球型攝像機高速運動控制驅動策略的SoC實現方案
——系統綜合篇

郭志潔

(南京科安電子有限公司,江蘇南京 210009)

球型攝像機高速運動控制驅動策略的SoC實現方案
——系統綜合篇

郭志潔

(南京科安電子有限公司,江蘇南京 210009)

作者描述了作為高速球形攝像機運動控制系統主要執行元件——步進電機微步驅動控制的SoC實現方案。報告應用基于模型的分析描述以及基于步進電機特性的物理分析結果,設計了一種在單芯片(SoC,System On Chip)上實現的新型高速球形攝像機運動控制的電子系統級方案。該方案針對步進電機高精度微步驅動控制設計需求,建立了運動控制電子系統微步驅動策略各個設計層次上的模型,通過仿真探索其系統架構及性能優化。這篇文章也是《單芯片實現高速攝像機運動控制系統的一種設計方案——(系統分析篇)》的續篇——系統綜合篇。

高速球型攝像機 步進電機 驅動控制 建模 仿真

在系統分析篇中,描述了步進電機領域的基本知識,分析了步進電機驅動控制技術的演化,并針對步進電機的特性經由基于模型的仿真理解混合型步進電機驅動策略的行為,提出了以步進電機微步驅動策略作為高速球型攝像機系統的位置控制系統的設計方案。本篇從系統綜合的角度討論設計目標如何在SoC電子系統級平臺實現的方法。

1 系統綜合

將若干相互有邏輯聯系的實體為某些確定目的性而設計成統一的實體,這個過程相對于系統分析而言就是系統綜合。

圖1

1.1 SoC 應用開發

SoC,在芯片上實現的系統。SoC將電子系統幾乎全部的功能集成到一塊芯片上,從而在單個芯片上能實現數據的采集、轉換、存儲、處理和I/O等多種功能。SoC應用系統的開發涉及到有關技術手段的創新。

1.1.1 軟硬件協同仿真與驗證

軟硬件系統仿真的目的是在系統設計早期,通過仿真(模擬)的手段驗證硬件虛擬模型和軟件算法以及發現軟硬件系統集成方面的問題。

1.1.2 設計重用技術

設計重用是基于SoC系統平臺的,具有系統構造的模塊化形式以及知識和經驗延續的繼承性,節約稀缺的設計資源。

1.1.3 可重構計算技術

圖2 球形攝像機步進電機微步驅動策略運動控制系統頂層抽象模型

可重構計算技術(Configurable Computing)是以可編程邏輯芯片為硬件基礎,能根據應用需求動態地配置系統的功能和規格,使系統具有柔性和高性能。

1.1.4 軟硬件劃分策略

高速球形攝像機系統中需要四個恒定電流斷路控制器來同時控制兩個步進電機,由于斷路器要求連續循環的PWM輸出控制,MCU的開銷非常大。由FPGA實現的狀態機設計來執行驅動策略卻是非常合理的。由此,軟硬件的劃分策略是這樣確定的:所有步進電機驅動器的控制算法都由SoC芯片上的FPGA資源來實現;讓SoC的MCU只通過最簡單的控制指令直接控制電機驅動部件。

1.2 運動控制狀態機

1.2.1 有限狀態機

有限狀態機是一種數學抽象,既能表達數字邏輯又能執行計算機編碼的程序,它形式化地定義為:

一個確定性有限狀態機是一個五元組(Σ,S,s0,,δ,F),

這里,Σ是輸入字母表,一個有限、非空的符號集合。

S是一個有限、非空的狀態集合。

s0是S的一個初始狀態。

δ是狀態轉移函數:

δ:S Χ Σ→S表示,確定性有限狀態機的轉移函數δ根據輸入字表Σ和狀態S按δ定義的運算Χ改變狀態S。

F是有限狀態的集合,是S的子集(有可能是空的)。

有限狀態機是規定系統整體行為約束的有效方法。處于某一狀態意味著系統只響應所有允許輸入的一個子集,只產生可能響應的一個子集,并且改變狀態也只是所有可能狀態的一個子集。

狀態機在這里是用程序語言代碼形式構建的,從編碼的角度看它就是邏輯狀態機,switch-case 語句結構最適合描述狀態機語義:代碼對不同的歷史狀態(state)作出響應(case),根據輸入字母表(input),決定狀態(S)的賦值,完成其轉移。狀態機模型可以用來開發算法和計算機目標程序,幫助評估早期系統設計算法的行為,在步進電機驅動策略模型的開發中是很關鍵的。

1.2.3 狀態機模型設計數字邏輯電路

數字電路設計使用的層次抽象概念把系統對象分成兩個基本的領域,一個是行為域(部件通過定義它的輸入/輸出響應來描述),一個是結構域(部件通過一些更基本部件的互連拓撲來描述)。狀態機模型用于行為域時,用算法和數據流來描述行為。當要設計數字邏輯電路的時候,就要從算法轉換到門電路,從行為域轉換到結構域。換言之,就是要將基于模型的描述轉換為硬件描述語言(HDL),這在驅動策略模型的實現過程中也得到重要應用。

圖3 微步驅動PWM周期中的電流衰減模式

圖4 使用方波替代微步驅動模式的試驗,在平直的頂部可清晰顯示混合衰減波形

1.3 驅動控制系統的設計

1.3.1 芯片上的系統部件和PCB上的系統器件

圖1實際的商品化SoC芯片。集成了ARM MCU硬核及子系統,FPGA,模擬計算引擎等。

(1)芯片上的系統部件:圖1頂部顯示的是一種智能融合的SoC芯片,它具有:完全可定制系統能力,知識產權保護能力以及高效的設計生產力。

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(2)PCB上的系統器件:圖1底部顯示的是位置控制系統的板級器件,包括了步進電機、取樣元件和H橋部件。

1.3.2 硬件實現的控制算法部件

(1)基于模型的設計方法:

圖2所示的就是一個球型攝像機運動控制系統的頂層抽象。同時,它也是我們要在一個混合信號和FPGA及MCU硬核架構上實現的SoC高層系統描述。

圖5 調整微步驅動的衰減參數可以使其定子繞組線圈中的電流波形達到比較理想的正弦/余弦曲線

(2)基于模型的系統描述。微步模式的驅動系統設計,從設計頂層的視角來看,有三個模塊:控制命令,微步算法,及控制驅動器。SoC系統的軟硬件劃分如下:

1)MCU實現的功能:啟動指令由Signal Builder模塊給出,微步模式的設置參數由一個常數模塊輸出。在SoC環境中步進指令和模式設置的信號由MCU實現控制,因為MCU最接近人機交互。MCU通過簡單的數字接口與控制算法連接。

2)控制算法狀態機實現的功能:半步驅動模式經過優化和擴充得到適用于微步驅動模式的控制策略。由FPGA硬件資源實現高性狀態機設計和基于硬件的查找表技術可達1/256的微步細分,只要選擇預置的微步參數就可以實現有效范圍內靈活的微步模式控制策略。

3)微步控制策略驅動器實現的功能:這部分是設計微步控制策略驅動模式的重點。利用SoC混合數字和模擬信號系統資源,設計實現傳統步進電機驅動專用集成電路具有的功能。包括從控制策略的數據結構到H-橋輸出控制邏輯信號之間的所有功能部件。從模型輸出的數據曲線圖形可以看出,仿真的結果是設計所需要表現的行為:示波器顯示的微步驅動模式的兩相波形已經接近理想正弦/余弦的曲線,步進角度已經被細分為很小的微步,而步進電機的規格并沒有升級。因此,按照基于模型的設計技術概念,圖2表示的模型是設計需求的一個可執行規范也是一個驗證確認的測試基準,并且可進一步發展出更加詳盡的設計-驗證平臺。

4)微步模式的規格指標:通過前文對步進電機電氣和機械結構的研究,我們知道從全步電氣角度開始按2-1的m+2次冪的細分將產生機械步距角按2-1的m次冪的微步。當選擇參數1/64細分時(m=4)將得到1.8/16=0.1125°的微步角。可以計算出,當主機在0.5秒鐘內發出20個步進脈沖時,步進電機應該到達20x0.1125=2.25°的角位置。從這個模型顯示的角度曲線可以看出在0.5秒鐘時刻累計步進到達穩定的角位置剛好就是這個數值。在設計微步驅動器的時候這個細分的比例關系將會被用到,它是衡量微步細分的規格指標。

(3)微步驅動控制器的設計技術。在系統分析篇提出用理想的正弦/余弦電流激勵混合型雙極步進電機使其得到極平滑的步角輸出。圖2中示波器顯示的A相和B相圖波形就是正弦/余弦規律的驅動激勵。如果我們設計的微步驅動控制原型能夠在步進電機定子的兩個繞組中產生正弦/余弦電流,那么從原理和功能上就具備實現以微步驅動控制策略的條件。利用SoC的DAC(數/模轉換)正好可以生成正弦/余弦信號,這些信號將作為微步控制恒定電流參考目標值,反饋系統將定子繞組內的實際測量的電流與它們相比較,而微步驅動控制策略通過步進電機相位電流的控制技術方案來實現。

以開關切換加電/斷電方式作用到繞組線圈上時,反向電動勢產生的感生電流將會以磁能的形式儲存于線圈中。這部分能量如不能及時地衰減掉,將會導致下一個脈沖施加后的電流處于不受控的電平值上。對于微步驅動模式來說,要讓相電流完全跟蹤正弦/余弦規律更須精細地設計PWM控制器。如果能控制得好,平穩地利用感生電動勢這部分能量至少可以節省大約三分之一的電力。

如果從狀態機的概念出發,相電流的控制分為充電和放電兩個基本狀態。H橋電路拓撲在放電期間,如果回路中只存在供電電源,線圈中產生的反向電動勢將向供電電源放電,電流變化的速率只取決于回路的時間常數。如果我們設計一種使感生電流沿不同路徑衰減的放電路徑控制技術,就可以得到不同質量的激勵電流曲線。圖3揭示了在放電狀態中的三種不同模式的衰減策略:快速衰減(Fast decay)、慢速衰減(Slow decay),和混合衰減(Mixed Decay)。因為在H橋電路拓撲中的二極管和受控開關晶體管一道組合成不同的電流釋放路徑,所以繞組線圈內儲存的磁場得到這三種不同的衰減模式的控制。設計將證明這三種衰減模式的應用對于達到優良質量的微步驅動控制是非常關鍵的。

1.3.3 系統設計模型的功能仿真驗證和迭代

進入圖2“DriveAlgorithm”模型的下層結構,從測試模塊中的兩相電流示波器,可以看到圖5(a)所示的電流波形:定子繞組的電流傳感器,獲得A、B相的電流I_windingA和I_windingB,它們的曲線包絡已經顯示出是正弦/余弦規律的。

基于SoC的混合信號處理系統技術的軟硬件協同設計帶來的益處是非常明顯的:一種設計可以適用于多種模式的驅動策略,而且硬件形式的配置可以由軟件實現遠程更新和維護。在處理掉相電流波形毛刺之前,很方便就引入單相方波信號來觀察研究這些毛刺的產生和消除,見圖4的理論策略和仿真實現的波形對比。首先這種對比結果反映了微步驅動控制策略核心系統行為在設計上是正確的,其次得到結論是這些帶有尖刺的電流波形可以通過衰減調理來改善。

1.3.4 微步驅動模式定子繞組電流波形質量的改善

圖5顯示了通過調理負載電流的衰減模式是微步驅動得到平滑的轉矩輸出的過程。圖5(a)給出的是混合衰減模式的中等調理級別:快速衰減和慢速衰減時間相等并且等于PWM周期的一半。圖5(a)左邊的波形上面可以看到存在明顯的相電流噪聲。圖5(b)仍然保持兩種衰減作用對等,但是將PWM周期調整到最小,這時候的電流輸出波形就平滑多了。圖5(c)是在(b)的基礎上將斷路頻率進一步提高25%可以更加平滑波形,但是波形改善就不太明顯了。圖5(b)和(c)的波形質量得到了提高,但不像方波驅動的電流,這里并沒有通過關閉快速衰減來實現波形的平滑。

如果我們在這個模型上做一些試驗,將某一相(如A相)繞組的快速衰減徹底關閉后,正弦曲線的上升段平滑但是它的下降段出現了嚴重的失真。這是因為定子繞組在連續的充電周期的作用下磁場累積造成電流波形在下降段凸起,凸起的波形反映了低頻分量的失真,這甚至是更加嚴重的問題,它將造成轉矩輸出非常不穩定。所以,快速衰減和慢速衰減都是很重要的,對微步驅動策略來說尤其如此。

根據仿真實驗,很快產生了采用分段衰減調理的方法以進一步解決波形平滑不均勻的技術:由于快速衰減和慢速衰減的作用各占一半,在正弦函數的導數大于零之處毛刺很大,而在導數小于零處則不是這樣,這說明快速衰減造成的噪聲對正弦函數導數大于零時段敏感。所以,在導數大于零時將快速衰減關閉,而等到正弦曲線過了極值開始下降時再將快速衰減模式打開,這樣原來50% 快慢混合衰減時出現的中等噪聲的激勵電流波形就變為較光滑;如果進一步將快速衰減和慢速衰減的定時參數減少,也就是提高PWM的頻率,激勵電流的波形就非常理想了。

基于模型的設計和驗證技術,可以通過仿真不斷提煉目標模型,最終可以得到對所做的設計有比較完整的認識并根據目標模型進一步推進設計過程,以便更深入地研究一些現象并盡早驗證設計概念。由于有了一個可以評估的驅動模型,就能夠在此基礎上通過步進電機微步驅動的工程經驗和理論方法實行改進從而更早地得到更優良的設計原型。基于模型的設計方法學提供了一個機會,明顯地使設計人員比用傳統的方法更容易控制設計的過程和結果以及稀缺資源。

從功能仿真的目的出發,基于模型的設計技術得到能夠運行的設計規范、得到系統部件的軟硬件邊界、得到微步驅動功能要求的控制器系統架構、得到數字系統可綜合的硬件描述語言源代碼,還得到了可反復驗證設計的環境。當模型經過提煉,又具備很好的接口時,就有可能作為模型庫來使用。在此基礎上建立的微步驅動控制系統設計目標的一級近似就可以隨之推進該設計過程到有目標實物參與的仿真或調試的階段。

2 結語

位置控制系統中的執行元件特性決定了控制算法,步進電機驅動控制技術對高速運動和精確定位的性能提高是非常關鍵的,好的驅動策略往往可以降低對步進電機步距角精度的要求,并且得到優化的步進電機運行特性。

現代計算機科學和工程給微電機應用技術帶來了全新的面貌,人們認識電磁規律的手段也發生了革新。基于電子系統級的應用軟件能夠通過建模、仿真和設計迭代,極大改進電子系統的設計。

SoC,在芯片上實現的系統,芯片上所有可編程和可重構硬件資源都可為系統建模、仿真和執行的設計過程提供迭代環境,并為實現產品差異化目標構建了技術基礎。它不僅帶來了承載設計實體器物上的完善,也會發生設計過程形而上的進化。

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[14]http://www.actel.com.

[15]Allegro MicroSystems, Inc. 29319.34 Rev.2 “Dual DMOS Full-Bride Microstepping PWM Motor Driver”.

This article describes for implementing micro-steps driving by SoC solution of the stepper motors which are primary actuator of the position control in the high speed dome camera systems. It reports state of the art based-models technology. It analyses characteristics of the stepper motors and design a solution that adapt on the SoC implemented for a novel high speed dome camera position control electronic system. This solution aim at control technic demands of design for driving high precision stepper motors. The solution also done modeling position control systems on every level of the hierarchy for design the electronic system and explored its system framework with the optimized for performances by simulation.

High speed dome camera Stepper motor Driving control Building model Simulation

郭志潔(1955年5月16日—),男,江蘇南京人,漢族,研發工程師,研究方向:仿真技術開發與應用。