基于DSP和FPGA的多軸步進電機驅動控制板卡

文/熊亞明

1 技術現狀

在多軸步進電機伺服控制領域，目前其硬件構架主要有五類：

（1）MCU/DSP + 單步進電機驅動器；

（2）MCU/DSP+三軸/六軸步進電機驅動器+單步進電機驅動器；

（3）FPGA+單步進電機驅動器；

（4）PLC+單步進電機驅動器；

（5）DSP與FPGA+單步進電機驅動器

對于第一類，雖然能夠同時實現簡單的多軸步進電機的伺服控制，但對于復雜的伺服控制系統，如系統中需要接入慣性測量、雙北斗定位定向和上位機等各種串行信號和開關信號下，硬件系統外部接口不足；對于第二類，除了存在第一類的外部接口不足問題外，還因為需要一個三軸/六軸步進電機驅動器作為中轉，整個控制系統的實時性無法得到保障；對于第三類，在同時滿足系統對外的接口能力和系統的解算和存儲能力的情況下，對FPGA的要求較高，使得硬件系統成本升高。另外目前FPGA對電機控制領域的支持不如MCU或DSP完善，使得采用純FPGA作為核心處理器的硬件系統的軟件編程較為復雜；對于第四類，由于環境適應性問題，一般無法滿足在軍工和航空航天上的應用；對于第五類，DSP和FPGA的控制板卡和單步進電機驅動器，對于多步進電機伺服控制系統，系統硬件較為分散，硬件體積大，成本較高。

圖 1：基于DSP和FPGA多軸步進電機驅動控制板硬件框圖

2 硬件技術方案

基于DSP和FPGA的多軸步進電機驅動控制板卡硬件主要包括四個部分：電源部分、DSP與FPGA部分、接口電路部分和步進電機驅動部分。如圖1所示。

2.1 電源部分

系統外部輸入直流電源的電壓范圍為19V到59V，通過TRACO公司的THN 15WI系列的DC/DC轉換模塊將電壓轉換為5V。5V電壓到3.3V、1.9V、1.2采用TI的可調電壓轉換模塊PTH05000WAH。

2.2 DSP與FPGA部分

主要包括JTAG電路，時鐘電路，復位電路和外擴Flash電路，此外FPGA部分還包括串行配置電路等。其中時鐘電路和復位電路均有一些典型電路可供參考，在此不再贅述。DSP部分的JTAG電路可參考TMS320F28335芯片相關手冊，FPGA部分選擇的Altera公司的Stratix系列的EP2S15F484I4芯片，配置芯片選擇EPCS16SI8N，對應的JTAG電路和串行配置電路可參考EP2S15F484I4和EPCS16SI8N相關芯片手冊。外擴Flash電路部分本選擇SGS-Thomson Microelectronic公司 的Flash芯 片M25P16-VMN6P，M25P16-VMN6P與DSP和FPGA均通過SPI總線相連，Flash芯片的/HOLD和/W引腳與DSP的GPIO引腳或FPGA的任意普通IO引腳相連。

2.3 接口電路部分

選擇DS26LS32CM芯片完成差分信號到單端信號的轉換。對于RS232、RS422、RS485電平到LVTTL或TTL電平的轉換，選 擇MAX3232、MAX3490/MAX490、MAX3485/MAX485芯片完成相應的轉換，選擇SN74ALVC164245芯片完成5V電平與3.3V電平之間的轉換。驅動控制板卡具體需要幾片相應的轉換芯片，可根據應用需求調整。

2.4 驅動電路部分

選擇的Trinamic公司的步進電機驅動芯片TMC261，芯片的工作電壓可達60V，這里選用48作為輸入電壓。TMC261外圍電路連接關系以及電阻電容大小的選擇參考TMC261芯片手冊。若選擇其他帶有SPI接口的步進電機驅動芯片，其外圍電路參考所選芯片的芯片手冊設計即可。

DSP與FPGA通過總線連接，具體連接關系為：將TMS320F28335的/XWE0、XZCS6、XZCS7、XA0-XA19和XD0-XD31與FPGA的任意普通IO引腳相連。

FPGA與步進電機驅動芯片的具體連接關系為：將步進電機驅動芯片的SPI口（CS、SCK、SDI、SDO）、STEP、DIR和狀態指示引腳與FPGA的任意普通IO引腳相連。當多個TMC261芯片與FPGA相連時，復用SPI的SCK、SDI、SDO引腳，只增加片選信號CS，例如當接入3片TMC261時，FPGA端引腳連接為SCK、SDI、SDO、CS1、CS2、CS3。

2.5 其它

外部信號通過接口轉換電路部分分別于FGPA任意普通IO引腳相連。

板卡上總共存在四類地：信號地、功率地、數字地、模擬地。

3 技術應用

在需要多個步進電機作為執行機構的復雜伺服運動控制系統中，這種驅動控制板卡既保證了硬件系統對于外部接口的廣泛適應能力，硬件系統上進行軟件編程相對簡單，同時驅動控制一體的設計，硬件體積小，重量輕，成本低等優點。可應用于動中通天線系統，雷達天線系統等。