基于FPGA的位置伺服三閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)

張顯亭　劉興中　鄭自偉

摘 要：設(shè)計(jì)了基于FPGA外掛SDRAM的三閉環(huán)位置伺服控制器，對(duì)三閉環(huán)控制算法進(jìn)行了詳細(xì)描述，并結(jié)合硬件電路應(yīng)用在實(shí)際產(chǎn)品中，取得了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，提高了位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：FPGA SDRAM 伺服控制器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）06（b）-0026-02

目前國(guó)內(nèi)外把電動(dòng)位置伺服作為重要的研究方向，電動(dòng)舵機(jī)的應(yīng)用也日益廣泛。電動(dòng)舵機(jī)相比與以前的液壓舵、氣動(dòng)舵具有體積小、成本低、簡(jiǎn)單可靠、動(dòng)態(tài)特性好且易于控制等特性。目前電動(dòng)舵機(jī)的性能越來(lái)越完善，并朝著數(shù)字化、多余度、大功率、高精度和智能化的方向發(fā)展。電動(dòng)舵機(jī)的控制策略也多種多樣，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求運(yùn)用了不同的算法和設(shè)計(jì)平臺(tái)，比如基于DSP、FPGA或者單片機(jī)等。該文設(shè)計(jì)了一套全數(shù)字導(dǎo)彈用舵機(jī)伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無(wú)刷直流電機(jī)作為伺服電機(jī)，采用三閉環(huán)的控制策略，基于FPGA的NIOSⅡ軟核為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用C語(yǔ)言的優(yōu)良特性，在NIOSⅡ內(nèi)實(shí)現(xiàn)基于C語(yǔ)言的算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)位置的高性能跟蹤，以滿(mǎn)足導(dǎo)彈舵機(jī)的高精度、高靈敏度和高可靠性要求。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

位置伺服控制器是一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。其執(zhí)行元件是直流無(wú)刷電機(jī)，傳動(dòng)部件由行星減速器和滾珠絲杠組成，驅(qū)動(dòng)控制器采用數(shù)字控制。伺服控制器接收上位機(jī)的角度控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)按照一定的速度、旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度工作，通過(guò)傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)化為角度運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)位置的角度控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 FPGA主控及外圍電路設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用的是Altera公司的CycloneⅢ系列低成本器件，該芯片為256管腳的BGA球柵型封裝，擁有更多的I/O端口，集成嵌入式處理器NOISⅡ，I/O口157個(gè)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

FPGA外圍電路主要包括：電源管理電路、程序配置芯片電路、下載調(diào)試口電路等。

2.2 驅(qū)動(dòng)及電流采樣電路設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)控制器的驅(qū)動(dòng)電路采用經(jīng)典的三相橋式電路，驅(qū)動(dòng)芯片采用仙童公司集成電路，橋式電路采用IR公司MOSFET開(kāi)關(guān)管，電流采樣電路采用ACS714ELCTR-05B-T集成電路。

系統(tǒng)中筆者對(duì)三相繞組分別采樣，電流的方向和相序選擇在軟件內(nèi)部完成，該電流傳感器額定供電電壓5 V，額定輸入電流為±5 A，輸出電壓范圍是0～5 V，具有185 mV/A輸出靈敏度。芯片可以線性的將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)輸出，輸入電流與輸出電壓關(guān)系為：

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

控制中分別使用電位器和電流傳感器作為舵機(jī)位置和電流的檢測(cè)裝置，所以共有16路模擬電壓信號(hào)需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。其中電位器的輸出為0～5 V電壓信號(hào)，為了滿(mǎn)足系統(tǒng)控制精度要求為±0.2°，通過(guò)計(jì)算需要14位精度的AD才能滿(mǎn)足要求，同時(shí)系統(tǒng)需采集四路位置信號(hào)，選擇了AD7949模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有8路輸入通道，每路的輸入電壓最高可到5.5 V，并且獨(dú)立工作，該芯片數(shù)字端供電電壓為+3.3 V，串行信號(hào)輸出，可以滿(mǎn)足舵系統(tǒng)的使用要求。

系統(tǒng)電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換采用NS公司的12位A/D轉(zhuǎn)換器，該芯片的模擬輸入端為0～5 V電壓信號(hào)，數(shù)字輸出為幅值3.3 V的數(shù)字量，接口與FPGA匹配，數(shù)字信號(hào)可直接送入FPGA的I/O口。

2.4 外部擴(kuò)展SDRAM電路設(shè)計(jì)

由于采用了C語(yǔ)言編寫(xiě)主程序，嵌入在NIOS軟核內(nèi)，程序代碼量較大，不適宜在FPGA內(nèi)部RAM上運(yùn)行，所以在外部外擴(kuò)了SDRAM電路，以降低FPGA的消耗，提高運(yùn)行速度，所用的SDRAM器件為MICRON公司的MT48LC16M16A2TG，它的地址線為16位，并行運(yùn)行方式。

3 軟件算法設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用NIOSⅡ軟核加部分用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的數(shù)字邏輯電路的方式來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能和要求，將算法嵌入進(jìn)NIOSⅡ軟核內(nèi)部，用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，外部只用硬件語(yǔ)言VHDL實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和PWM換向等模塊編程。

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)組成

軟件主要分為兩大塊：外圍硬件語(yǔ)言編寫(xiě)模塊和NIOSⅡ軟核模塊。外部硬件語(yǔ)言采用VHDL加Verilog語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)位置信號(hào)和電流信號(hào)A/D的采集及轉(zhuǎn)換；內(nèi)部軟核實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制算法以及對(duì)EEPROM的讀寫(xiě)操作。算法首先將串口接收到的操舵指令進(jìn)行分離和轉(zhuǎn)換，同時(shí)將四路反饋回來(lái)的位置信號(hào)也進(jìn)行調(diào)理和轉(zhuǎn)換，然后做差進(jìn)行位置PI調(diào)節(jié)；完成位置調(diào)節(jié)后通過(guò)調(diào)理模塊計(jì)算出給定速度信號(hào)，同時(shí)與反饋計(jì)算的當(dāng)前舵角轉(zhuǎn)速信號(hào)做差再進(jìn)入速度PI調(diào)節(jié)模塊；最后進(jìn)入電流環(huán)P調(diào)節(jié)器。待三環(huán)調(diào)節(jié)完成后輸出PWM調(diào)節(jié)信號(hào)。

3.2 三閉環(huán)控制算設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了全數(shù)字三閉環(huán)串級(jí)控制策略，分為電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)；位置環(huán)接收上位機(jī)下發(fā)的舵角操舵指令和位置傳感器反饋回來(lái)的當(dāng)前位置信號(hào)并對(duì)兩者進(jìn)行做差處理，然后進(jìn)行位置環(huán)的PI控制，輸出一個(gè)速度參考值，該值與反饋計(jì)算的當(dāng)前舵角速度進(jìn)行做差處理，再進(jìn)入速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器，輸出給電流給定信號(hào)，該信號(hào)與電流采樣值做差，進(jìn)入電流環(huán)P調(diào)節(jié)，輸出一定占空比的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)三相橋臂電路，調(diào)節(jié)伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

三環(huán)控制可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，當(dāng)速度環(huán)和電流環(huán)內(nèi)部的參數(shù)發(fā)生變化或者受到擾動(dòng)時(shí)，它們能起到有效的擬制作用，減少了對(duì)位置環(huán)的影響。電流環(huán)將產(chǎn)生最終的PWM信號(hào)，它的作用是考慮到電流的跟隨特性，當(dāng)電流受到微小擾動(dòng)時(shí)，算法能夠自動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行迅速調(diào)節(jié)，從而保證舵機(jī)輸出力矩波動(dòng)盡可能的小。

電流環(huán)的給定既是速度環(huán)的輸出，速度環(huán)作為三環(huán)的中間環(huán)節(jié)，具有承上啟下的作用，由于舵機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的非線性主要作用于速度環(huán)，因此該環(huán)的非線性較大，采用傳統(tǒng)的PI控制可以維持轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性，速度反饋的計(jì)算是通過(guò)對(duì)位置信號(hào)檢測(cè)值的微分得來(lái)的。

位置環(huán)作為最外環(huán)的控制，決定了舵機(jī)系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性，同時(shí)決定了系統(tǒng)精度，該項(xiàng)目中采用PI調(diào)節(jié)器，這樣不僅保持了算法原理簡(jiǎn)單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)的特點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性和精確性，有利于提高系統(tǒng)的阻尼性能，并極大的減少了系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)，使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和抗擾動(dòng)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目研制完成后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果顯示均能達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)要求，較之前的同類(lèi)產(chǎn)品性能有了很大的提高。

從分析結(jié)果可得，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于NIOSⅡ軟核三環(huán)控制算法策略，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，速度、頻響等特性表現(xiàn)較好，系統(tǒng)頻響在原有15 Hz的基礎(chǔ)上提高到了現(xiàn)有的17 Hz。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪軍林，解付強(qiáng)，劉玉浩.導(dǎo)彈電動(dòng)舵機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].飛航導(dǎo)彈，2008（3）：42-46.

[2] 王生明.制導(dǎo)炮彈舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)與分析[D].南京：南京理工大學(xué)，2010.

[3] 汪首坤，王軍政.舵機(jī)頻率特性的測(cè)試誤差分析與修正[J].北京理工大學(xué)報(bào)，2007（1）：34-37.

[4] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.