郭志潔
(南京科安電子有限公司,江蘇南京 210009)
球型攝像機(jī)高速運(yùn)動控制驅(qū)動策略的SoC實現(xiàn)方案
——系統(tǒng)綜合篇
郭志潔
(南京科安電子有限公司,江蘇南京 210009)
作者描述了作為高速球形攝像機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)主要執(zhí)行元件——步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動控制的SoC實現(xiàn)方案。報告應(yīng)用基于模型的分析描述以及基于步進(jìn)電機(jī)特性的物理分析結(jié)果,設(shè)計了一種在單芯片(SoC,System On Chip)上實現(xiàn)的新型高速球形攝像機(jī)運(yùn)動控制的電子系統(tǒng)級方案。該方案針對步進(jìn)電機(jī)高精度微步驅(qū)動控制設(shè)計需求,建立了運(yùn)動控制電子系統(tǒng)微步驅(qū)動策略各個設(shè)計層次上的模型,通過仿真探索其系統(tǒng)架構(gòu)及性能優(yōu)化。這篇文章也是《單芯片實現(xiàn)高速攝像機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)的一種設(shè)計方案——(系統(tǒng)分析篇)》的續(xù)篇——系統(tǒng)綜合篇。
高速球型攝像機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動控制 建模 仿真
在系統(tǒng)分析篇中,描述了步進(jìn)電機(jī)領(lǐng)域的基本知識,分析了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)的演化,并針對步進(jìn)電機(jī)的特性經(jīng)由基于模型的仿真理解混合型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動策略的行為,提出了以步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動策略作為高速球型攝像機(jī)系統(tǒng)的位置控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。本篇從系統(tǒng)綜合的角度討論設(shè)計目標(biāo)如何在SoC電子系統(tǒng)級平臺實現(xiàn)的方法。
將若干相互有邏輯聯(lián)系的實體為某些確定目的性而設(shè)計成統(tǒng)一的實體,這個過程相對于系統(tǒng)分析而言就是系統(tǒng)綜合。
圖1
SoC,在芯片上實現(xiàn)的系統(tǒng)。SoC將電子系統(tǒng)幾乎全部的功能集成到一塊芯片上,從而在單個芯片上能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、存儲、處理和I/O等多種功能。SoC應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)涉及到有關(guān)技術(shù)手段的創(chuàng)新。
1.1.1 軟硬件協(xié)同仿真與驗證
軟硬件系統(tǒng)仿真的目的是在系統(tǒng)設(shè)計早期,通過仿真(模擬)的手段驗證硬件虛擬模型和軟件算法以及發(fā)現(xiàn)軟硬件系統(tǒng)集成方面的問題。
1.1.2 設(shè)計重用技術(shù)
設(shè)計重用是基于SoC系統(tǒng)平臺的,具有系統(tǒng)構(gòu)造的模塊化形式以及知識和經(jīng)驗延續(xù)的繼承性,節(jié)約稀缺的設(shè)計資源。
1.1.3 可重構(gòu)計算技術(shù)
圖2 球形攝像機(jī)步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動策略運(yùn)動控制系統(tǒng)頂層抽象模型
可重構(gòu)計算技術(shù)(Configurable Computing)是以可編程邏輯芯片為硬件基礎(chǔ),能根據(jù)應(yīng)用需求動態(tài)地配置系統(tǒng)的功能和規(guī)格,使系統(tǒng)具有柔性和高性能。
1.1.4 軟硬件劃分策略
高速球形攝像機(jī)系統(tǒng)中需要四個恒定電流斷路控制器來同時控制兩個步進(jìn)電機(jī),由于斷路器要求連續(xù)循環(huán)的PWM輸出控制,MCU的開銷非常大。由FPGA實現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計來執(zhí)行驅(qū)動策略卻是非常合理的。由此,軟硬件的劃分策略是這樣確定的:所有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的控制算法都由SoC芯片上的FPGA資源來實現(xiàn);讓SoC的MCU只通過最簡單的控制指令直接控制電機(jī)驅(qū)動部件。
1.2.1 有限狀態(tài)機(jī)
有限狀態(tài)機(jī)是一種數(shù)學(xué)抽象,既能表達(dá)數(shù)字邏輯又能執(zhí)行計算機(jī)編碼的程序,它形式化地定義為:
一個確定性有限狀態(tài)機(jī)是一個五元組(Σ,S,s0,,δ,F),
這里,Σ是輸入字母表,一個有限、非空的符號集合。
S是一個有限、非空的狀態(tài)集合。
s0是S的一個初始狀態(tài)。
δ是狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù):
δ:S Χ Σ→S表示,確定性有限狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移函數(shù)δ根據(jù)輸入字表Σ和狀態(tài)S按δ定義的運(yùn)算Χ改變狀態(tài)S。
F是有限狀態(tài)的集合,是S的子集(有可能是空的)。
有限狀態(tài)機(jī)是規(guī)定系統(tǒng)整體行為約束的有效方法。處于某一狀態(tài)意味著系統(tǒng)只響應(yīng)所有允許輸入的一個子集,只產(chǎn)生可能響應(yīng)的一個子集,并且改變狀態(tài)也只是所有可能狀態(tài)的一個子集。
狀態(tài)機(jī)在這里是用程序語言代碼形式構(gòu)建的,從編碼的角度看它就是邏輯狀態(tài)機(jī),switch-case 語句結(jié)構(gòu)最適合描述狀態(tài)機(jī)語義:代碼對不同的歷史狀態(tài)(state)作出響應(yīng)(case),根據(jù)輸入字母表(input),決定狀態(tài)(S)的賦值,完成其轉(zhuǎn)移。狀態(tài)機(jī)模型可以用來開發(fā)算法和計算機(jī)目標(biāo)程序,幫助評估早期系統(tǒng)設(shè)計算法的行為,在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動策略模型的開發(fā)中是很關(guān)鍵的。
1.2.3 狀態(tài)機(jī)模型設(shè)計數(shù)字邏輯電路
數(shù)字電路設(shè)計使用的層次抽象概念把系統(tǒng)對象分成兩個基本的領(lǐng)域,一個是行為域(部件通過定義它的輸入/輸出響應(yīng)來描述),一個是結(jié)構(gòu)域(部件通過一些更基本部件的互連拓?fù)鋪砻枋?。狀態(tài)機(jī)模型用于行為域時,用算法和數(shù)據(jù)流來描述行為。當(dāng)要設(shè)計數(shù)字邏輯電路的時候,就要從算法轉(zhuǎn)換到門電路,從行為域轉(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)域。換言之,就是要將基于模型的描述轉(zhuǎn)換為硬件描述語言(HDL),這在驅(qū)動策略模型的實現(xiàn)過程中也得到重要應(yīng)用。
圖3 微步驅(qū)動PWM周期中的電流衰減模式
圖4 使用方波替代微步驅(qū)動模式的試驗,在平直的頂部可清晰顯示混合衰減波形
1.3.1 芯片上的系統(tǒng)部件和PCB上的系統(tǒng)器件
圖1實際的商品化SoC芯片。集成了ARM MCU硬核及子系統(tǒng),FPGA,模擬計算引擎等。
(1)芯片上的系統(tǒng)部件:圖1頂部顯示的是一種智能融合的SoC芯片,它具有:完全可定制系統(tǒng)能力,知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)能力以及高效的設(shè)計生產(chǎn)力。
廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院積極響應(yīng)“大眾創(chuàng)新,萬眾創(chuàng)業(yè)”的時代號召,從加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)和實踐引領(lǐng)兩方面提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。首先是倡導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識經(jīng)營創(chuàng)業(yè)項目,一來可以提高學(xué)生創(chuàng)業(yè)素養(yǎng),二來可以讓學(xué)生自己提供專業(yè)實踐平臺,自己辦企業(yè),自己做宣傳平臺;其次,鼓勵學(xué)生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”、挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽,學(xué)生通過在比賽中和社會精英交流新思想不斷加強(qiáng)實踐能力,教師也可以在指導(dǎo)學(xué)生競賽過程中更好指導(dǎo)學(xué)生實踐,達(dá)到教學(xué)相長的目的;再次是講“創(chuàng)新實踐”以學(xué)分形式寫入人才培養(yǎng)模式,即學(xué)生除了完成1個學(xué)分的課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,再修滿1個創(chuàng)業(yè)實踐學(xué)分,全面提升學(xué)生的創(chuàng)業(yè)實踐素質(zhì)。
(2)PCB上的系統(tǒng)器件:圖1底部顯示的是位置控制系統(tǒng)的板級器件,包括了步進(jìn)電機(jī)、取樣元件和H橋部件。
1.3.2 硬件實現(xiàn)的控制算法部件
(1)基于模型的設(shè)計方法:
圖2所示的就是一個球型攝像機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)的頂層抽象。同時,它也是我們要在一個混合信號和FPGA及MCU硬核架構(gòu)上實現(xiàn)的SoC高層系統(tǒng)描述。
圖5 調(diào)整微步驅(qū)動的衰減參數(shù)可以使其定子繞組線圈中的電流波形達(dá)到比較理想的正弦/余弦曲線
(2)基于模型的系統(tǒng)描述。微步模式的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計,從設(shè)計頂層的視角來看,有三個模塊:控制命令,微步算法,及控制驅(qū)動器。SoC系統(tǒng)的軟硬件劃分如下:
1)MCU實現(xiàn)的功能:啟動指令由Signal Builder模塊給出,微步模式的設(shè)置參數(shù)由一個常數(shù)模塊輸出。在SoC環(huán)境中步進(jìn)指令和模式設(shè)置的信號由MCU實現(xiàn)控制,因為MCU最接近人機(jī)交互。MCU通過簡單的數(shù)字接口與控制算法連接。
2)控制算法狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)的功能:半步驅(qū)動模式經(jīng)過優(yōu)化和擴(kuò)充得到適用于微步驅(qū)動模式的控制策略。由FPGA硬件資源實現(xiàn)高性狀態(tài)機(jī)設(shè)計和基于硬件的查找表技術(shù)可達(dá)1/256的微步細(xì)分,只要選擇預(yù)置的微步參數(shù)就可以實現(xiàn)有效范圍內(nèi)靈活的微步模式控制策略。
3)微步控制策略驅(qū)動器實現(xiàn)的功能:這部分是設(shè)計微步控制策略驅(qū)動模式的重點。利用SoC混合數(shù)字和模擬信號系統(tǒng)資源,設(shè)計實現(xiàn)傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動專用集成電路具有的功能。包括從控制策略的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到H-橋輸出控制邏輯信號之間的所有功能部件。從模型輸出的數(shù)據(jù)曲線圖形可以看出,仿真的結(jié)果是設(shè)計所需要表現(xiàn)的行為:示波器顯示的微步驅(qū)動模式的兩相波形已經(jīng)接近理想正弦/余弦的曲線,步進(jìn)角度已經(jīng)被細(xì)分為很小的微步,而步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格并沒有升級。因此,按照基于模型的設(shè)計技術(shù)概念,圖2表示的模型是設(shè)計需求的一個可執(zhí)行規(guī)范也是一個驗證確認(rèn)的測試基準(zhǔn),并且可進(jìn)一步發(fā)展出更加詳盡的設(shè)計-驗證平臺。
4)微步模式的規(guī)格指標(biāo):通過前文對步進(jìn)電機(jī)電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究,我們知道從全步電氣角度開始按2-1的m+2次冪的細(xì)分將產(chǎn)生機(jī)械步距角按2-1的m次冪的微步。當(dāng)選擇參數(shù)1/64細(xì)分時(m=4)將得到1.8/16=0.1125°的微步角??梢杂嬎愠?當(dāng)主機(jī)在0.5秒鐘內(nèi)發(fā)出20個步進(jìn)脈沖時,步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該到達(dá)20x0.1125=2.25°的角位置。從這個模型顯示的角度曲線可以看出在0.5秒鐘時刻累計步進(jìn)到達(dá)穩(wěn)定的角位置剛好就是這個數(shù)值。在設(shè)計微步驅(qū)動器的時候這個細(xì)分的比例關(guān)系將會被用到,它是衡量微步細(xì)分的規(guī)格指標(biāo)。
(3)微步驅(qū)動控制器的設(shè)計技術(shù)。在系統(tǒng)分析篇提出用理想的正弦/余弦電流激勵混合型雙極步進(jìn)電機(jī)使其得到極平滑的步角輸出。圖2中示波器顯示的A相和B相圖波形就是正弦/余弦規(guī)律的驅(qū)動激勵。如果我們設(shè)計的微步驅(qū)動控制原型能夠在步進(jìn)電機(jī)定子的兩個繞組中產(chǎn)生正弦/余弦電流,那么從原理和功能上就具備實現(xiàn)以微步驅(qū)動控制策略的條件。利用SoC的DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換)正好可以生成正弦/余弦信號,這些信號將作為微步控制恒定電流參考目標(biāo)值,反饋系統(tǒng)將定子繞組內(nèi)的實際測量的電流與它們相比較,而微步驅(qū)動控制策略通過步進(jìn)電機(jī)相位電流的控制技術(shù)方案來實現(xiàn)。
以開關(guān)切換加電/斷電方式作用到繞組線圈上時,反向電動勢產(chǎn)生的感生電流將會以磁能的形式儲存于線圈中。這部分能量如不能及時地衰減掉,將會導(dǎo)致下一個脈沖施加后的電流處于不受控的電平值上。對于微步驅(qū)動模式來說,要讓相電流完全跟蹤正弦/余弦規(guī)律更須精細(xì)地設(shè)計PWM控制器。如果能控制得好,平穩(wěn)地利用感生電動勢這部分能量至少可以節(jié)省大約三分之一的電力。
如果從狀態(tài)機(jī)的概念出發(fā),相電流的控制分為充電和放電兩個基本狀態(tài)。H橋電路拓?fù)湓诜烹娖陂g,如果回路中只存在供電電源,線圈中產(chǎn)生的反向電動勢將向供電電源放電,電流變化的速率只取決于回路的時間常數(shù)。如果我們設(shè)計一種使感生電流沿不同路徑衰減的放電路徑控制技術(shù),就可以得到不同質(zhì)量的激勵電流曲線。圖3揭示了在放電狀態(tài)中的三種不同模式的衰減策略:快速衰減(Fast decay)、慢速衰減(Slow decay),和混合衰減(Mixed Decay)。因為在H橋電路拓?fù)渲械亩O管和受控開關(guān)晶體管一道組合成不同的電流釋放路徑,所以繞組線圈內(nèi)儲存的磁場得到這三種不同的衰減模式的控制。設(shè)計將證明這三種衰減模式的應(yīng)用對于達(dá)到優(yōu)良質(zhì)量的微步驅(qū)動控制是非常關(guān)鍵的。
1.3.3 系統(tǒng)設(shè)計模型的功能仿真驗證和迭代
進(jìn)入圖2“DriveAlgorithm”模型的下層結(jié)構(gòu),從測試模塊中的兩相電流示波器,可以看到圖5(a)所示的電流波形:定子繞組的電流傳感器,獲得A、B相的電流I_windingA和I_windingB,它們的曲線包絡(luò)已經(jīng)顯示出是正弦/余弦規(guī)律的。
基于SoC的混合信號處理系統(tǒng)技術(shù)的軟硬件協(xié)同設(shè)計帶來的益處是非常明顯的:一種設(shè)計可以適用于多種模式的驅(qū)動策略,而且硬件形式的配置可以由軟件實現(xiàn)遠(yuǎn)程更新和維護(hù)。在處理掉相電流波形毛刺之前,很方便就引入單相方波信號來觀察研究這些毛刺的產(chǎn)生和消除,見圖4的理論策略和仿真實現(xiàn)的波形對比。首先這種對比結(jié)果反映了微步驅(qū)動控制策略核心系統(tǒng)行為在設(shè)計上是正確的,其次得到結(jié)論是這些帶有尖刺的電流波形可以通過衰減調(diào)理來改善。
1.3.4 微步驅(qū)動模式定子繞組電流波形質(zhì)量的改善
圖5顯示了通過調(diào)理負(fù)載電流的衰減模式是微步驅(qū)動得到平滑的轉(zhuǎn)矩輸出的過程。圖5(a)給出的是混合衰減模式的中等調(diào)理級別:快速衰減和慢速衰減時間相等并且等于PWM周期的一半。圖5(a)左邊的波形上面可以看到存在明顯的相電流噪聲。圖5(b)仍然保持兩種衰減作用對等,但是將PWM周期調(diào)整到最小,這時候的電流輸出波形就平滑多了。圖5(c)是在(b)的基礎(chǔ)上將斷路頻率進(jìn)一步提高25%可以更加平滑波形,但是波形改善就不太明顯了。圖5(b)和(c)的波形質(zhì)量得到了提高,但不像方波驅(qū)動的電流,這里并沒有通過關(guān)閉快速衰減來實現(xiàn)波形的平滑。
如果我們在這個模型上做一些試驗,將某一相(如A相)繞組的快速衰減徹底關(guān)閉后,正弦曲線的上升段平滑但是它的下降段出現(xiàn)了嚴(yán)重的失真。這是因為定子繞組在連續(xù)的充電周期的作用下磁場累積造成電流波形在下降段凸起,凸起的波形反映了低頻分量的失真,這甚至是更加嚴(yán)重的問題,它將造成轉(zhuǎn)矩輸出非常不穩(wěn)定。所以,快速衰減和慢速衰減都是很重要的,對微步驅(qū)動策略來說尤其如此。
根據(jù)仿真實驗,很快產(chǎn)生了采用分段衰減調(diào)理的方法以進(jìn)一步解決波形平滑不均勻的技術(shù):由于快速衰減和慢速衰減的作用各占一半,在正弦函數(shù)的導(dǎo)數(shù)大于零之處毛刺很大,而在導(dǎo)數(shù)小于零處則不是這樣,這說明快速衰減造成的噪聲對正弦函數(shù)導(dǎo)數(shù)大于零時段敏感。所以,在導(dǎo)數(shù)大于零時將快速衰減關(guān)閉,而等到正弦曲線過了極值開始下降時再將快速衰減模式打開,這樣原來50% 快慢混合衰減時出現(xiàn)的中等噪聲的激勵電流波形就變?yōu)檩^光滑;如果進(jìn)一步將快速衰減和慢速衰減的定時參數(shù)減少,也就是提高PWM的頻率,激勵電流的波形就非常理想了。
基于模型的設(shè)計和驗證技術(shù),可以通過仿真不斷提煉目標(biāo)模型,最終可以得到對所做的設(shè)計有比較完整的認(rèn)識并根據(jù)目標(biāo)模型進(jìn)一步推進(jìn)設(shè)計過程,以便更深入地研究一些現(xiàn)象并盡早驗證設(shè)計概念。由于有了一個可以評估的驅(qū)動模型,就能夠在此基礎(chǔ)上通過步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動的工程經(jīng)驗和理論方法實行改進(jìn)從而更早地得到更優(yōu)良的設(shè)計原型?;谀P偷脑O(shè)計方法學(xué)提供了一個機(jī)會,明顯地使設(shè)計人員比用傳統(tǒng)的方法更容易控制設(shè)計的過程和結(jié)果以及稀缺資源。
從功能仿真的目的出發(fā),基于模型的設(shè)計技術(shù)得到能夠運(yùn)行的設(shè)計規(guī)范、得到系統(tǒng)部件的軟硬件邊界、得到微步驅(qū)動功能要求的控制器系統(tǒng)架構(gòu)、得到數(shù)字系統(tǒng)可綜合的硬件描述語言源代碼,還得到了可反復(fù)驗證設(shè)計的環(huán)境。當(dāng)模型經(jīng)過提煉,又具備很好的接口時,就有可能作為模型庫來使用。在此基礎(chǔ)上建立的微步驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)的一級近似就可以隨之推進(jìn)該設(shè)計過程到有目標(biāo)實物參與的仿真或調(diào)試的階段。
位置控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件特性決定了控制算法,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)對高速運(yùn)動和精確定位的性能提高是非常關(guān)鍵的,好的驅(qū)動策略往往可以降低對步進(jìn)電機(jī)步距角精度的要求,并且得到優(yōu)化的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特性。
現(xiàn)代計算機(jī)科學(xué)和工程給微電機(jī)應(yīng)用技術(shù)帶來了全新的面貌,人們認(rèn)識電磁規(guī)律的手段也發(fā)生了革新?;陔娮酉到y(tǒng)級的應(yīng)用軟件能夠通過建模、仿真和設(shè)計迭代,極大改進(jìn)電子系統(tǒng)的設(shè)計。
SoC,在芯片上實現(xiàn)的系統(tǒng),芯片上所有可編程和可重構(gòu)硬件資源都可為系統(tǒng)建模、仿真和執(zhí)行的設(shè)計過程提供迭代環(huán)境,并為實現(xiàn)產(chǎn)品差異化目標(biāo)構(gòu)建了技術(shù)基礎(chǔ)。它不僅帶來了承載設(shè)計實體器物上的完善,也會發(fā)生設(shè)計過程形而上的進(jìn)化。
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This article describes for implementing micro-steps driving by SoC solution of the stepper motors which are primary actuator of the position control in the high speed dome camera systems. It reports state of the art based-models technology. It analyses characteristics of the stepper motors and design a solution that adapt on the SoC implemented for a novel high speed dome camera position control electronic system. This solution aim at control technic demands of design for driving high precision stepper motors. The solution also done modeling position control systems on every level of the hierarchy for design the electronic system and explored its system framework with the optimized for performances by simulation.
High speed dome camera Stepper motor Driving control Building model Simulation
郭志潔(1955年5月16日—),男,江蘇南京人,漢族,研發(fā)工程師,研究方向:仿真技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用。