基于FPGA的多軸控制器設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于FPGA的多軸控制器，控制器主要由ARM7(LPC2214)和FPGA(EP2C5T144C8)及其外圍電路組成，用于同時(shí)控制多路電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。利用Verilog HDL硬件描述語言在FPGA中實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制邏輯，主要包括脈沖控制信號(hào)產(chǎn)生、加減速控制、編碼器反饋信號(hào)的辨向和細(xì)分、絕對(duì)位移記錄、限位信號(hào)保護(hù)邏輯等。論文中給出了FPGA內(nèi)部一些核心邏輯單元的實(shí)現(xiàn)，并利用QuartusⅡ、Modelsim SE軟件對(duì)關(guān)鍵邏輯及時(shí)序進(jìn)行了仿真。實(shí)際使用表明該控制器可以很好控制多軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高精度地位置控制。
關(guān)鍵詞：VerilogHDL；FPGA；多軸控制器；編碼器；四細(xì)分

    隨著電機(jī)廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性和精度上的要求越來越高。如何靈活、有效地控制電機(jī)的運(yùn)行成為研究的主要方向。文中采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)，通過Verilog語言編程來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。利用FPGA設(shè)計(jì)具有硬件設(shè)計(jì)軟件化、高度集成化、高工作頻率等優(yōu)點(diǎn)。FPGA最大的特點(diǎn)就是靈活，實(shí)現(xiàn)你想實(shí)現(xiàn)的任何數(shù)字電路，可以定制各種電路，減少受制于專用芯片的束縛，真正為自己的產(chǎn)品量身定做。在設(shè)計(jì)的過程中可以靈活的更改設(shè)計(jì)，而且它強(qiáng)大的邏輯資源和寄存器資源可以讓你輕松的去發(fā)揮設(shè)計(jì)理念。其并行執(zhí)行，硬件實(shí)現(xiàn)的方式可以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)中大量的高速電子線路設(shè)計(jì)需求。

1 多軸控制器主要功能
    多軸控制器與上位機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等配合使用，圖1為采用多軸控制器組成的控制系統(tǒng)總體示意圖?？刂破鹘邮丈衔粰C(jī)發(fā)送的控制指令，分析處理并產(chǎn)生相應(yīng)的方向信號(hào)、脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，從而達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行的目的。為了提高系統(tǒng)的控制精度，將電機(jī)的編碼器信號(hào)作為反饋信號(hào)輸入給控制器(內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)辨向及四細(xì)分)。在各軸運(yùn)動(dòng)過程中，專用控制器對(duì)電機(jī)運(yùn)行的絕對(duì)位移進(jìn)行記錄，并且可以實(shí)時(shí)地將各軸的絕對(duì)位置信息上傳給上位機(jī)。另外在電機(jī)運(yùn)行的過程中，為了保證電機(jī)運(yùn)行的安全性，控制器還采用了限位信號(hào)反饋實(shí)現(xiàn)全硬件保護(hù)措施。

2 多軸控制器組成
    專用控制器由ARM(LPC2214)、FPGA(EP2C5T144C8)、驅(qū)動(dòng)器接口電路、編碼器接口電路、限位檢測(cè)電路和電源電路等組成，如圖2為一個(gè)八軸電機(jī)控制器的硬件組成圖。ARM通過串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，解析從上位機(jī)獲得的控制指令，并通過FPGA產(chǎn)生相應(yīng)輸出信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器接口，驅(qū)動(dòng)器接口外接驅(qū)動(dòng)器。編碼器信號(hào)作為位置反饋信號(hào)同編碼器接口相連，形成位置環(huán)反饋。限位信號(hào)作為安全檢測(cè)信號(hào)同限位檢測(cè)接口相連，為整個(gè)系統(tǒng)添加一道安全保障。

3 FPGA控制邏輯
    專用控制器在完成整個(gè)控制的過程中，ARM只負(fù)責(zé)指令解析、控制指令發(fā)送、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳等任務(wù)，F(xiàn)PGA才是多軸專用控制器的核心。通過Verilog HDL語言在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了加減速曲線、編碼器信號(hào)辯向及四細(xì)分、絕對(duì)位移記錄等功能。圖3為電機(jī)控制的整體輸入、輸出信號(hào)圖，通過片選信號(hào)CS、讀有效信號(hào)rd_enable、寫有效圖信號(hào)wr_enable進(jìn)行電機(jī)通道選擇。圖4給出了1#通道控制的FPGA內(nèi)部邏輯示意圖，下面將逐一對(duì)各主要模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

    1)加減速曲線模塊
    為了更有效、更理想地控制電機(jī)的運(yùn)行，在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了加減速曲線模塊。文中采用了一種近似指數(shù)加減速曲線的方法，如圖5為近似指數(shù)加速曲線，減速曲線與之對(duì)稱。速度等距分布，那么在該速度級(jí)上保持的時(shí)間不一樣場(chǎng)。為了簡化，用速度級(jí)數(shù)N與一個(gè)常數(shù)C的乘積去模擬并且保持的時(shí)間用不熟來代替。因此，速度每升一級(jí)，電機(jī)都要在該速度級(jí)上走NC步(其中N為該速度級(jí)數(shù))。

    建立兩個(gè)名為rom_pos、rom_div的ROM模塊，如圖6所示，rom_pos為脈沖個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器，rom_div為分頻值存儲(chǔ)器。通過相同的地址線將兩個(gè)存儲(chǔ)器連接起來，使一個(gè)地址對(duì)應(yīng)一組脈沖個(gè)數(shù)和分頻值。
    FPGA獲得方向信號(hào)、脈沖(距離)信號(hào)、目標(biāo)分頻值之后．如果電機(jī)運(yùn)行過程中不需要加減速，直接以目標(biāo)分頻值控制脈沖信號(hào)的發(fā)送即可。如果需要執(zhí)行加減速，則FPGA內(nèi)部要調(diào)用加減速模塊。根據(jù)地址線獲取一組數(shù)據(jù)，即脈沖個(gè)數(shù)pul_cnt和分頻值div_num，以div_num大小的分頻值發(fā)送pul_cnt個(gè)脈沖，然后再按照下一組數(shù)據(jù)值發(fā)送脈沖，直到分頻值達(dá)到目標(biāo)分頻值為止，減速過程與加速過程對(duì)稱。當(dāng)電機(jī)按照脈沖(距離)信號(hào)運(yùn)行到一半行程的時(shí)候，如果分頻值還未達(dá)到目標(biāo)分頻值，此時(shí)就要進(jìn)行強(qiáng)制減速。
    編寫仿真程序，使兩個(gè)存儲(chǔ)器地址線相同，對(duì)存儲(chǔ)器地址address做加1運(yùn)算，從而可一次性讀取兩個(gè)存儲(chǔ)器所對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)。利用Modulesim仿真工具對(duì)加減速模塊進(jìn)行功能仿真，仿真結(jié)果如圖7所示，訪問一個(gè)存儲(chǔ)器地址就對(duì)應(yīng)著一組脈沖個(gè)數(shù)和分頻值的輸出。

    2)編碼器反饋辨向及四細(xì)分
    編碼器反饋信號(hào)由A、B、Z三相信號(hào)組成。A、B兩相信號(hào)相位相差90度，一個(gè)周期內(nèi)A、B相信號(hào)會(huì)出現(xiàn)4種不同的組合狀態(tài)，根據(jù)這一特征可以對(duì)編碼器信號(hào)進(jìn)行辯相和四細(xì)分處理。Z相信號(hào)為編碼器零位信號(hào)，當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)一圈，Z相就會(huì)有信號(hào)輸出。
    在QuartusⅡ編譯環(huán)境下成功編譯之后，調(diào)用Modulesim仿真軟件，編寫仿真程序，使之產(chǎn)生全局時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)、相位差為90度的A、B相信號(hào)和Z相信號(hào)。如圖8所示，給出了該多軸控制器中所采用的編碼器信號(hào)辯相及四細(xì)分的功能仿真圖。
    3)絕對(duì)位移記錄
    多軸專用控制器可以將電機(jī)運(yùn)行的絕對(duì)位移實(shí)時(shí)地上傳給上位機(jī)，這一功能的實(shí)現(xiàn)就有賴于FPGA中的絕對(duì)位移記錄部分的邏輯功能。在FPGA內(nèi)部設(shè)置一個(gè)絕對(duì)位移寄存器，用來對(duì)編碼器反饋信號(hào)(辨向四細(xì)分之后)進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算。當(dāng)編碼器信號(hào)的一個(gè)脈沖到來時(shí)，根據(jù)辯向后的方向信號(hào)做不同的運(yùn)算處理。方向?yàn)檎齽t絕對(duì)位移寄存器的值就進(jìn)行加1運(yùn)算，否則進(jìn)行減1運(yùn)算，從而達(dá)到對(duì)絕對(duì)位移進(jìn)行記錄的目的。并且ARM可以隨時(shí)讀取該絕對(duì)位移寄存器的值，然后將其值上傳給上位機(jī)，從而完成實(shí)時(shí)上傳電機(jī)運(yùn)行位置信息的功能。編寫仿真程序?qū)^對(duì)位移寄存器進(jìn)行功能仿真，結(jié)果如圖9所示。

4 結(jié)束語
    該方案成功已應(yīng)用于某6軸Stewart平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制中，在實(shí)現(xiàn)了0．1μm的運(yùn)動(dòng)定位精度的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)得到了很好的保護(hù)，多次實(shí)驗(yàn)及實(shí)際使用中，該專用控制器運(yùn)行安全可靠。