一種三軸伺服控制器的設計優(yōu)化

目前伺服控制器的設計多以DSP或MCU為控制核心，伺服控制器是用來(lái)控制伺服馬達的一種器件，一般是通過(guò)位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進(jìn)行控制，實(shí)現高精度的傳動(dòng)系統定位。 從結構上看，伺服控制器和變頻器差不多，但對元器件的要求精度和可靠性更高。目前主流的伺服控制器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現比較復雜的控制算法，實(shí)現數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動(dòng)電路，IPM內部集成了驅動(dòng)電路，同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對驅動(dòng)器的沖擊。

1 總體方案

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數有限的缺點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一，因此在設計中采用FPGA為控制核心。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：采用FPGA設計ASIC電路，用戶(hù)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內部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

目前以硬件描述語(yǔ)言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設計，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進(jìn)行測試，是現代 IC 設計驗證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來(lái)實(shí)現一些基本的邏輯門(mén)電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數學(xué)方程式。在大多數的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。

整個(gè)控制器由控制和驅動(dòng)兩部分組成，其結構如圖1所示?？刂撇糠钟蒄PGA及一些附件組成，該控制器能夠獨立完成三軸控制器的電機驅動(dòng)波形發(fā)生、閉環(huán)運算與控制、與上位機通信等任務(wù)，附件主要用來(lái)完成電樞電流的反饋等功能。驅動(dòng)模塊由光電耦合器件和放大驅動(dòng)芯片等組成。該控制器的最終控制目標為對驅動(dòng)三軸的力矩電機進(jìn)行高精度定位與驅動(dòng)。

由于本控制器所應用的機載平臺為三軸結構，因此，控制器采用獨立式控制，三個(gè)相對獨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。調整PID參數，通過(guò)控制電壓來(lái)控制跟蹤瞄準精度，使得跟蹤瞄準精度逐漸提高，達到所需盼精度要求。

2 控制器硬件與軟件的設計與實(shí)現

本伺服控制器以FPGA為核心，在硬件設計中主要進(jìn)行了驅動(dòng)模塊設計、控制模塊設計和通信模塊設計。FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片FPGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設模式可以將FPGA作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。

驅動(dòng)模塊主要包括控制波產(chǎn)生單元、力矩電機光電編碼器信號采集與處理、可編程死區發(fā)生器等部件。在驅動(dòng)模塊中輔助芯片采用可編程器件EPlK30QC208，它采用可重構的CMOS SRAM工藝，把連續的快速通道與獨特的嵌入式陣列（EAB）相結合，同時(shí)結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，D/A轉換器件采用雙通道DAC芯片DAC5573，相對TLC2543來(lái)說(shuō)，硬件的連接簡(jiǎn)單很多，因為它采用標準的I2C總線(xiàn)，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)現兩者之間的通信?？刂颇K方面速度環(huán)節和位置環(huán)節分別采用PD和PID控制。由于本控制器以控制直流力矩電機為最終目的，因此在控制模塊的設計方面需要研究力矩電機的驅動(dòng)及其電壓值獲取。在本控制器設計過(guò)程中需要對上述各項進(jìn)行綜合控制與處理，以達到合理地控制開(kāi)銷(xiāo)和控制精度的平衡。在三軸伺服裝置中選用PID控制算法。

在控制模塊的設計中速度與位置調節的是整個(gè)控制的主體，本伺服控制器完成輸入信號與輸出信號的比較，再通過(guò)位置校正、速度校正、機械諧振校正之后，校正后的信號控制PWM發(fā)生器的占空比，具有一定占空比的PWM信號控制PWM功率級，進(jìn)而驅動(dòng)被控對象。

基于FPGA的三軸伺服控制器的通信模塊設計在硬件設計中也占有很大的比重。整體的通訊設計接口采用基于RS232的通用串口通信方式。采用這種接口方式能夠在滿(mǎn)足系統現場(chǎng)編程通信的同時(shí)滿(mǎn)足系統的遠程通信要求。該通信模塊采用一個(gè)帶有UART口的MCU，由于該MCU的數據都是立即數，在運行過(guò)程中并沒(méi)有取數據操作，因此設計的流水線(xiàn)結構采用三級結構，分別為取指令、譯碼和指令執行。而MCU的指令地址則由程序計數器給出。在通信模塊的設計主要考慮的是正常上位機通信的進(jìn)行和遠程監控通信的有效實(shí)施。

本三軸伺服控制器的硬件設計需要配合軟件才能有效運行，該控制器軟件設計的主要任務(wù)是：完成對接口的初始化；上位機能夠對獨立控制三軸的伺服控制設備進(jìn)行指令控制；對于光電編碼器反饋的速度信號和位置信號進(jìn)行讀取和分析處理；根據反饋的數據和外部的腔制命令完成整個(gè)控制系統的閉環(huán)控制。其具體的主程序控制流程圖如圖2所示。

本控制器軟件的關(guān)鍵是PWM信號的設定與輸出，一方面要考慮外部的輸入角度，另一方面要考慮系統的反饋。要實(shí)現高精度的三軸定位，必須有一套合理的信號產(chǎn)生機制。系統的中斷設計也是本控制器的重要研究?jì)热?，因為本控制器采用相對獨立的三軸控制方式，在保證各軸獨立運行的同時(shí)要兼顧到整體的運行情況，且在運行過(guò)程中一旦某一部分出現問(wèn)題，其他所有的部分都要同時(shí)采取一定的措施解決這個(gè)問(wèn)題。