基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器設(shè)計(jì)

　　步進(jìn)電機(jī)是一種完全數(shù)字化的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從原理上說(shuō)，其角位移與驅(qū)動(dòng)脈沖的個(gè)數(shù)成正比，在正常情況下，步進(jìn)電機(jī)具有使用簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)精確、連續(xù)運(yùn)行無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于各種位置控制系統(tǒng)中。

　　當(dāng)前由于儀器內(nèi)部的機(jī)械系統(tǒng)日益復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)往往是多自由度的，因而通常需要利用多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)合成來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種動(dòng)作。例如,對(duì)圖1所示的半自動(dòng)生化分析儀的取樣針移位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的動(dòng)作執(zhí)行就是由兩部分組成的：

　　一是固定基座上的步進(jìn)電機(jī)控制取樣橫臂進(jìn)行垂直方向上的升降運(yùn)動(dòng)；

　　二是滑塊上的步進(jìn)電機(jī)控制取樣橫臂進(jìn)行水平方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

　　這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成實(shí)現(xiàn)了取樣橫臂的位置變換。

　　傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器是以微控制器(MCU)/微處理器(MPU)/專(zhuān)用集成電路(ASIC)/數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心，再輔以其他外圍分立器件構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器的優(yōu)點(diǎn)在于其硬件結(jié)構(gòu)清晰，易于復(fù)制再現(xiàn)，對(duì)于類(lèi)似的應(yīng)用只需要修改其應(yīng)用軟件即可。然而對(duì)于多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，單純依靠軟件的修改通常不足以使其達(dá)到其他應(yīng)用場(chǎng)合所需的要求，并且當(dāng)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，通常需要對(duì)整個(gè)電路重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣既延長(zhǎng)了升級(jí)的周期，又增加了升級(jí)成本，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制。

　　由于可編程邏輯器件(PLD)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得單一FPGA/CPLD芯片內(nèi)部可以集成多個(gè)分立元件的功能，因此在對(duì)傳統(tǒng)控制器的改進(jìn)中，通常使用一個(gè)FPGA/CPLD芯片將傳統(tǒng)控制器中的數(shù)字電路部分集成到一起，從而形成具有處理器-FPGA/CPLD-模擬電路結(jié)構(gòu)形式的控制器。這類(lèi)控制器比起傳統(tǒng)控制器而言，其硬件結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性得到了很大的提高。這是因?yàn)镕PGA/CPLD芯片具有在不改變其引腳定義的情況下可對(duì)其內(nèi)部邏輯關(guān)系進(jìn)行重構(gòu)的特性，因而對(duì)于不同的應(yīng)用，可以通過(guò)改變FPGA/CPLD芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足某些特殊的應(yīng)用需求，從而在一定程度上使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)升級(jí)更為簡(jiǎn)便，而且成本也更為低廉。因此，這種改進(jìn)型的多步進(jìn)電機(jī)控制器的應(yīng)用范圍也得到了很大的擴(kuò)展。

　　這種結(jié)構(gòu)的控制器也存在著這樣的問(wèn)題：在FPGA外部仍然存在一個(gè)處理器。這樣不僅增加了控制器的尺寸，而且在升級(jí)處理器時(shí)，硬件電路需要重新設(shè)計(jì)，使升級(jí)成本仍然相對(duì)較高。

　　近年來(lái)，由于IP資源復(fù)用理念得到了普遍的認(rèn)同并成為主要設(shè)計(jì)方式，MCU、DSP、MPU等嵌入式處理器IP成為了FPGA應(yīng)用的核心。隨著處理器內(nèi)核以IP的形式嵌入到FPGA中，未來(lái)的電路板上可能只有兩部分電路：模擬部分(包括電源)以及FPGA芯片和一些大容量存儲(chǔ)器。

　　這一切都表明可編程片上系統(tǒng)(SOPC)正在成為FPGA最重要的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)多軸控制器相比，這種基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器具有體積小、集成度高、硬件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于開(kāi)發(fā)升級(jí)且成本低廉等特點(diǎn)，尤其適用于儀器儀表內(nèi)部控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文所論述的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器就是基于SOPC方式的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器。

　　1 基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器的硬件結(jié)構(gòu)

　　基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其外部電路的構(gòu)成包含模擬電路和數(shù)字電路兩部分。模擬電路包括供電電源及功率驅(qū)動(dòng)。數(shù)字電路主要為FPGA芯片及其相關(guān)電路。

　　如圖2，基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器包含兩部分：FPGA芯片及其配置芯片的數(shù)字部分和電機(jī)控制及位置反饋部分。其中，虛線(xiàn)框內(nèi)部表示FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，空心箭頭表示FPGA芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)連線(xiàn)，實(shí)心箭頭表示外部連線(xiàn)。

　　FPGA芯片內(nèi)部由MPU模塊、通訊模塊、RAM模塊、ROM模塊、計(jì)數(shù)器模塊、電機(jī)控制模塊等構(gòu)成。當(dāng)控制器失電時(shí)，這些模塊信息存儲(chǔ)在配置芯片中，等到系統(tǒng)重新上電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片再?gòu)呐渲眯酒凶x取其配置信息，重構(gòu)內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)。MPU模塊是整個(gè)控制器的核心，它的功能等同于事實(shí)的微處理器。它通過(guò)通訊模塊與外部主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM模塊中。RAM模塊同時(shí)還用于暫存MPU模塊執(zhí)行ROM模塊所存儲(chǔ)的程序段時(shí)的某些中間過(guò)程值，而MPU則根據(jù)ROM模塊中程序執(zhí)行的結(jié)果輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給電機(jī)控制模塊。

　　電機(jī)控制模塊的輸出連接到實(shí)際的芯片引腳上，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)電路工作，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在閉環(huán)控制時(shí)，步進(jìn)電機(jī)軸端的編碼器模塊輸出編碼信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)編碼器反饋電路進(jìn)行隔離等處理之后，由FPGA芯片內(nèi)部的計(jì)數(shù)器模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將結(jié)果傳輸給MPU模塊進(jìn)行處理，從而形成位置/速度的閉環(huán)控制。

　　圖2只表示了單個(gè)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖，對(duì)于多軸步進(jìn)電機(jī)而言，F(xiàn)PGA芯片只需要增加相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)電路及編碼器反饋電路即可。電機(jī)控制模塊和計(jì)數(shù)器模塊都在FPGA內(nèi)部集成，因而硬件電路的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

　　由于IP技術(shù)的飛速發(fā)展，在圖2中的FPGA芯片內(nèi)部模塊中，MPU、ROM、RAM、計(jì)數(shù)模塊等的IP核都可以很方便地獲得，而電機(jī)控制模塊由于與具體的功率放大電路實(shí)際相關(guān)，因而通常需要用戶(hù)自行設(shè)計(jì)。下面介紹這一模塊的設(shè)計(jì)。

　　2 二相步進(jìn)電機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)

　　以小慣量的二相步進(jìn)電機(jī)為例闡述步進(jìn)電機(jī)控制模塊的結(jié)構(gòu)。該步進(jìn)電機(jī)由兩片PBL3717a芯片所驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)時(shí)序及其控制模塊如圖3、圖4所示。

　　在控制模塊中，mtr_cp為步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸入端，每個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)/后退一步，脈沖頻率即為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的速度，因此這個(gè)脈沖信號(hào)由MPU模塊根據(jù)ROM內(nèi)部程序的執(zhí)行結(jié)果輸出。mtr_dir為步進(jìn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)切換信號(hào)，mtr_mode為步進(jìn)電機(jī)全/半步運(yùn)行方式選擇，mtr_on_off是電機(jī)的啟停位，該位置1時(shí)，mtr_cp能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作；為0時(shí)，mtr_cp脈沖被封鎖。設(shè)置該位的目的是為了在多個(gè)步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)分別控制各個(gè)電機(jī)的啟停而不影響到其他電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

　　mtr_reset是控制模塊復(fù)位信號(hào)，A_out為圖3中下標(biāo)為A的驅(qū)動(dòng)芯片控制信號(hào)，B_out為圖3中下標(biāo)為B的驅(qū)動(dòng)芯片的控制信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)的控制模塊的仿真波形圖如圖5所示。從圖5可以看出，仿真波形完全符合圖2中步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，即控制模塊的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足預(yù)定的設(shè)計(jì)需求。

　　由上分析，利用上述多個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制模塊以圖6所示的方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接，就能夠構(gòu)成本文所論述的基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器。由于MPU、ROM、RAM、電機(jī)控制模塊等都是以功能模塊的形式集成在FPGA芯片內(nèi)部，因此大大縮小了基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器的尺寸。這些功能模塊可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用進(jìn)行添加或刪除(即對(duì)FPGA芯片的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu))，因此極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，能更好地滿(mǎn)足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

　　IP技術(shù)的飛速發(fā)展使得開(kāi)發(fā)人員很容易獲得多數(shù)通用模塊的可復(fù)用IP核，從而減輕了開(kāi)發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，縮短了開(kāi)發(fā)周期。當(dāng)系統(tǒng)需要升級(jí)時(shí)，也不需要對(duì)硬件電路重新設(shè)計(jì)，只需通過(guò)修改FPGA中相應(yīng)模塊的配置文件，因此節(jié)約了控制器的升級(jí)成本。同時(shí)，由于MPU模塊的功能與實(shí)際的微處理器相同，因而在微處理器上可運(yùn)行的控制程序也可以很容易移植到MPU模塊中運(yùn)行。

　　為了便于闡述基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器，本文側(cè)重于闡述多個(gè)步進(jìn)電機(jī)同速恒速運(yùn)行的情況。對(duì)于變速運(yùn)行的情況，可通過(guò)在MPU的脈沖輸出端和各電機(jī)控制模塊的脈沖輸入端之間插入MPU可控的分頻模塊來(lái)獲得，同時(shí)增加插補(bǔ)模塊以實(shí)現(xiàn)不同電機(jī)之間的聯(lián)動(dòng)功能。

　　本文所述的基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器應(yīng)用于半自動(dòng)生化分析儀的取樣針移位系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)多軸控制器的所有控制功能，控制器的尺寸小于傳統(tǒng)控制器；當(dāng)控制器的數(shù)字電路部分需要修改時(shí)，無(wú)需更換控制器的實(shí)際硬件電路，大大方便了控制器的研究設(shè)計(jì)工作并節(jié)約了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)成本。