一種基于FPGA的三軸伺服控制器的設(shè)計優(yōu)化

　　在控制模塊的設(shè)計中速度與位置調(diào)節(jié)的是整個控制的主體，本伺服控制器完成輸入信號與輸出信號的比較，再通過位置校正、速度校正、機(jī)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(qū)動被控對象。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，利用該位置信息對三軸平臺實(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)計在硬件設(shè)計中也占有很大的比重。整體的通訊設(shè)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足系統(tǒng)現(xiàn)場編程通信的同時滿足系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信要求。該通信模塊采用一個帶有UART口的MCU，由于該MCU的數(shù)據(jù)都是立即數(shù)，在運(yùn)行過程中并沒有取數(shù)據(jù)操作，因此設(shè)計的流水線結(jié)構(gòu)采用三級結(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數(shù)器給出。在通信模塊的設(shè)計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)計采用了雙PC設(shè)計，這樣能夠極大地減少復(fù)位時間，使上述MCU不會因?yàn)橥饨绲母蓴_而錯誤地執(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)計需要配合軟件才能有效運(yùn)行，該控制器軟件設(shè)計的主要任務(wù)是：完成對接口的初始化;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(jù)反饋的數(shù)據(jù)和外部的腔制命令完成整個控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。其具體的主程序控制流程圖如圖2所示。

　　本控制器軟件的關(guān)鍵是PWM信號的設(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產(chǎn)生機(jī)制。系統(tǒng)的中斷設(shè)計也是本控制器的重要研究內(nèi)容，因?yàn)楸究刂破鞑捎孟鄬Κ?dú)立的三軸控制方式，在保證各軸獨(dú)立運(yùn)行的同時要兼顧到整體的運(yùn)行情況，且在運(yùn)行過程中一旦某一部分出現(xiàn)問題，其他所有的部分都要同時采取一定的措施解決這個問題。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(yàn)證所設(shè)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(yùn)行時間，本三軸伺服控制器的單次運(yùn)行的平均時間為483ns，這種結(jié)果基本滿足了該控制平臺的實(shí)時性要求。系統(tǒng)的通信功能測試主要針對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)的三個力矩電機(jī)的啟動、加速、調(diào)速、換向、制動等功能。控制器參數(shù)的在線編程也完全能夠滿足。

　　在性能測試方面還進(jìn)行了該控制器的調(diào)速性能測試、及時中斷性能測試、故障自動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(jié)果上看，所設(shè)計的基于FPGA的三軸伺服控制器基本能夠滿足該機(jī)載平臺的要求。

　　4 結(jié)語

　　以FPGA作為控制核心對某機(jī)載三軸運(yùn)動平臺的伺服控制器進(jìn)行設(shè)計，主要對其硬件中的控制、驅(qū)動、通信模塊進(jìn)行了設(shè)計，同時給出了其軟件控制流程和部分中斷、復(fù)位等軟件程序。通過后續(xù)的仿真測試驗(yàn)證了該控制器的有效性。