基于DSP和FPGA的多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板卡

文/熊亞明

1 技術(shù)現(xiàn)狀

在多軸步進(jìn)電機(jī)伺服控制領(lǐng)域，目前其硬件構(gòu)架主要有五類：

（1）MCU/DSP + 單步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；

（2）MCU/DSP+三軸/六軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器+單步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；

（3）FPGA+單步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；

（4）PLC+單步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；

（5）DSP與FPGA+單步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

對(duì)于第一類，雖然能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的多軸步進(jìn)電機(jī)的伺服控制，但對(duì)于復(fù)雜的伺服控制系統(tǒng)，如系統(tǒng)中需要接入慣性測(cè)量、雙北斗定位定向和上位機(jī)等各種串行信號(hào)和開關(guān)信號(hào)下，硬件系統(tǒng)外部接口不足；對(duì)于第二類，除了存在第一類的外部接口不足問題外，還因?yàn)樾枰粋€(gè)三軸/六軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為中轉(zhuǎn)，整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性無法得到保障；對(duì)于第三類，在同時(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)外的接口能力和系統(tǒng)的解算和存儲(chǔ)能力的情況下，對(duì)FPGA的要求較高，使得硬件系統(tǒng)成本升高。另外目前FPGA對(duì)電機(jī)控制領(lǐng)域的支持不如MCU或DSP完善，使得采用純FPGA作為核心處理器的硬件系統(tǒng)的軟件編程較為復(fù)雜；對(duì)于第四類，由于環(huán)境適應(yīng)性問題，一般無法滿足在軍工和航空航天上的應(yīng)用；對(duì)于第五類，DSP和FPGA的控制板卡和單步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于多步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件較為分散，硬件體積大，成本較高。

圖 1：基于DSP和FPGA多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板硬件框圖

2 硬件技術(shù)方案

基于DSP和FPGA的多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板卡硬件主要包括四個(gè)部分：電源部分、DSP與FPGA部分、接口電路部分和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。如圖1所示。

2.1 電源部分

系統(tǒng)外部輸入直流電源的電壓范圍為19V到59V，通過TRACO公司的THN 15WI系列的DC/DC轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換為5V。5V電壓到3.3V、1.9V、1.2采用TI的可調(diào)電壓轉(zhuǎn)換模塊PTH05000WAH。

2.2 DSP與FPGA部分

主要包括JTAG電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路和外擴(kuò)Flash電路，此外FPGA部分還包括串行配置電路等。其中時(shí)鐘電路和復(fù)位電路均有一些典型電路可供參考，在此不再贅述。DSP部分的JTAG電路可參考TMS320F28335芯片相關(guān)手冊(cè)，F(xiàn)PGA部分選擇的Altera公司的Stratix系列的EP2S15F484I4芯片，配置芯片選擇EPCS16SI8N，對(duì)應(yīng)的JTAG電路和串行配置電路可參考EP2S15F484I4和EPCS16SI8N相關(guān)芯片手冊(cè)。外擴(kuò)Flash電路部分本選擇SGS-Thomson Microelectronic公司 的Flash芯 片M25P16-VMN6P，M25P16-VMN6P與DSP和FPGA均通過SPI總線相連，F(xiàn)lash芯片的/HOLD和/W引腳與DSP的GPIO引腳或FPGA的任意普通IO引腳相連。

2.3 接口電路部分

選擇DS26LS32CM芯片完成差分信號(hào)到單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)于RS232、RS422、RS485電平到LVTTL或TTL電平的轉(zhuǎn)換，選 擇MAX3232、MAX3490/MAX490、MAX3485/MAX485芯片完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，選擇SN74ALVC164245芯片完成5V電平與3.3V電平之間的轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)控制板卡具體需要幾片相應(yīng)的轉(zhuǎn)換芯片，可根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)整。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路部分

選擇的Trinamic公司的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TMC261，芯片的工作電壓可達(dá)60V，這里選用48作為輸入電壓。TMC261外圍電路連接關(guān)系以及電阻電容大小的選擇參考TMC261芯片手冊(cè)。若選擇其他帶有SPI接口的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其外圍電路參考所選芯片的芯片手冊(cè)設(shè)計(jì)即可。

DSP與FPGA通過總線連接，具體連接關(guān)系為：將TMS320F28335的/XWE0、XZCS6、XZCS7、XA0-XA19和XD0-XD31與FPGA的任意普通IO引腳相連。

FPGA與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的具體連接關(guān)系為：將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的SPI口（CS、SCK、SDI、SDO）、STEP、DIR和狀態(tài)指示引腳與FPGA的任意普通IO引腳相連。當(dāng)多個(gè)TMC261芯片與FPGA相連時(shí)，復(fù)用SPI的SCK、SDI、SDO引腳，只增加片選信號(hào)CS，例如當(dāng)接入3片TMC261時(shí)，F(xiàn)PGA端引腳連接為SCK、SDI、SDO、CS1、CS2、CS3。

2.5 其它

外部信號(hào)通過接口轉(zhuǎn)換電路部分分別于FGPA任意普通IO引腳相連。

板卡上總共存在四類地：信號(hào)地、功率地、數(shù)字地、模擬地。

3 技術(shù)應(yīng)用

在需要多個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)雜伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，這種驅(qū)動(dòng)控制板卡既保證了硬件系統(tǒng)對(duì)于外部接口的廣泛適應(yīng)能力，硬件系統(tǒng)上進(jìn)行軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制一體的設(shè)計(jì)，硬件體積小，重量輕，成本低等優(yōu)點(diǎn)?？蓱?yīng)用于動(dòng)中通天線系統(tǒng)，雷達(dá)天線系統(tǒng)等。