基于FPGA的三軸伺服控制器設計與實(shí)現
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控制模塊方面速度環(huán)節和位置環(huán)節分別采用PD和PID控制。因此在控制器設計中需要在這方面有所體現。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。引入通常的PID控制算法，并考慮功率放大、位置檢測環(huán)的增益和速度環(huán)的PD控制算法，給定三軸電樞電壓。
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。如此就可以得到本伺服控制器在反饋環(huán)節中所需要的力矩電機位置信息，利用該位置信息對三軸平臺實(shí)現高精度控制。
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。該設計采用了雙PC設計，這樣能夠極大地減少復位時(shí)間，使上述MCU不會(huì )因為外界的干擾而錯誤地執行指令，這樣就能提高系統的可靠性。
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。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/191569.htm
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。限于篇幅，本文并未列出該三軸伺服控制器的軟件程序。
3 性能測試
為了驗證所設計的三軸伺服控制器的有效性，對基于FPGA的控制、通信等模塊進(jìn)行了基于軟件的Modelsim的仿真測試。首先進(jìn)行了該控制模塊的單次運行時(shí)間，本三軸伺服控制器的單次運行的平均時(shí)間為483ns，這種結果基本滿(mǎn)足了該控制平臺的實(shí)時(shí)性要求。系統的通信功能測試主要針對控制器的在線(xiàn)編程和上位機遠程控制進(jìn)行。以普通筆記本作為上位機，采用串口通信軟件與該控制器進(jìn)行通信，完成系統的三個(gè)力矩電機的啟動(dòng)、加速、調速、換向、制動(dòng)等功能?？刂破鲄档脑诰€(xiàn)編程也完全能夠滿(mǎn)足。
在性能測試方面還進(jìn)行了該控制器的調速性能測試、及時(shí)中斷性能測試、故障自動(dòng)報警與處理性能測試、三軸綜合配合高精度定位測試等一系列測試。從仿真測試結果上看，所設計的基于FPGA的三軸伺服控制器基本能夠滿(mǎn)足該機載平臺的要求。
4 結語(yǔ)
以FPGA作為控制核心對某機載三軸運動(dòng)平臺的伺服控制器進(jìn)行設計，主要對其硬件中的控制、驅動(dòng)、通信模塊進(jìn)行了設計，同時(shí)給出了其軟件控制流程和部分中斷、復位等軟件程序。通過(guò)后續的仿真測試驗證了該控制器的有效性。
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