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

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。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-Prograromable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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?？梢哉f(shuō)，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。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；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(kāi)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?？刂撇糠钟蒄PGA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(dòng)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(lái)完成電樞電流的反饋等功能。驅(qū)動(dòng)模塊由光電耦合器件和放大驅(qū)動(dòng)芯片等組成。該控制器的最終控制目標(biāo)為對(duì)驅(qū)動(dòng)三軸的力矩電機(jī)進(jìn)行高精度定位與驅(qū)動(dòng)。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(tái)為三軸結(jié)構(gòu)，因此，控制器采用獨(dú)立式控制，即每個(gè)軸都具有圖1所示的控制功能，三個(gè)相對(duì)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(guò)控制電壓來(lái)控制跟蹤瞄準(zhǔn)精度，使得跟蹤瞄準(zhǔn)精度逐漸提高，達(dá)到所需盼精度要求。

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(dòng)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(dòng)模塊能夠根據(jù)外部給定的驅(qū)動(dòng)角度產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制模塊則能夠?qū)怆娋幋a器測(cè)得的角度信號(hào)和速度信號(hào)進(jìn)行分析、反饋及運(yùn)算，最終給出PWM脈寬值驅(qū)動(dòng)整個(gè)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(duì)三軸系統(tǒng)中力矩電機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能。
驅(qū)動(dòng)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(hào)采集與處理、可編程死區(qū)發(fā)生器等部件。驅(qū)動(dòng)模塊中的信號(hào)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(duì)弱電部分的影響。在驅(qū)動(dòng)模塊中輔助芯片采用可編程器件EPlK30QC208，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(shí)結(jié)合眾多可編程器件的優(yōu)點(diǎn)來(lái)完成普通門(mén)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。 EPlK30QC208主要完成4個(gè)接口的邏輯功能，即：主機(jī)接口、D／A接口、碼盤(pán)接口、I／O接口。D／A轉(zhuǎn)換器件采用雙通道DAC芯片DAC5573，相對(duì)TLC2543來(lái)說(shuō)，硬件的連接簡(jiǎn)單很多，因?yàn)樗捎脴?biāo)準(zhǔn)的I2C總線，同時(shí)S3C4510里包含I2C的控制器，所以DAC5573只需接到4510的SDA和SCL這兩個(gè)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(gè)引腳需要上拉電阻值為10 kΩ的電阻來(lái)確保I2C總線能夠釋放出來(lái)。