基于DSP與FPGA的跟蹤伺服運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

　　摘 要： 在分析光電跟蹤伺服系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以TI公司DSP芯片TMS320F2812作為主控制芯片，采用FPGA進(jìn)行邏輯時(shí)序控制，設(shè)計(jì)了基于DSP和FPGA的多軸伺服運(yùn)動(dòng)控制器。給出了該控制器的功能和硬件結(jié)構(gòu)以及軟件流程設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器具有高集成度、靈活性、實(shí)時(shí)性、模塊化的特點(diǎn)，完全滿足了在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)伺服系統(tǒng)控制的要求。

　　在高速光電跟蹤系統(tǒng)中，對(duì)伺服系統(tǒng)的高速性、精確度和穩(wěn)定性都有很高的要求。為了提高跟蹤精度，越來(lái)越多的控制算法被應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中，因此要求控制器能在很短的時(shí)間內(nèi)完成大量的運(yùn)算[1]。DSP具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，而FPGA具有高度靈活的可配置性和邏輯時(shí)序控制能力[2]。因此在很多伺服控制器中，“DSP＋FPGA”結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　實(shí)際應(yīng)用環(huán)境一般比較復(fù)雜，有大量的信息傳遞，并且需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)行精確控制，因此對(duì)伺服控制器的多路通信能力，快速運(yùn)算能力和抗干擾能力都有較高的要求。為了解決這一問(wèn)題，提供一個(gè)較好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文結(jié)合光電跟蹤伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種以TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812為核心，以Altera公司CycloneⅡ系列FPGA為輔助處理器結(jié)構(gòu)的跟蹤伺服控制器，并綜合闡述了該控制器的功能、硬件設(shè)計(jì)和軟件流程。該控制器采用單＋5 V供電，具有6路模擬信號(hào)輸入、4路模擬信號(hào)輸出、多路PWM輸出、1路CAN總線、2路RS422和1路RS232串行通信口，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)通信能力，是良好的數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

　　1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　TMS320F2812作為一款專(zhuān)為電機(jī)控制所設(shè)計(jì)的芯片，不僅具有運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，而且集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源[3]。設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮DSP片上資源的充分利用、系統(tǒng)的模塊化和可移植性等特點(diǎn)，將整個(gè)控制器大體分為4個(gè)部分：DSP模塊、FPGA模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和通信接口模塊。控制器的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　從圖1中可以看出，DSP通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)指令；位置信號(hào)通過(guò)兩路RS422通信口傳給DSP作相應(yīng)處理；速度信號(hào)是由DSP片上集成的QEP電路對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的正交編碼脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼獲得；DSP輸出的PWM信號(hào)與FPGA相連，通過(guò)FPGA內(nèi)部的保護(hù)模塊后經(jīng)光電隔離輸出到功率放大模塊。外部中斷經(jīng)FPGA片內(nèi)中斷控制邏輯后輸出到DSP外部中斷管腳上；DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)DSP片上的多通道緩沖串口（Mcbsp）來(lái)實(shí)現(xiàn)；D/A轉(zhuǎn)換器控制由FPGA內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換接口模塊接收DSP傳來(lái)的數(shù)字量并控制邏輯時(shí)序；計(jì)算機(jī)調(diào)試接口采用RS232。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 DSP模塊

　　32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812整合了DSP和微控制器的最佳性能，能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成32×32 bit的乘法運(yùn)算,或2個(gè)16×16 bit乘法累加運(yùn)算，處理速度最高可達(dá)150 MIPS。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),內(nèi)核電壓為1.8 V@135 MHz,1.9 V@150 MHz, I/O端口電壓3.3 V[4,5]。其先進(jìn)的內(nèi)部和外設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，能夠真正實(shí)現(xiàn)單片控制,為電機(jī)的伺服控制提供了良好的控制功能[6]。

　　DSP的功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，在此主要實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)指令，完成位置環(huán)和速度環(huán)反饋的雙閉環(huán)控制算法，以及速度的PID調(diào)節(jié)，產(chǎn)生PWM輸出。由于實(shí)際工作環(huán)境較為復(fù)雜，所以選用了抗干擾能力強(qiáng)的CAN總線作為與上位機(jī)的通信方式，TMS320F2812內(nèi)部集成了一個(gè)eCAN模塊，只需增加相應(yīng)的CAN收發(fā)器外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)通信。根據(jù)系統(tǒng)采樣頻率調(diào)整事件管理器的定時(shí)器，控制寄存器的控制字來(lái)設(shè)定PWM工作方式和頻率，通過(guò)調(diào)整比較寄存器的數(shù)值來(lái)改變PWM的占空比，根據(jù)功率驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)設(shè)置死區(qū)控制寄存器的數(shù)值來(lái)調(diào)整死區(qū)時(shí)間，通過(guò)專(zhuān)用的PWM輸出口輸出占空比可調(diào)的帶有死區(qū)的PWM信號(hào)[7]。