基于FPGA的旋轉(zhuǎn)反射鏡運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

王一程,唐 聰,陶會(huì)鋒,鄭 超

（紅外與低溫等離子體安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 電子工程學(xué)院，安徽合肥，230037）

基于FPGA的旋轉(zhuǎn)反射鏡運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

王一程,唐 聰,陶會(huì)鋒,鄭 超

（紅外與低溫等離子體安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 電子工程學(xué)院，安徽合肥，230037）

以一種用于光束指向控制的旋轉(zhuǎn)反射鏡為背景，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA芯片的運(yùn)動(dòng)控制器，在一塊FPGA芯片上完成控制算法實(shí)現(xiàn)、傳感器信號(hào)處理、脈寬調(diào)制方波生成、串口收發(fā)等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種運(yùn)動(dòng)控制器具有響應(yīng)速度快，可靈活配置的特點(diǎn)，能為類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供借鑒。

FPGA；運(yùn)動(dòng)控制器；旋轉(zhuǎn)反射鏡

0 引言

光束指向的控制可分為兩種方式，一是通過直接控制照射光源本身的角度來改變光束指向，二是在光源前面加裝一個(gè)平面反射鏡，通過控制反射鏡的角度來改變反射光束指向。前者用于光源的體積和重量不大且光源本身具有一定抗振動(dòng)性能的情況，如舞臺(tái)燈光；而如果光源體積或重量較大，或者不能在頻繁振動(dòng)的情況下工作，則必須采用第二種方式，例如大功率氙燈。在用于反射大功率光源的反射鏡控制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器是一個(gè)關(guān)鍵的部件，它的主要任務(wù)是將上位機(jī)發(fā)送的反射鏡角度設(shè)定信號(hào)進(jìn)行處理，得到的控制信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)兩自由度旋轉(zhuǎn)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)角度設(shè)定信號(hào)的精確和快速跟隨。

在以往的應(yīng)用中，運(yùn)動(dòng)控制器大多以單片機(jī)或DSP為核心處理器，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是靈活，編程簡單。但也存在不少的弊端，它的靈活性常常是以犧牲實(shí)時(shí)性為代價(jià)的，在程序復(fù)雜度很高的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理成本較高；而且它屬于軟處理技術(shù)，無法達(dá)到專用集成電路那樣高性能、高可靠、高一致性[1]。

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）既有門陣列的高邏輯密度和通用性，又有可編程邏輯器件的用戶可編程特性，在實(shí)現(xiàn)小型化、集成化和高可靠性的同時(shí)，減小了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，降低了成本，而且FPGA能為設(shè)計(jì)者提供比DSP更高的并行性。因此，在國外，越來越多將運(yùn)動(dòng)控制方案中的處理部分交給了FPGA，甚至獨(dú)立的FPGA來專門處理運(yùn)動(dòng)控制[2]。本文重點(diǎn)討論使用FPGA器件來實(shí)現(xiàn)兩自由度反射鏡運(yùn)動(dòng)控制的方法。

1 系統(tǒng)組成及原理

旋轉(zhuǎn)反射鏡的結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有方位和俯仰兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，由方位/俯仰電機(jī)、方位/俯仰光電編碼器、方位/俯仰測試機(jī)、反射鏡和機(jī)架等組成。

方位和俯仰這兩個(gè)角度的控制在結(jié)構(gòu)上基本相同，都是使用直流力矩電機(jī)同軸直接驅(qū)動(dòng)，采用PWM（脈寬調(diào)制）方式進(jìn)行功率放大，角位置環(huán)傳感器采用增量式光電編碼器，角速度環(huán)傳感器采用直流測速發(fā)電機(jī)。從控制原理角度來看，方位和俯仰的閉環(huán)控制回路結(jié)構(gòu)基本相同，都屬于典型的帶有速度回路的雙閉環(huán)單輸入單輸出位置隨動(dòng)系統(tǒng)[3]，因此下文均以方位軸的控制為例進(jìn)行介紹。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 旋轉(zhuǎn)反射鏡組成結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)動(dòng)控制器的功能為根據(jù)上位機(jī)或鍵盤的指令來驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)帶動(dòng)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)。FPGA是運(yùn)動(dòng)控制器的主控芯片，主要完成以下功能：傳感器信號(hào)的采集和處理、控制算法實(shí)現(xiàn)、PWM方波輸出、與上位機(jī)的串口通信、響應(yīng)控制鍵盤信號(hào)和LCD顯示等，如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

增量式光電編碼器一般輸出A、B、Z三相信號(hào)，輸出電平為5V，需經(jīng)過電阻分壓方可接入FPGA。

測速機(jī)輸出的是幅值與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，電壓的正負(fù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向的正反。選用AD574A型雙極輸入的12位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將測速機(jī)輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入FPGA。

功率放大采用H 雙極模式可逆PWM芯片L298。L298內(nèi)含兩個(gè)H橋的全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，F(xiàn)PGA可以直接與之連接進(jìn)行控制，但考慮到驅(qū)動(dòng)電路中噪聲較大，最好在FPGA和L298之間通過高速光耦隔離芯片連接。

FPGA與上位機(jī)通過RS232串口連接，上位機(jī)的RS232串口信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片后接入FPGA。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在Quartus II環(huán)境下采用VHDL語言開發(fā)完成的FPGA配置程序。主控芯片F(xiàn)PGA的程序可分為以下幾個(gè)功能模塊：光電編碼器信號(hào)處理、測速機(jī)信號(hào)處理，控制算法實(shí)現(xiàn)，PWM生成，串口通信等。

3.1 光電編碼器信號(hào)處理

增量式光電編碼器的線數(shù)是其主要技術(shù)指標(biāo)之一，如10000線的光電編碼器，其角度測量分辨率為360°/10000=0.036°。FPGA內(nèi)部可用可逆計(jì)數(shù)器來對(duì)A或B相的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)換算得到角位置信號(hào)。為了提高角度分辨率并避免換向誤碼，在將A、B相信號(hào)送入可逆計(jì)數(shù)器前先進(jìn)行電子倍頻。經(jīng)過4倍頻后，角度分辨率提高到0.009°。同時(shí)，為了確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向，還需對(duì)A、B相信號(hào)進(jìn)行鑒相，即通過鑒別A、B兩路信號(hào)的相位關(guān)系來確定轉(zhuǎn)向。

3.2 測速機(jī)信號(hào)處理

FPGA負(fù)責(zé)控制AD574A芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)，用FPGA的一個(gè)IO口輸出1kHz的脈沖控制AD574A的R/nC腳，則每毫秒進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換。同時(shí)用另一個(gè)IO判斷AD574A的STS腳的電平，若為低電平則說明轉(zhuǎn)換已完成，此時(shí)FPGA將AD574A的12位數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部寄存器緩存。為了降低模擬信號(hào)附帶了噪聲信號(hào)，F(xiàn)PGA要對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，可采用平均濾波的方法實(shí)現(xiàn)。

圖 3 控制閉環(huán)回路組成框圖

3.3 控制算法實(shí)現(xiàn)

閉環(huán)控制回路的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含內(nèi)外兩個(gè)回路。輸入為上位機(jī)通過串口向FPGA發(fā)送的角位置設(shè)定信號(hào)（Position Set），輸出為反射鏡的角位置θ，受控對(duì)象包括功放電路、力矩電機(jī)、以及反射鏡和轉(zhuǎn)軸等運(yùn)動(dòng)部件。Gpc表示位置環(huán)調(diào)節(jié)器，Gnc表示速度環(huán)調(diào)節(jié)器，Go表示受控對(duì)象；Encoder表示光電編碼器，Tachometer表示測速機(jī)，AD表示模式轉(zhuǎn)換芯片；1/s表示積分環(huán)節(jié)，n表示轉(zhuǎn)速。

內(nèi)環(huán)的速度環(huán)調(diào)節(jié)器Gnc采用PID調(diào)節(jié)，外環(huán)的位置環(huán)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)。因此，F(xiàn)PGA內(nèi)部需配置乘法器、加法器、積分器和微分器等模塊。

該部分主要是進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，可以借助DSP Builder來自動(dòng)完成大部分的設(shè)計(jì)過程和仿真[4]，直至把編譯生成的配置文件下載到FPGA芯片里。

3.4 PWM生成

速度環(huán)調(diào)節(jié)器Gnc的計(jì)算結(jié)果為速度設(shè)定信號(hào)Sn，Sn可量化為N級(jí)。例如N=2048，則Sn=2048對(duì)應(yīng)最高轉(zhuǎn)速，此時(shí)PWM模塊輸出高電平信號(hào)（即占空比為1）；Sn=1024對(duì)應(yīng)最高轉(zhuǎn)速的一半，此時(shí)PWM模塊輸出占空比為50%的方波；Sn=1對(duì)應(yīng)最低轉(zhuǎn)速，此時(shí)PWM模塊輸出占空比為1/2048的方波；Sn=0表示停止，此時(shí)PWM模塊輸出低電平。另外，為了確定轉(zhuǎn)向，Gnc還需給出一個(gè)轉(zhuǎn)向信號(hào)至PWM模塊。

3.5 串口通信

FPGA通過一個(gè)RS232串口與上位機(jī)通信。上位機(jī)要向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)（例如角位置設(shè)定信號(hào)、角速度設(shè)定參數(shù)、控制系統(tǒng)參數(shù)、限位參數(shù)等）；同時(shí)FPGA向上位機(jī)回傳系統(tǒng)狀態(tài)、角位置反饋、角速度反饋等信號(hào)。為了使控制器具有良好的通用性，數(shù)據(jù)幀格式依據(jù)Pelco-D協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較多而且很頻繁，所以將比特率設(shè)置為115200。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用50MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，F(xiàn)PGA能以每秒1000次的速度完成信號(hào)采集與處理、數(shù)字濾波、控制運(yùn)算和控制信號(hào)輸出的流程。占用的FPGA硬件資源約為3600個(gè)邏輯單元（logic cells）,可選用Altera公司的Cyclone II系列芯片EP2C8T144C8實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種以FPGA為核心處理器的旋轉(zhuǎn)反射鏡運(yùn)動(dòng)控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種運(yùn)動(dòng)控制器響應(yīng)速度快，且可通過編程靈活配置，該控制器的高速處理能力有助于提高光束指向控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本設(shè)計(jì)能為類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供借鑒。

[1]王一程,汪海兵. 基于FPGA的光電跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電光與控制,2009，16(3)：54-57.

[2]冼 進(jìn).Verilog HDL數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 [M].北京，中國水利水電出版社，2007.

[3]李楷.小型光電跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 碩士學(xué)位論文,2003.

[4]任曉東,文 博.CPLD/FPGA高級(jí)應(yīng)用開發(fā)指南[M].北京，電子工業(yè)出版社，2003.

Design of FPGA-based Motion Controller for Rotating mirror

Wang Yicheng,Tang Cong,Tao Huifeng,Zheng Chao
（Key Laboratory of Infrared and Low Temperature Plasma of Anhui Province; State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, Electronic Engineering Institute,Anhui Hefei,230037）

In the background of a rotating mirror used for beam pointing control，A FPGA-based motion controller was designed. Tasks such as implement of control arithmetic, processing of sensor signal, creating PWM wave and data transceiver by serial port were performed in a single FPGA chip. Experimental results show that the motion controller has the characteristics of fast response speed and flexible configuration, and this design can provide reference for the design of similar products.

FPGA; Motion Controller; Rotating Mirror

王一程(1983-)，男，廣西百色人，電子工程學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)锳RM、FPGA嵌入式系統(tǒng)。