式共定位控制体系结构。双轴机械臂元件(DAME)被设计为一组安装在机械臂模块内的三块10.16厘米(4英寸)直径的电路板。 The microprocessorbased servo-control and amplifier electronics are packaged within the manipulator joint co-located with the drive motors and motion sensors. Modularity and interchangeability of manipulator * Minimizes the number of conductors routed through the Increased reliability of the mechanical interconnection, Improved command throughput via the utilization of independent joint controllers for each axis, and Local servo control provides increased processing bandwidth. elements, arm thereby reducing cable handling and increasing cable reliability, The reliability and the long term stability of the control system is further enhanced by the implementation of a totally digital control system. This is achieved by using digital PWM servo control amplifiers and digital optical position encoders mounted directly on the motors. Velocity is calculated using a discrete time derivative of the position data. Since no analog transducer interfacing is used in the design, long term stability and reliability is improved. |
Asic设计要求 |
| ASIC设计本身的最初目标是取代分布式伺服控制电子设备所需的许多接口组件。一种常用的传感器是正交相位增量式光学编码器。这些传感器提供低惯性、低摩擦和高可靠性的位置传感。它们通常直接安装在电机轴上。这些类型的编码器提供了获得位置和速度的有效和经济的手段。这些编码器可以获得每转64到2048计数的分辨率，用于低成本，通用应用。电机放大器通常是PWM类型的放大器，需要一个模拟接口的反馈和驱动命令。分布式控制方法需要一个数字到模拟(D/ a)转换器为每个电机在关节。从设计和布局的角度来看，由于数字电子技术，噪声成为一个潜在的问题。同样，伺服电子产品的分布空间总是有限的。 Brush type motors are used and these also emit a large amount of electrical noise. During the initial design efforts, a commercial PWM amplifier (the AMC-250D from Advanced Motion Controls) was found that would fit within the dimensional constraints of the manipulator arm. The AMC- 250D was specially designed for TRI to accept a digital PWM drive signal command. The amplifier measures only 4.25x5.0x1.27 centimeters in size and provides up to 250 watts of power. |
性能目标 |
| 在ASIC接口控制器的设计中，所追求的性能目标是PWM分辨率和PWM基频。所需的PWM频率被指定为至少20 KHz。使用20 KHz基频的PWM放大器的愿望为系统提供了有效的功耗和改进的外形因素。直流电机的功率损耗PL可以用形式因数(k)和平均电流IAVG表示。形式因子表示为: |
| K = irm / IAVG |
| 功率损耗表示为: |
| PL = Rk2/AvG2 |
| 因此，电机中的电枢损耗取决于平均电流、形状因素和电枢电阻。电阻是固定的，平均电流决定电机的转矩输出。因此，额外的热损失在电机的形式因素的平方增加，因此，形式因素只有1.1，电枢损失增加了21%，降低了电机的转矩能力。通过使用更高的PWM频率，RMS电流变得更接近平均电流，并且形状系数趋于统一。PWM放大器的另一个优点是降低了放大器本身的功耗。这一点很重要，因为放大器与电机和控制电子元件一起封装在手臂模块中。此外，由于20千赫高于人类的听觉反应，电机放大系统的音频噪声被消除。PWM信号的最小可接受分辨率被指定为10位。来自微处理器的驱动命令表示为-512到+511,0表示50%占空比，没有对电机的命令转矩。该分辨率提供了大于60 dB的信噪比。 Since the manipulator is designed for force reflection, it is important to have good dynamic range to control the forcefeedback effect of the manipulator. Since the PWM is implemented digitally, the theoretical input frequency of the ASIC can be calculated as follows: |
| 输入频率= 21°x 20 KHz (3) |
| 使用公式(3)，ASIC必须在20.48 MHz的频率下工作，以实现10位分辨率。 |
Asic设计流程 |
| 这种专用集成电路的设计和开发过程揭示了微电子领域正在迅速取得的进展。从硬件实现的角度来看，ASIC的设计分为四个步骤。 |
试验板测试 |
| ASIC的设计从概念设计开始，并从可用的离散组件开始设计ASIC的面包板。ASIC的初始组件块是使用Douglas Electronics提供的Douglas CAD/CAM包设计和模拟的。然后使用现成的SSI和MSI组件将电路面包板安装在15 × 22厘米的perfboard上。只有一个光学编码器接口和PWM驱动电路被包括在面包板测试。其中还包括一些微处理器接口电路和解码逻辑。面包板设计表明，离散版ASIC大约需要80个SSI和MSI组件。该设计是在SUN工作站上使用定制的VLSI CAD设计工具实现的。ASIC的设计和布局是使用伯克利的VLSIICAD软件包完成的。两个名为Magic和DRC(增量设计规则检查器)的程序用于布局和路由。使用SPICE和其他模拟程序进行了广泛的模拟，用于事件驱动、开关级和最坏情况时间模拟。 A program for automatic generation of Programmable Logic Array (PLA) type blocks was also used to implement the control and decoding functions within DARC. The first layout attempt produced a 64-pin ceramic DIP package that was about 60 percent functional. Timing difficulties in the high speed switching circuitry limited the functionality of the majority of the circuit. Th e design was implemented in 3-micron, double-metal CMOS. An automatic PIA generation and layout program was used to generate the decoding and control logic. The final design resulted in a 64-pad die with external dimensions of 4600x6800 micron2 and internal available silicon area of 3330x5520 micron2. MOSIS is show below in Figure 1. The chip was fabricated using a 3-micron p-well process by Hewlett-Packard. |
| 第二次提交PWM专用集成电路设计时采用了完全不同的方法。基于“标准单元”技术的设计方法被利用，布局部分的工作进行得更快。在第二次设计尝试中，光学编码器被省略，只有一个PWM电路与并行数字接口电路一起使用。利用Douglas CAD/CAM软件对PWM发生器电路进行了重新设计和仿真。该设计是用IBM PC和Or CAD原理图捕获软件包创建的。原理图捕获程序的获取输出被传输到U.T ECE系的SUN工作站。在SUN工作站上，使用两个标准单元布置和自动路由程序来提供标准单元设计的最佳布局。这两个程序，Timber Wolf SC和YACR，将PC中的设计文件转换为带有外部节点标签的单元放置规范，这些信号被路由到EDF文件的外部。其余的设计包括生成可编程逻辑阵列和手动将信号路由到输入输出板框架。经过自动布置和布线后的PWM最终布局如图2所示。单个单元格的水平行位置表示标准单元格设计。 |
| PWM电路采用MOSIS公司的标准28针陶瓷DIP封装。第二次设计通过提供了100%的良率的工作部件。PWM电路在输入频率为18 MHz时表现良好，提供了36 KHz IO-bit分辨率的PWM信号。在最终的DAME设计中，通过PWM放大器和微处理器接口对该器件进行了测试，达到了所有设计要求。最后在2U SCMOS中实现。第三次也是最后一次通过在单个芯片中提供两个PWM接口。这个最终的电路是在2微米的SCMOS中实现的，使用了之前设计工作的核心设计。事实上，这是田纳西大学通过MOSIS制造的第一个成功的2微米设计。第三步是将两个相同的PWM发生器与额外的并行数字输入输出路径合并。PWM2电路布局图如图3所示，电路框图如图4所示。标准单元格设计布局方法如图3所示。 The resulting optimized layout that resulted from applying Turner Wolf SC provided eight horizontal rows of cells. These rows can be easily identified in the figure. |
包装 |
| ASIC集成电路制造的最后一步是集成电路封装的选择和要求。选择实现包的主要因素是空间不足。DAME模块是在直径10.16厘米的圆形印刷电路板上制造的，这样得到的机械手模块可以尽可能小。模块也受到了腕部模块长度的限制。这个长度限制了印刷电路板的数量为三个:联合控制器板，PWM控制器接口和光编码器接口板，以及500瓦PWM电机放大器接口。 |
结论 |
| 简要介绍了一种用于双轴运动控制的专用集成电路的设计与实现。最初的设计是使用个人计算机的CAD设计程序完成的，布局设计是在SUN工作站上使用VLSI设计工具完成的。集成电路是通过金属氧化物半导体实现服务(MOSIS)使用2微米可伸缩CMOS (SCMOS)技术实现的标准电池制造的。廉价的亚瑟士的设计和实现是先进远程机器人机械手设计和实现的一个重要里程碑。该项目取得了成功，ASIC设计在第二次尝试后完全具有功能，并已被纳入高级远程机器人机械臂控制电子器件的最终设计中。ASIC执行基于微处理器的联合控制器与传感器和驱动电路接口之间的接口。PWM ASIC集成电路的成功实现也为利用VLSI设计工具进行定制内部设计的能力提供了很大的信心，并了解了承担此类任务所需的成本和设计工作量。 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- H.L.Martinetal。，"Recommendations for the Next- Generation Space TeleRobot System," ORNL Technical Memoranda ORNUTM-9951, April 21, 1986.
- P. E. Satterlee, Jr.， H. L. Martin，和R. F. Spille，“应用Novix计算机对冗余遥操作器和机器人操纵器的实时控制”，美国能源部合同编号:DE-ACO5- 86ER80406, 1987年1月生产。
- H. L. Martin, P. E. Satterlee, R. F. Spille，“先进伺服机械手系统的分析与设计增强”，美国能源部合同编号:DE-AC05-86ER80406, 1987年1月。
- H. L. Martin, P. E. Satterlee和W. C. Appleton， â ' “基于遥操作操纵方法的双臂机械臂控制的开发”，NASA合同编号:1987年8月，NASI-18423。
- R. R.库马尔，田纳西州，诺克斯维尔，1988年8月。
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