基于FPGA的三軸伺服控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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控制模塊方面速度環(huán)節(jié)和位置環(huán)節(jié)分別采用PD和PID控制。因此在控制器設(shè)計(jì)中需要在這方面有所體現(xiàn)。由于本控制器以控制直流力矩電機(jī)為最終目的，因此在控制模塊的設(shè)計(jì)方面需要研究力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及其電壓值獲取。在本控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)上述各項(xiàng)進(jìn)行綜合控制與處理，以達(dá)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(cè)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(shè)計(jì)中速度與位置調(diào)節(jié)的是整個(gè)控制的主體，本伺服控制器完成輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的比較，再通過(guò)位置校正、速度校正、機(jī)械諧振校正之后，校正后的信號(hào)控制PWM發(fā)生器的占空比，具有一定占空比的PWM信號(hào)控制PWM功率級(jí)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。如此就可以得到本伺服控制器在反饋環(huán)節(jié)中所需要的力矩電機(jī)位置信息，利用該位置信息對(duì)三軸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高精度控制。
基于FPGA的三軸伺服控制器的通信模塊設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)中也占有很大的比重。整體的通訊設(shè)計(jì)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(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)編程通信的同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)的遠(yuǎn)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(shù)據(jù)都是立即數(shù)，在運(yùn)行過(guò)程中并沒(méi)有取數(shù)據(jù)操作，因此設(shè)計(jì)的流水線結(jié)構(gòu)采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，分別為取指令、譯碼和指令執(zhí)行。而MCU的指令地址則由程序計(jì)數(shù)器給出。在通信模塊的設(shè)計(jì)主要考慮的是正常上位機(jī)通信的進(jìn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控通信的有效實(shí)施。該設(shè)計(jì)采用了雙PC設(shè)計(jì)，這樣能夠極大地減少?gòu)?fù)位時(shí)間，使上述MCU不會(huì)因?yàn)橥饨绲母蓴_而錯(cuò)誤地執(zhí)行指令，這樣就能提高系統(tǒng)的可靠性。
本三軸伺服控制器的硬件設(shè)計(jì)需要配合軟件才能有效運(yùn)行，該控制器軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：完成對(duì)接口的初始化；上位機(jī)能夠?qū)Κ?dú)立控制三軸的伺服控制設(shè)備進(jìn)行指令控制；對(duì)于光電編碼器反饋的速度信號(hào)和位置信號(hào)進(jìn)行讀取和分析處理；根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)和外部的腔制命令完成整個(gè)控制系統(tǒng)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://butianyuan.cn/article/191569.htm
本控制器軟件的關(guān)鍵是PWM信號(hào)的設(shè)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(tǒng)的反饋。要實(shí)現(xiàn)高精度的三軸定位，必須有一套合理的信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制。系統(tǒng)的中斷設(shè)計(jì)也是本控制器的重要研究?jī)?nèi)容，因?yàn)楸究刂破鞑捎孟鄬?duì)獨(dú)立的三軸控制方式，在保證各軸獨(dú)立運(yùn)行的同時(shí)要兼顧到整體的運(yùn)行情況，且在運(yùn)行過(guò)程中一旦某一部分出現(xiàn)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(cè)試
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的三軸伺服控制器的有效性，對(duì)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(cè)試。首先進(jìn)行了該控制模塊的單次運(yùn)行時(shí)間，本三軸伺服控制器的單次運(yùn)行的平均時(shí)間為483ns，這種結(jié)果基本滿(mǎn)足了該控制平臺(tái)的實(shí)時(shí)性要求。系統(tǒng)的通信功能測(cè)試主要針對(duì)控制器的在線編程和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行。以普通筆記本作為上位機(jī)，采用串口通信軟件與該控制器進(jìn)行通信，完成系統(tǒng)的三個(gè)力矩電機(jī)的啟動(dòng)、加速、調(diào)速、換向、制動(dòng)等功能?？刂破鲄?shù)的在線編程也完全能夠滿(mǎn)足。
在性能測(cè)試方面還進(jìn)行了該控制器的調(diào)速性能測(cè)試、及時(shí)中斷性能測(cè)試、故障自動(dòng)報(bào)警與處理性能測(cè)試、三軸綜合配合高精度定位測(cè)試等一系列測(cè)試。從仿真測(cè)試結(jié)果上看，所設(shè)計(jì)的基于FPGA的三軸伺服控制器基本能夠滿(mǎn)足該機(jī)載平臺(tái)的要求。
4 結(jié)語(yǔ)
以FPGA作為控制核心對(duì)某機(jī)載三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的伺服控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要對(duì)其硬件中的控制、驅(qū)動(dòng)、通信模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了其軟件控制流程和部分中斷、復(fù)位等軟件程序。通過(guò)后續(xù)的仿真測(cè)試驗(yàn)證了該控制器的有效性。
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