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

摘 要:針對(duì)某機(jī)載三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(duì)硬件中的控制模塊、驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào):TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(dòng)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(huì)大打折扣，因此以FPGA為控制核心，對(duì)應(yīng)用于機(jī)載三軸伺服控制平臺(tái)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(gè)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(gè)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(gè)控制器由控制和驅(qū)動(dòng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。……