基于FPGA的機(jī)器人伺服電機(jī)控制器系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張佑春，游志宇，任遠(yuǎn)林，方冉，董秀英

(1.安徽工商職業(yè)學(xué)院 應(yīng)用工程學(xué)院，安徽 合肥 231131；2.西南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610041)

伺服電機(jī)控制器又稱電機(jī)控制器,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、電子設(shè)備和智能汽車等領(lǐng)域。電機(jī)控制器通過基帶信號(hào)與輸出控制命令信號(hào)的對(duì)比，從而判斷出機(jī)器人的行動(dòng)方向和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，適用于機(jī)器人運(yùn)行角度和驅(qū)動(dòng)控制等[1]。

電機(jī)控制器芯片主要包括單片機(jī)、DSP(Digital Signal Processing)和FPGA(Field Programmable Gate Array)三大類[2]。單片機(jī)的缺點(diǎn)是對(duì)電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)高速控制能力較差，DSP主要應(yīng)用于多條件、多算法任務(wù)和串行指令處理，F(xiàn)PGA具有自適應(yīng)邏輯電路設(shè)計(jì)、可重復(fù)邏輯編程等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)電設(shè)計(jì)中。本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的機(jī)器人伺服電機(jī)多通道控制電路，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了12路多通道仿生機(jī)器人動(dòng)作組的靈活控制。

1 多通道電機(jī)控制器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的多通道電機(jī)控制器由1#-12#電動(dòng)機(jī)、FPGA控制芯片(尋址、分頻、PWM(Pulse Width Modulation)、ROM(Read-Only Memory)、FIFO(First Input First Output)、數(shù)據(jù)讀取等)、電源、按鍵和隔離電路組成。多通道電機(jī)控制器的工作原理為[3]：(1)控制按鈕下發(fā)控制命令至主控芯片F(xiàn)PGA，尋址單元從ROM中查找header地址和數(shù)據(jù)length。(2)控制數(shù)據(jù)命令將機(jī)器人的動(dòng)作控制發(fā)送至PWM多通道控制單元。(3)隔離電路模塊消除電動(dòng)機(jī)與主控芯片F(xiàn)PGA之間的信號(hào)干擾，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性。(4)PWM多通道控制信號(hào)發(fā)送至伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人電動(dòng)機(jī)的方向和速度控制。(5)電動(dòng)機(jī)采用了獨(dú)立供電模式，提供了電流過載保護(hù)，防止電動(dòng)機(jī)和FPGA芯片過熱損壞。電動(dòng)機(jī)控制器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)控制器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 ht 912 cg電機(jī)控制電路連接設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)是由直流電機(jī)、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)和控制電路組成的一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。伺服電機(jī)的主要指標(biāo)是轉(zhuǎn)矩、控制精度和控制速率，本系統(tǒng)采用了ht 912cg磁感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，max扭矩為20 N·m，速率為3.57 rad/s，脈沖寬度為400 μs～2 200 μs。該電機(jī)的角度控制由PWM調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)周期為10 ms，占空比為0.1～1.5連續(xù)可調(diào)[4]。ht 912 cg電機(jī)控制電路連接如圖2所示。

圖2 ht 912cg電機(jī)控制電路圖

2.2 FPGA控制器電路設(shè)計(jì)

FPGA控制器選取Xilinx公司的BGA324系列XC7A100T-2CSG324I型號(hào)，它包括了64個(gè)I/O口、5 068個(gè)邏輯控制子模塊、4個(gè)clock時(shí)鐘控制單元(提供高精度clock 信號(hào))。該控制器同時(shí)包含了自適應(yīng)雙端口ROM(配置92個(gè)存儲(chǔ)單元)和FIFO緩沖ROM，能夠提高芯片的數(shù)據(jù)處理能力[5]。FPGA控制器主要處理ROM脈寬數(shù)據(jù)值傳輸和執(zhí)行多通道PWM控制信令。本系統(tǒng)主要通過12路獨(dú)立PWM信號(hào)完成多通道獨(dú)立電機(jī)的控制。FPGA控制器的電路連接設(shè)計(jì)如圖3所示,其中AD轉(zhuǎn)換模塊采用12位逐次逼近型AD574A芯片，該芯片轉(zhuǎn)換誤差為±0.05%。

圖3 FPGA控制器的電路連接設(shè)計(jì)

2.3 電流隔離電路設(shè)計(jì)

在多個(gè)舵機(jī)使用時(shí),會(huì)因舵機(jī)堵轉(zhuǎn)故障的瞬間產(chǎn)生較大的反向電流,極易燒壞舵機(jī),本設(shè)計(jì)使用TLP281光耦隔離器,使PWM信號(hào)由電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，保護(hù)I/O口不會(huì)被高反向電動(dòng)勢(shì)擊穿。因其輸出的PWM信號(hào)在過程中被反相，所以需要反相器CD40106將PWM信號(hào)反相，從而實(shí)現(xiàn)隔離保護(hù)[6]。單路PWM信號(hào)隔離電路原理如圖4所示。

圖4 電流隔離電路設(shè)計(jì)

2.4 電源模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所用的舵機(jī)工作電壓為7.5 V,選用2節(jié)鋰電池供電。EP4CE10型FPGA供電額定電壓為3.3 V,選用AMS1117降壓穩(wěn)壓芯片, 本電源電路原理設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 電源電路原理設(shè)計(jì)

3 電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)軟件總框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)能夠根據(jù)ROM中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生多路PWM信號(hào),軟件模塊包括電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)的軟件模塊主要包括：讀取數(shù)據(jù)模塊、尋址模塊、分頻模塊和多路PWM信號(hào)發(fā)生模塊。調(diào)用了ROM和FIFO存儲(chǔ)器的IP核。電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

3.2 軟件電路Verilog HDL功能設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)電路的各個(gè)模塊采用Verilog HDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì),尋址功能從存儲(chǔ)器中提取address長(zhǎng)度和IP header，F(xiàn)IFO根據(jù)上述地址和長(zhǎng)度計(jì)算出PWM控制信號(hào)，最后實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸出[7]。軟件Verilog HDL功能設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 軟件電路Verilog HDL功能設(shè)計(jì)

4 電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)分頻功能軟件仿真測(cè)試

電機(jī)控制系統(tǒng)的FPGA的主時(shí)鐘的頻率為40 MHz，為了達(dá)到80 MHz的PMW控制信號(hào)，主系統(tǒng)添加了倍頻電路，計(jì)時(shí)次數(shù)達(dá)到了250次。分頻軟件仿真如圖8所示。

圖8 倍頻軟件仿真設(shè)計(jì)

4.2 尋址功能軟件仿真測(cè)試

尋址軟件的主要功能是尋找header address(頭地址)、read data length(讀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度)、control操作和ROM使能狀態(tài)等。通過按鍵實(shí)現(xiàn)指令的讀取，同時(shí)控制狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的操控。當(dāng)指令數(shù)值為0010(二進(jìn)制)時(shí)，header address的參數(shù)為184，data length為18.尋址仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 尋址功能軟件仿真結(jié)果

4.3 讀取數(shù)據(jù)功能軟件仿真測(cè)試

多通道電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)定義了Header-address(頭地址)的高低8位寄存器，Data-length(數(shù)據(jù)長(zhǎng)度)的高低8位ROM，數(shù)據(jù)發(fā)送后讀入尋址模塊中獲得的Header-address(頭地址)和長(zhǎng)度并且ROM數(shù)值+1[8]。當(dāng)ROM+3后，將Header-address和Data-length合并放到ROM中。多通道電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)模塊仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 多通道電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)模塊仿真測(cè)試

4.4 系統(tǒng)總體軟硬件系統(tǒng)仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)的時(shí)序邏輯、數(shù)據(jù)傳輸和多通路PWM控制信號(hào)生成的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)的總體仿真試驗(yàn)。Test-bench文件用Verilog HDL語言編寫仿真結(jié)果如圖11所示。仿真結(jié)果可以看出，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)被準(zhǔn)確讀取并成功產(chǎn)生了PWM控制信號(hào)，通過ROM中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)和脈寬范圍調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人舵機(jī)的動(dòng)作操控需求。

圖11 Test-bench仿真結(jié)果圖

為了提高ROM讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及驗(yàn)證硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性，電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)采用了信號(hào)分析工具SignalTap，實(shí)時(shí)進(jìn)行了信號(hào)的準(zhǔn)確性調(diào)試和準(zhǔn)確率分析,減少了電機(jī)控制系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)間[9]。該系統(tǒng)的SignalTap信號(hào)抓取如圖12示。

圖12 SignalTap捕獲內(nèi)部信號(hào)圖

仿真實(shí)驗(yàn)表明，電動(dòng)機(jī)可以平穩(wěn)、高精度和無顫抖地運(yùn)行,控制效果較為滿意[10]。

5 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)多通路機(jī)器人的精確控制，設(shè)計(jì)了基于FPGA的多通道電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件主要包括主控芯片F(xiàn)PGA、電動(dòng)機(jī)、隔離電路、電源模塊和按鍵等部分。軟件設(shè)計(jì)主要包括了尋址、存儲(chǔ)和指令PWM執(zhí)行等。仿真測(cè)試表明，系統(tǒng)的軟硬件簡(jiǎn)化了機(jī)器人的操作，實(shí)現(xiàn)了隔離電路系統(tǒng)的過熱保護(hù)和40路PWM信號(hào)的操控，得到了滿意的控制效果。