基于FPGA的多軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)*

王 剛，林佳本，郭晶晶，張?chǎng)蝹?，佟立越，白 陽(yáng)，陳垂裕

(1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100101；2. 中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

觀測(cè)是太陽(yáng)物理研究中最重要的技術(shù)手段之一，自1612年伽利略開(kāi)始使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)黑子至今，每一次太陽(yáng)觀測(cè)儀器或技術(shù)的革新都極大地推動(dòng)了太陽(yáng)物理學(xué)研究進(jìn)展[1]。懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地(Huairou Solar Observation Station)是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的重要觀測(cè)基地之一。自1984年建站至今30余年，懷柔基地在太陽(yáng)磁場(chǎng)與速度場(chǎng)的觀測(cè)研究領(lǐng)域已躋身世界前列[2-4]。太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡以及多通道太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡[5]的研制成功，極大地推進(jìn)了國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)太陽(yáng)物理事業(yè)的發(fā)展。

太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡主要由光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電子學(xué)系統(tǒng)3部分組成。為保證望遠(yuǎn)鏡的高質(zhì)量運(yùn)行，懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了全面的升級(jí)改造[6-7]。本文介紹的多軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，是望遠(yuǎn)鏡電子學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。以懷柔多通道太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡為例，儀器內(nèi)部采用17個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，對(duì)濾光器以及偏振分析器中可移動(dòng)光學(xué)器件的空間位置進(jìn)行精確調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)磁敏感線(xiàn)的窄帶測(cè)量。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及控制效率直接影響太陽(yáng)磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度和時(shí)間分辨率。

懷柔基地早期采用的步進(jìn)電機(jī)控制架構(gòu)以計(jì)算機(jī)為控制核心，集成數(shù)字輸入/輸出(I/O)卡生成控制信號(hào)，結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制[8]。這種設(shè)計(jì)方式的不足之處在于：(1)系統(tǒng)整體復(fù)雜性較高；(2)系統(tǒng)可移植性較弱。為解決上述問(wèn)題，懷柔基地研制出第2代濾光器電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用嵌入式設(shè)計(jì)理念，大幅度減少對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴(lài)性。但由于系統(tǒng)采用控制、驅(qū)動(dòng)一體化集成設(shè)計(jì)，電路專(zhuān)用性較強(qiáng)，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)不同類(lèi)型步進(jìn)電機(jī)的通用控制。為彌補(bǔ)上述兩類(lèi)控制系統(tǒng)存在的不足，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的控制策略，即以嵌入式系統(tǒng)作為控制核心，配合計(jì)算機(jī)和通用型驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)多軸步進(jìn)電機(jī)的控制。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是，在保證太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)過(guò)程中對(duì)多路步進(jìn)電機(jī)所有控制功能需求的前提下，降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可移植性、穩(wěn)定性以及擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文介紹的多軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)采用分離式設(shè)計(jì)(圖1)，主要包括上位機(jī)、控制器以及驅(qū)動(dòng)器3個(gè)模塊。分離模塊化設(shè)計(jì)方式可有效降低系統(tǒng)的耦合度，提高系統(tǒng)的可移植性以及故障排查效率，其中，電機(jī)控制器是系統(tǒng)主要的硬件設(shè)計(jì)部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 System structure diagram

1.1 基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的片上系統(tǒng)構(gòu)建

使用Altera公司生產(chǎn)的Cyclon IV E型現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列作為片上系統(tǒng)構(gòu)建平臺(tái)，該芯片擁有15 408個(gè)邏輯單元、504 KB的嵌入式存儲(chǔ)器以及343個(gè)用戶(hù)輸入輸出接口。豐富的邏輯資源及接口數(shù)量為多路電機(jī)控制提供了硬件保障。選用NIOSII/e軟核作為系統(tǒng)的嵌入式微處理器，該處理器為哈佛結(jié)構(gòu)，最高工作頻率為100 MHz/s，數(shù)據(jù)總線(xiàn)與地址總線(xiàn)采用分離式設(shè)計(jì)，可在占用較少邏輯資源的前提下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。除處理器外，根據(jù)具體使用需求添加了其他知識(shí)產(chǎn)權(quán)核(Intellectual Property core, IP)，以構(gòu)建完整的片上系統(tǒng)。知識(shí)產(chǎn)權(quán)核信息與功能如表1。

表1 片上系統(tǒng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)核信息表

1.2 板級(jí)硬件電路設(shè)計(jì)

片上系統(tǒng)構(gòu)建屬于集成電路設(shè)計(jì)范疇，即將最終的設(shè)計(jì)結(jié)果集成至芯片內(nèi)部。由于其能力有一定的限制，需設(shè)計(jì)外圍支持電路，用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換以及配置信息存儲(chǔ)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的支持電路從功能上可劃分為以下幾部分：

(1)串口通信電路：采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口電路與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制指令及狀態(tài)數(shù)據(jù)的信息交互；

(2)控制信號(hào)放大電路：由于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列管腳輸出信號(hào)為3.3 V TTL電平，電壓值與驅(qū)動(dòng)器不匹配，選用74HC245芯片對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路：使用鐵電存儲(chǔ)器FM25L256實(shí)現(xiàn)多路步進(jìn)電機(jī)位置實(shí)時(shí)存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)器采用I2C總線(xiàn)協(xié)議與片上系統(tǒng)進(jìn)行連接，通信速率可達(dá)10 MB，且不存在讀寫(xiě)次數(shù)上限問(wèn)題，正常工作環(huán)境中的數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10年。

(4)信號(hào)識(shí)別電路：使用上拉電阻的方式對(duì)霍爾傳感器產(chǎn)生的跳變信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，使片上系統(tǒng)中的輸入/輸出核可以準(zhǔn)確識(shí)別沿跳，進(jìn)入中斷處理程序段。

1.3 控制器硬件集成

對(duì)設(shè)計(jì)完成的步進(jìn)電機(jī)控制器硬件電路進(jìn)行裝配集成(圖2)?？刂破靼?8路信號(hào)輸出端口、20路中斷信號(hào)輸入端口以及8路自定義擴(kuò)展口。最高可實(shí)現(xiàn)14路步進(jìn)電機(jī)同步控制。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制器

Fig.2 Stepper motor controller

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了降低系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴(lài)性，提高系統(tǒng)的可移植性。本文在嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中完成了包括外部信號(hào)識(shí)別、控制信號(hào)生成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、位置信息反饋以及路徑優(yōu)化算法的所有功能。這種設(shè)計(jì)方式可以降低計(jì)算機(jī)端軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，且有利于望遠(yuǎn)鏡自主觀測(cè)控制總系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于嵌入式軟件系統(tǒng)內(nèi)容較多，本文僅介紹關(guān)鍵功能部分。

2.1 電機(jī)控制信號(hào)生成

單路步進(jìn)電機(jī)所需控制信號(hào)包括：公共信號(hào)(高電平有效)、方向信號(hào)、脫機(jī)信號(hào)(低電平有效)以及脈沖信號(hào)(上跳沿有效)。利用NIOSII軟核的內(nèi)部定時(shí)器中斷處理機(jī)制，等間隔改變輸入/輸出寄存器狀態(tài)值，產(chǎn)生空比為50%的TTL脈沖電平信號(hào)。利用NIOSII對(duì)輸入/輸出寄存器狀態(tài)值進(jìn)行修改，生成其他3路控制信號(hào)。

電機(jī)控制信號(hào)軟件模塊如圖3。首先對(duì)自定義的內(nèi)部指令進(jìn)行解碼。解碼信息包括電機(jī)號(hào)、旋轉(zhuǎn)速度值、運(yùn)動(dòng)方向以及旋轉(zhuǎn)步數(shù)值。根據(jù)電機(jī)號(hào)信息使能對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的公共端信號(hào)、拉低脫機(jī)信號(hào)并設(shè)置方向信號(hào)電平值。然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度信息對(duì)定時(shí)器周期寄存器初始值進(jìn)行設(shè)定。寄存器初值與步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度關(guān)系式為

(1)

其中，Ω(rad/s)為步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角頻率；D(步/圈)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分值；CLK為系統(tǒng)工作頻率(100 MHz)；n為寄存器初始設(shè)定值。完成周期設(shè)定后開(kāi)啟定時(shí)器，待產(chǎn)生中斷信號(hào)后進(jìn)入中斷函數(shù)體，對(duì)脈沖信號(hào)端口寄存器狀態(tài)值進(jìn)行取反操作，從而產(chǎn)生周期性TTL脈沖信號(hào)。在波帶整移過(guò)程中，對(duì)超過(guò)旋轉(zhuǎn)波片光學(xué)周期(90°)部分進(jìn)行取余操作，優(yōu)化了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制，減少步數(shù)，提高執(zhí)行效率。

2.2 位置信息存儲(chǔ)

圖3 電機(jī)信號(hào)生成模塊軟件流程

Fig.3 Motor signal generation module software flow

為提高嵌入式系統(tǒng)的集成度，本文在硬件設(shè)計(jì)部分加入了外置存儲(chǔ)芯片，用于保存步進(jìn)電機(jī)的位置信息。存儲(chǔ)芯片選用FM25L256型鐵電存儲(chǔ)器，支持串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface, SPI)總線(xiàn)通信協(xié)議，存儲(chǔ)器陣列為8 × 237 68 bit共256 KB。在軟件設(shè)計(jì)中編寫(xiě)對(duì)應(yīng)芯片驅(qū)動(dòng)模塊，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。驅(qū)動(dòng)指令由8位操作代碼、16位地址碼以及數(shù)據(jù)構(gòu)成。設(shè)計(jì)時(shí)需申請(qǐng)臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，用于存放讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)。為方便其他函數(shù)的調(diào)用，將該驅(qū)動(dòng)代碼部分封裝為獨(dú)立的模塊，并留出相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口及操作模式接口。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)位置變動(dòng)時(shí)，對(duì)其變動(dòng)后的新位置進(jìn)行存儲(chǔ)?？刂破鲾嚯娭貑r(shí)，自動(dòng)讀取斷電前保存的位置信息。除此之外，還可根據(jù)不同項(xiàng)目需求對(duì)其他配置信息進(jìn)行存儲(chǔ)，例如濾光器控制中的線(xiàn)心位置信息存儲(chǔ)以及定天境軸系控制中的恒動(dòng)、快動(dòng)以及慢動(dòng)速度值的存儲(chǔ)。

2.3 位置信號(hào)識(shí)別

為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制，通過(guò)霍爾傳感器標(biāo)識(shí)絕對(duì)位置(亦稱(chēng)機(jī)械零位)，修正電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的位置誤差?；魻杺鞲衅鞅举|(zhì)是一種磁場(chǎng)傳感器，當(dāng)受控機(jī)械結(jié)構(gòu)上的磁塊運(yùn)動(dòng)至識(shí)別范圍時(shí)，霍爾信號(hào)管腳會(huì)產(chǎn)生由高到低的電平跳變信號(hào)。利用NIOSII的外部中斷機(jī)制識(shí)別該跳變信號(hào)，進(jìn)而反饋至步進(jìn)電機(jī)控制過(guò)程。為了提高信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確性，在軟件中添加了濾波代碼，消除短時(shí)強(qiáng)磁場(chǎng)或電源電壓波動(dòng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的功能完備性、穩(wěn)定性以及控制精度，應(yīng)用該控制系統(tǒng)完成了多通道太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡濾光器波帶控制系統(tǒng)(17路電機(jī))的設(shè)計(jì)及升級(jí)工作，并對(duì)系統(tǒng)更換后的設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證。圖4為多通道望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)波段線(xiàn)心位置標(biāo)定測(cè)量數(shù)據(jù)，圖中橫坐標(biāo)為濾光器定標(biāo)位置相對(duì)偏移量，縱坐標(biāo)為探測(cè)器接收光強(qiáng)值。從圖4可以看出，測(cè)量曲線(xiàn)光強(qiáng)變化平滑，未出現(xiàn)單級(jí)波片(電機(jī))控制失效的情況；測(cè)量曲線(xiàn)與太陽(yáng)譜線(xiàn)吻合度較高，已實(shí)現(xiàn)波帶整移(多通道同步控制)功能。圖5為不同波段太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，說(shuō)明電機(jī)控制系統(tǒng)達(dá)到了太陽(yáng)觀測(cè)系統(tǒng)所需的控制精度。目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并已承擔(dān)相關(guān)科研觀測(cè)工作。

圖4 (a) 517.3 nm，(b) 525 nm，(c) 524.7 nm線(xiàn)心標(biāo)定結(jié)果

Fig.4 Line center position

圖5 (a) 517.3 nm，(b) 525 nm，(c) 524.7 nm磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)

Fig.5 Solar magnetic field measurement data

4 結(jié) 論

采用可編程邏輯器件，結(jié)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)核以及片上處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念，實(shí)現(xiàn)了多軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在研究過(guò)程中解決了信號(hào)識(shí)別不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)掉電存儲(chǔ)以及通信過(guò)程數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題，目前所研制的控制器單板可實(shí)現(xiàn)對(duì)12路步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制，且可以多塊控制器并聯(lián)使用，縮減控制系統(tǒng)的整體體積。已使用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了懷柔觀測(cè)基地多通道太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡濾光器波帶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(17路步進(jìn)電機(jī))，新疆溫泉縣磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡濾光器波帶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及北京師范大學(xué)太陽(yáng)塔定天境軸系控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

致謝：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程得到國(guó)家天文臺(tái)懷柔觀測(cè)基地張洋、王丙祥、汪國(guó)萍等同事的大力支持，在此深表感謝。本系統(tǒng)研制過(guò)程中使用了國(guó)家天文臺(tái)所級(jí)公共技術(shù)服務(wù)中心高精度電子學(xué)系統(tǒng)研制測(cè)試平臺(tái)相關(guān)設(shè)備。