基于DSP與FPGA的跟蹤伺服運動(dòng)控制器設計

　　摘 要： 在分析光電跟蹤伺服系統特點(diǎn)的基礎上，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，設計了基于DSP和FPGA的多軸伺服運動(dòng)控制器。給出了該控制器的功能和硬件結構以及軟件流程設計。實(shí)驗結果表明，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(mǎn)足了在復雜環(huán)境下對伺服系統控制的要求。

　　在高速光電跟蹤系統中，對伺服系統的高速性、精確度和穩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用于伺服系統中，因此要求控制器能在很短的時(shí)間內完成大量的運算[1]。DSP具有較強的運算能力，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”結構得到了廣泛的應用。

　　實(shí)際應用環(huán)境一般比較復雜，有大量的信息傳遞，并且需要對電機轉速實(shí)行精確控制，因此對伺服控制器的多路通信能力，快速運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)驗平臺，本文結合光電跟蹤伺服系統的特點(diǎn)，提出一種以TI公司的32位定點(diǎn)數字信號處理器TMS320F2812為核心，以Altera公司CycloneⅡ系列FPGA為輔助處理器結構的跟蹤伺服控制器，并綜合闡述了該控制器的功能、硬件設計和軟件流程。該控制器采用單＋5 V供電，具有6路模擬信號輸入、4路模擬信號輸出、多路PWM輸出、1路CAN總線(xiàn)、2路RS422和1路RS232串行通信口，具有較強的運算能力和數據通信能力，是良好的數字控制系統實(shí)驗平臺。

　　1 總體結構設計

　　TMS320F2812作為一款專(zhuān)為電機控制所設計的芯片，不僅具有運算速度快的特點(diǎn)，而且集成了豐富的片內外設資源[3]。設計時(shí)綜合考慮DSP片上資源的充分利用、系統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轉換模塊和通信接口模塊?？刂破鞯目傮w硬件結構如圖1所示。

　　從圖1中可以看出，DSP通過(guò)CAN總線(xiàn)接收上位機指令；位置信號通過(guò)兩路RS422通信口傳給DSP作相應處理；速度信號是由DSP片上集成的QEP電路對電機產(chǎn)生的正交編碼脈沖信號進(jìn)行解碼獲得；DSP輸出的PWM信號與FPGA相連，通過(guò)FPGA內部的保護模塊后經(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之間的數據交換通過(guò)DSP片上的多通道緩沖串口（Mcbsp）來(lái)實(shí)現；D/A轉換器控制由FPGA內部的D/A轉換接口模塊接收DSP傳來(lái)的數字量并控制邏輯時(shí)序；計算機調試接口采用RS232。

　　2 硬件電路設計

　　2.1 DSP模塊

　　32位定點(diǎn)數字信號處理器TMS320F2812整合了DSP和微控制器的最佳性能，能夠在一個(gè)周期內完成32×32 bit的乘法運算,或2個(gè)16×16 bit乘法累加運算，處理速度最高可達150 MIPS。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),內核電壓為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)的內部和外設結構使得該處理器特別適合電機及其他運動(dòng)控制應用，能夠真正實(shí)現單片控制,為電機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，在此主要實(shí)現接收上位機指令，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調節，產(chǎn)生PWM輸出。由于實(shí)際工作環(huán)境較為復雜，所以選用了抗干擾能力強的CAN總線(xiàn)作為與上位機的通信方式，TMS320F2812內部集成了一個(gè)eCAN模塊，只需增加相應的CAN收發(fā)器外圍電路就可以實(shí)現通信。根據系統采樣頻率調整事件管理器的定時(shí)器，控制寄存器的控制字來(lái)設定PWM工作方式和頻率，通過(guò)調整比較寄存器的數值來(lái)改變PWM的占空比，根據功率驅動(dòng)電路的驅動(dòng)芯片來(lái)設置死區控制寄存器的數值來(lái)調整死區時(shí)間，通過(guò)專(zhuān)用的PWM輸出口輸出占空比可調的帶有死區的PWM信號[7]。