基于FPGA的三軸伺服控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要:針對某機(jī)載三軸運(yùn)動平臺的高精度伺服控制要求，設(shè)計(jì)了基于FPGA的伺服控制器。重點(diǎn)對硬件中的控制模塊、驅(qū)動模塊、通信模塊和軟件中的中斷、復(fù)位、A/D轉(zhuǎn)換等子程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。尤其是在驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)中，詳細(xì)探討了力矩電機(jī)的反饋環(huán)節(jié)參數(shù)給定模式。通過后續(xù)的仿真測試，驗(yàn)證了該三軸伺服控制器的有效性。

關(guān)鍵詞:FPGA; 三軸控制器; 伺服控制; PWM

中圖分類號:TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0149-03

Design and Implementation of Three-axis Servo Controller Based on FPGA

LU Yin-ju， SHAN Guo-quan， SU Yu

(Information Engineering College， Zhongzhou University， Zhengzhou 450044， China)

Abstract: A servo controller based on FPGA was designed for the high-precision servo control requirement of an airborne three-axis motion platform. The control module， driver module and communication module in the hardware， and the subroutine of interrupt， reset， A/D conversion in software were designed and realized. The feedback link parameters for a given model of the torque motor in the driver module design is discussed. The validity of the three-axis servo controller is verified through the simulation test.

Keywords: FPGA; three-axis controller; servo control; PWM

0 引 言

在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，多軸伺服控制器的設(shè)計(jì)一直是該領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一[1]。目前伺服控制器的設(shè)計(jì)多以DSP或MCU為控制核心，但DSP的靈活性不如FPGA，且在某些環(huán)境比較惡劣的條件如高溫高壓下DSP的應(yīng)用效果會大打折扣，因此以FPGA為控制核心，對應(yīng)用于機(jī)載三軸伺服控制平臺的控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1 總體方案

FPGA(Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)是在PAL，GAL，CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分。可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一，因此在設(shè)計(jì)中采用FPGA為控制核心[2]。FPGA的基本特點(diǎn)主要有:采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到可用的芯片[3-5];FPGA可做其他全定制或半定制ASIC電路的中試樣片;FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳;FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一;FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

整個控制器由控制和驅(qū)動兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制部分由FPGA及一些附件組成，該控制器能夠獨(dú)立完成三軸控制器的電機(jī)驅(qū)動波形發(fā)生、閉環(huán)運(yùn)算與控制、與上位機(jī)通信等任務(wù)，附件主要用來完成電樞電流的反饋等功能。驅(qū)動模塊由光電耦合器件和放大驅(qū)動芯片等組成。該控制器的最終控制目標(biāo)為對驅(qū)動三軸的力矩電機(jī)進(jìn)行高精度定位與驅(qū)動。力矩電機(jī)的位置和速度反饋由光電編碼器實(shí)現(xiàn)。

由于本控制器所應(yīng)用的機(jī)載平臺為三軸結(jié)構(gòu)，因此，控制器采用獨(dú)立式控制，即每個軸都具有圖1所示的控制功能，三個相對獨(dú)立的分控制器組成整體的三軸控制器。該基于FPGA的三軸伺服控制器的基本控制方案就是這種反饋式的高精度控制，其中速度環(huán)使用PD控制算法，位置環(huán)使用PID控制算法。調(diào)整PID參數(shù)，通過控制電壓來控制跟蹤瞄準(zhǔn)精度，使得跟蹤瞄準(zhǔn)精度逐漸提高，達(dá)到所需的精度要求。

圖1 三軸伺服控制器中單軸伺服控制框圖

2 控制器硬件與軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本伺服控制器以FPGA為核心，在硬件設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行了驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)、控制模塊設(shè)計(jì)和通信模塊設(shè)計(jì)。驅(qū)動模塊能夠根據(jù)外部給定的驅(qū)動角度產(chǎn)生驅(qū)動信號，控制模塊則能夠?qū)怆娋幋a器測得的角度信號和速度信號進(jìn)行分析、反饋及運(yùn)算，最終給出PWM脈寬值驅(qū)動整個系統(tǒng)，在這期間還需要功放的放大作用，而通信模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的有效通信，并能夠?qū)崿F(xiàn)控制器的在線編程功能和上位機(jī)對三軸系統(tǒng)中力矩電機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能。

驅(qū)動模塊主要包括控制波產(chǎn)生單元、力矩電機(jī)光電編碼器信號采集與處理、可編程死區(qū)發(fā)生器等部件。驅(qū)動模塊中的信號功率放大部分和隔離措施的應(yīng)用也是該部分中的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容，在此設(shè)計(jì)中功率放大采用普通的晶體管放大電路，而光電隔離器件的應(yīng)用能夠有效防止強(qiáng)電模塊對弱電部分的影響。在驅(qū)動模塊中輔助芯片采用可編程器件EP1K30QC208，它采用可重構(gòu)的CMOS SRAM工藝，把連續(xù)的快速通道與獨(dú)特的嵌入式陣列(EAB)相結(jié)合，同時結(jié)合眾多可編程器件的優(yōu)點(diǎn)來完成普通門陣列的宏功能，主要完成伺服控制器的各種硬件邏輯接口功能[6]。EP1K30QC208主要完成4個接口的邏輯功能，即:主機(jī)接口、D/A接口、碼盤接口、I/O接口。D/A轉(zhuǎn)換器件采用雙通道DAC芯片DAC5573，相對TLC2543來說，硬件的連接簡單很多，因?yàn)樗捎脴?biāo)準(zhǔn)的I²C總線，同時S3C4510里包含I²C的控制器，所以DAC5573只需接到4510的SDA和SCL這兩個引腳，就可以實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。需要注意的是，SDA和SCL這兩個引腳需要上拉電阻值為10 kΩ的電阻來確保I²C總線能夠釋放出來[7]。

控制模塊方面速度環(huán)節(jié)和位置環(huán)節(jié)分別采用PD和PID控制。因此在控制器設(shè)計(jì)中需要在這方面有所體現(xiàn)。由于本控制器以控制直流力矩電機(jī)為最終目的，因此在控制模塊的設(shè)計(jì)方面需要研究力矩電機(jī)的驅(qū)動及其電壓值獲取。在本控制器設(shè)計(jì)過程中需要對上述各項(xiàng)進(jìn)行綜合控制與處理，以達(dá)到合理地控制開銷和控制精度的平衡。在三軸伺服裝置中選用PID控制算法。引入通常的PID控制算法，并考慮功率放大、位置檢測環(huán)的增益和速度環(huán)的PD控制算法，給定三軸電樞電壓。

在控制模塊的設(shè)計(jì)中速度與位置調(diào)節(jié)的是整個控制的主體，本伺服控制器完成輸入信號與輸出信號的比較，再通過位置校正、速度校正、機(jī)械諧振校正之后，校正后的信號控制PWM發(fā)生器的占空比，具有一定占空比的PWM信號控制PWM功率級，進(jìn)而驅(qū)動被控對象。如此就可以得到本伺服控制器在反饋環(huán)節(jié)中所需要的力矩電機(jī)位置信息，利用該位置信息對三軸平臺實(shí)現(xiàn)高精度控制。

基于FPGA的三軸伺服控制器的通信模塊設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)中也占有很大的比重。整體的通訊設(shè)計(jì)接口采用基于RS 232的通用串口通信方式。采用這種接口方式能夠在滿足系統(tǒng)現(xiàn)場編程通信的同時滿足系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信要求。該通信模塊采用一個帶有UART口的MCU，由于該MCU的數(shù)據(jù)都是立即數(shù)，在運(yùn)行過程中并沒有取數(shù)據(jù)操作，因此設(shè)計(jì)的流水線結(jié)構(gòu)采用三級結(jié)構(gòu)，分別為取指令、譯碼和指令執(zhí)行[8]。而MCU的指令地址則由程序計(jì)數(shù)器給出。在通信模塊的設(shè)計(jì)主要考慮的是正常上位機(jī)通信的進(jìn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控通信的有效實(shí)施[9]。該設(shè)計(jì)采用了雙PC設(shè)計(jì)，這樣能夠極大地減少復(fù)位時間，使上述MCU不會因?yàn)橥饨绲母蓴_而錯誤地執(zhí)行指令，這樣就能提高系統(tǒng)的可靠性。

本三軸伺服控制器的硬件設(shè)計(jì)需要配合軟件才能有效運(yùn)行，該控制器軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是:完成對接口的初始化;上位機(jī)能夠?qū)Κ?dú)立控制三軸的伺服控制設(shè)備進(jìn)行指令控制;對于光電編碼器反饋的速度信號和位置信號進(jìn)行讀取和分析處理;根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)和外部的控制命令完成整個控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。其具體的主程序控制流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程框圖

本控制器軟件的關(guān)鍵是PWM信號的設(shè)定與輸出，一方面要考慮外部的輸入角度，另一方面要考慮系統(tǒng)的反饋。要實(shí)現(xiàn)高精度的三軸定位，必須有一套合理的信號產(chǎn)生機(jī)制。系統(tǒng)的中斷設(shè)計(jì)也是本控制器的重要研究內(nèi)容，因?yàn)楸究刂破鞑捎孟鄬Κ?dú)立的三軸控制方式，在保證各軸獨(dú)立運(yùn)行的同時要兼顧到整體的運(yùn)行情況，且在運(yùn)行過程中一旦某一部分出現(xiàn)問題，其他所有的部分都要同時采取一定的措施解決這個問題。限于篇幅，本文并未列出該三軸伺服控制器的軟件程序。

3 性能測試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的三軸伺服控制器的有效性，對基于FPGA的控制、通信等模塊進(jìn)行了基于軟件的Modelsim的仿真測試[10]。首先進(jìn)行了該控制模塊的單次運(yùn)行時間，本三軸伺服控制器的單次運(yùn)行的平均時間為483 ns，這種結(jié)果基本滿足了該控制平臺的實(shí)時性要求。系統(tǒng)的通信功能測試主要針對控制器的在線編程和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行。以普通筆記本作為上位機(jī)，采用串口通信軟件與該控制器進(jìn)行通信，完成系統(tǒng)的三個力矩電機(jī)的啟動、加速、調(diào)速、換向、制動等功能。控制器參數(shù)的在線編程也完全能夠滿足。

在性能測試方面還進(jìn)行了該控制器的調(diào)速性能測試、及時中斷性能測試、故障自動報(bào)警與處理性能測試、三軸綜合配合高精度定位測試等一系列測試。從仿真測試結(jié)果上看，所設(shè)計(jì)的基于FPGA的三軸伺服控制器基本能夠滿足該機(jī)載平臺的要求。

4 結(jié) 語

以FPGA作為控制核心對某機(jī)載三軸運(yùn)動平臺的伺服控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要對其硬件中的控制、驅(qū)動、通信模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時給出了其軟件控制流程和部分中斷、復(fù)位等軟件程序。通過后續(xù)的仿真測試驗(yàn)證了該控制器的有效性。

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