一種單芯片多軸運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

馮兆冰 李作慶 白彥慶 商懷昊 吳 超

（大連光洋科技工程有限公司，大連遼寧 116600）

在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)往往要能夠完成直線、平面、立體或旋轉(zhuǎn)等多維空間軌跡運(yùn)動(dòng)的控制，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等的多軸運(yùn)動(dòng)控制。如果用多維坐標(biāo)系來表示這些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，就可以將其分解為一系列的坐標(biāo)分量，每個(gè)分量在對(duì)應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下沿著各自的坐標(biāo)軸方向運(yùn)動(dòng)，就構(gòu)成了多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

目前數(shù)控機(jī)床上的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)屬于集中式控制，其控制過程可以簡要描述為:CNC根據(jù)預(yù)期軌跡和測量部件的反饋值對(duì)合成運(yùn)動(dòng)的各坐標(biāo)分量集中進(jìn)行控制計(jì)算，計(jì)算得到的控制指令以模擬量、數(shù)字脈沖或數(shù)字總線通訊等方式傳輸給各坐標(biāo)分量對(duì)應(yīng)的單軸伺服驅(qū)動(dòng)器，各單軸伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收到的指令控制相應(yīng)電動(dòng)機(jī)完成運(yùn)動(dòng)，各坐標(biāo)分量的運(yùn)動(dòng)合成到一起最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。因?yàn)橄到y(tǒng)中采用單軸伺服驅(qū)動(dòng)器分別控制各自的伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的架構(gòu)，所以控制指令從CNC到每個(gè)單軸伺服驅(qū)動(dòng)器的不確定傳輸同步誤差以及在傳輸中引入的其他誤差，都將直接導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的控制誤差，從而降低系統(tǒng)的精度。對(duì)于模擬量傳輸方式，由于中間環(huán)節(jié)數(shù)模（DA）和模數(shù)（AD）器件的轉(zhuǎn)換誤差及延遲時(shí)間是不可控的，因此指令的傳輸過程中存在不確定的傳輸同步誤差，同時(shí)模擬信號(hào)傳輸過程中所受的外界電磁干擾，也會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度。對(duì)于數(shù)字脈沖傳輸方式，因?yàn)榇嬖跀?shù)字量轉(zhuǎn)脈沖，脈沖轉(zhuǎn)數(shù)字量等功能的中間環(huán)節(jié)，同樣存在不確定的傳輸同步誤差，且這種方式利用脈沖控制伺服的位置環(huán)，很難做到高速、高精度控制。總線方式雖然可以控制傳輸?shù)耐秸`差，但是需要相應(yīng)的軟件和硬件作為保障，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

所以上面所述問題可以總結(jié)為:各單軸伺服驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立工作，指令傳輸?shù)牟煌綍?huì)引入控制誤差。其根源在于目前仍沒有可以同時(shí)控制多臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)的控制芯片，從而增加了不必要的指令傳輸環(huán)節(jié)，引入了控制誤差。為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本文提出了一種以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為核心模塊的單芯片多軸運(yùn)動(dòng)控制器。

1 基于FPGA的單軸運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

矢量控制技術(shù)是當(dāng)前在高性能交流運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣的控制理論。但由于矢量控制算法的計(jì)算過程比較復(fù)雜，因此傳統(tǒng)上一般采用DSP技術(shù)以軟件的方式實(shí)現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較靈活，但其開發(fā)周期比較長，而且占用CPU的時(shí)間比較多。有時(shí)為了提高性能不得不采用雙DSP，這就使得系統(tǒng)整體性價(jià)比下降。近幾年興起了一種全新的設(shè)計(jì)思想，這就是基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）及EDA方法學(xué)的硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。FPGA本身只是標(biāo)準(zhǔn)的單元陣列，沒有一般IC所具有的功能，但用戶可根據(jù)自己的需要，通過專門的布局布線工具對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行重新編程，在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出自己的專用集成電路，從而大大提高了產(chǎn)品的競爭力;由于它以純硬件的方式進(jìn)行并行處理，而且不占用CPU的資源，所以可以使系統(tǒng)達(dá)到很高的性能。這種新的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成功應(yīng)用在高性能的交流運(yùn)動(dòng)控制上。

一般情況下，由于位置控制比較靈活，很難做到通用性，所以位置環(huán)節(jié)一般由DSP來完成;但速度控制和電流控制具有通用性，而且高性能的速度控制離不開電流控制，所以可以把它們集成到一起，放到一塊控制芯片上。

基于FPGA的單軸運(yùn)動(dòng)控制器的核心控制就是基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），把具有通用性的速度控制和電流控制集成到一塊FPGA中，這樣既可以實(shí)現(xiàn)速度伺服控制，又可以單獨(dú)進(jìn)行電流控制。如果FPGA中集成有CPU內(nèi)核，則可以進(jìn)一步把位置、速度、電流3種算法完全由一片F(xiàn)PGA來實(shí)現(xiàn)（如圖1所示），從而實(shí)現(xiàn)真正的片上系統(tǒng)，這將成為下一代高性能伺服控制器集成化設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢。

2 基于FPGA的多軸運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)思路

基于FPGA的多軸運(yùn)動(dòng)控制器的基本設(shè)計(jì)思路為:在單軸運(yùn)動(dòng)控制器的基礎(chǔ)上，在原有的運(yùn)算資源下，通過合理的時(shí)序規(guī)劃，在每一個(gè)采樣脈沖周期內(nèi)，按分時(shí)復(fù)用方法反復(fù)調(diào)度同樣的運(yùn)算部件，以實(shí)現(xiàn)最大軸數(shù)的伺服控制算法，充分利用這些運(yùn)算部件的功能。但能完成多少個(gè)軸的同步控制，這與所采用的處理算法和A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度有直接的關(guān)系，并受FPGA規(guī)模及其工藝的限制，其中最關(guān)鍵之處就是時(shí)序控制的改進(jìn)。

圖2顯示了多軸控制芯片的基本控制時(shí)序，其中每個(gè)軸的控制算法內(nèi)核及其時(shí)序調(diào)度是完全一樣的，所不同的是當(dāng)每個(gè)軸計(jì)算結(jié)束時(shí)會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)用來啟動(dòng)下一個(gè)軸的計(jì)算。

3 單芯片多軸運(yùn)動(dòng)控制器整體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的單芯片多軸運(yùn)動(dòng)控制器，包括控制單元、功率單元和電源單元3部分。所述控制單元包括多軸控制芯片、外部接口電路、功率板接口和電源接口。

多軸控制芯片采用一片現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部集成了多個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)（軸）的控制模塊、總線接收模塊。多軸控制模塊包括了多軸電流反饋接口，多軸編碼器反饋接口，電動(dòng)機(jī)的位置、速度、電流三環(huán)的控制模塊和多個(gè)PWM輸出模塊。電流反饋接口支持?jǐn)?shù)字、模擬兩種形式。編碼器反饋接口支持增量式編碼器和絕對(duì)值編碼器串行數(shù)據(jù)，可支持ENDAT2.2、INTERBUS、CAN、RS485 等多種協(xié)議。電動(dòng)機(jī)的位置、速度、電流環(huán)控制模塊采用PID控制和空間矢量控制，根據(jù)芯片資源情況和系統(tǒng)精度要求，可選用多模塊并行計(jì)算或單模塊分時(shí)復(fù)用計(jì)算兩種方式。PWM輸出模塊主要負(fù)責(zé)與功率單元的接口。總線接口模塊可以方便地與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)控制進(jìn)行監(jiān)控和診斷，支持多種總線協(xié)議，如SERCOS、PROFIBUS等。

外部接口電路、功率板接口和電源接口負(fù)責(zé)控制單元和外部的各種接口。

功率單元以兩軸和單軸兩種形式作為基礎(chǔ)單元，可以根據(jù)實(shí)際需求軸的個(gè)數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的組合，采用大功率的智能功率模塊IPM，具備完善的保護(hù)功能。

電源單元負(fù)責(zé)控制單元和功率單元電路的供電，采用控制電與動(dòng)力電兩路供電的方式，控制電為各控制電路供電，動(dòng)力電經(jīng)過整流為直流母線，提供給功率單元。這種設(shè)計(jì)優(yōu)化了電源的結(jié)構(gòu)，提高了電源系統(tǒng)的抗干擾性。

單芯片多軸運(yùn)動(dòng)控制器具有以下特點(diǎn):

（1）采用單控制芯片，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的成本。

（2）在控制芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)軸控制指令的同步，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。

（3）采用控制單元、功率單元和電源單元組合的構(gòu)架，結(jié)構(gòu)更緊湊合理。

以三軸運(yùn)動(dòng)控制器為例，如圖3所示，包括1塊控制板、1塊雙軸功率板、1塊單軸功率板和1塊電源板。控制板接收反饋信號(hào)，經(jīng)過控制芯片處理后，通過PWM模塊輸出控制信號(hào)到功率板。電源板輸入交流動(dòng)力電，整流為直流母線電后供功率板使用。雙軸功率板與單軸功率板原理相同，只是軸數(shù)不同，接收控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。需注意的是，運(yùn)動(dòng)控制器可掛的軸數(shù)是由兩部分決定的，一是控制芯片可支持的軸數(shù)，二是總功率不能超過電源單元最大的功率。

4 結(jié)語

單芯片多軸運(yùn)動(dòng)控制器具有體積小，性能高，響應(yīng)速度快，保護(hù)措施完善，可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于各種需要快速響應(yīng)的精密轉(zhuǎn)速控制與定位控制的應(yīng)用系統(tǒng)，可與各種數(shù)控裝備，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床和加工中心等裝備制造設(shè)備相配套，也可以應(yīng)用于數(shù)控紡織設(shè)備、塑料加工設(shè)備、企業(yè)生產(chǎn)加工線等各種領(lǐng)域。

［1］萬筱劍，吳乾坤，杜坤梅，等.單芯片交流伺服電動(dòng)機(jī)速度控制器的實(shí)現(xiàn)［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2004（3）.

［2］周兆勇，李鐵才，高橋敏男.基于矢量控制的高性能交流電機(jī)速度伺服控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.中國電動(dòng)機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004（5）.