基于FPGA的旋轉反射鏡運動控制器設計

王一程,唐 聰,陶會鋒,鄭 超

（紅外與低溫等離子體安徽省重點實驗室； 脈沖功率激光技術國家重點實驗室； 電子工程學院，安徽合肥，230037）

基于FPGA的旋轉反射鏡運動控制器設計

王一程,唐 聰,陶會鋒,鄭 超

（紅外與低溫等離子體安徽省重點實驗室； 脈沖功率激光技術國家重點實驗室； 電子工程學院，安徽合肥，230037）

以一種用于光束指向控制的旋轉反射鏡為背景，設計了一種基于FPGA芯片的運動控制器，在一塊FPGA芯片上完成控制算法實現(xiàn)、傳感器信號處理、脈寬調制方波生成、串口收發(fā)等功能。實驗結果表明這種運動控制器具有響應速度快，可靈活配置的特點，能為類似產品的設計開發(fā)提供借鑒。

FPGA；運動控制器；旋轉反射鏡

0 引言

光束指向的控制可分為兩種方式，一是通過直接控制照射光源本身的角度來改變光束指向，二是在光源前面加裝一個平面反射鏡，通過控制反射鏡的角度來改變反射光束指向。前者用于光源的體積和重量不大且光源本身具有一定抗振動性能的情況，如舞臺燈光；而如果光源體積或重量較大，或者不能在頻繁振動的情況下工作，則必須采用第二種方式，例如大功率氙燈。在用于反射大功率光源的反射鏡控制系統(tǒng)中，運動控制器是一個關鍵的部件，它的主要任務是將上位機發(fā)送的反射鏡角度設定信號進行處理，得到的控制信號經(jīng)放大后驅動兩自由度旋轉反射鏡轉動，實現(xiàn)對角度設定信號的精確和快速跟隨。

在以往的應用中，運動控制器大多以單片機或DSP為核心處理器，這種方案的優(yōu)點是靈活，編程簡單。但也存在不少的弊端，它的靈活性常常是以犧牲實時性為代價的，在程序復雜度很高的情況下實現(xiàn)實時處理成本較高；而且它屬于軟處理技術，無法達到專用集成電路那樣高性能、高可靠、高一致性[1]。

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）既有門陣列的高邏輯密度和通用性，又有可編程邏輯器件的用戶可編程特性，在實現(xiàn)小型化、集成化和高可靠性的同時，減小了設計風險，降低了成本，而且FPGA能為設計者提供比DSP更高的并行性。因此，在國外，越來越多將運動控制方案中的處理部分交給了FPGA，甚至獨立的FPGA來專門處理運動控制[2]。本文重點討論使用FPGA器件來實現(xiàn)兩自由度反射鏡運動控制的方法。

1 系統(tǒng)組成及原理

旋轉反射鏡的結構如圖1所示，具有方位和俯仰兩個旋轉自由度，由方位/俯仰電機、方位/俯仰光電編碼器、方位/俯仰測試機、反射鏡和機架等組成。

方位和俯仰這兩個角度的控制在結構上基本相同，都是使用直流力矩電機同軸直接驅動，采用PWM（脈寬調制）方式進行功率放大，角位置環(huán)傳感器采用增量式光電編碼器，角速度環(huán)傳感器采用直流測速發(fā)電機。從控制原理角度來看，方位和俯仰的閉環(huán)控制回路結構基本相同，都屬于典型的帶有速度回路的雙閉環(huán)單輸入單輸出位置隨動系統(tǒng)[3]，因此下文均以方位軸的控制為例進行介紹。

2 系統(tǒng)硬件設計

圖1 旋轉反射鏡組成結構圖

運動控制器的功能為根據(jù)上位機或鍵盤的指令來驅動力矩電機帶動反射鏡轉動。FPGA是運動控制器的主控芯片，主要完成以下功能：傳感器信號的采集和處理、控制算法實現(xiàn)、PWM方波輸出、與上位機的串口通信、響應控制鍵盤信號和LCD顯示等，如圖2所示。

圖2 運動控制器硬件結構框圖

增量式光電編碼器一般輸出A、B、Z三相信號，輸出電平為5V，需經(jīng)過電阻分壓方可接入FPGA。

測速機輸出的是幅值與轉速成正比的電壓信號，電壓的正負對應轉向的正反。選用AD574A型雙極輸入的12位精度模數(shù)轉換芯片，將測速機輸出的模擬信號轉換成數(shù)字信號后送入FPGA。

功率放大采用H 雙極模式可逆PWM芯片L298。L298內含兩個H橋的全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機。采用標準邏輯電平信號控制，F(xiàn)PGA可以直接與之連接進行控制，但考慮到驅動電路中噪聲較大，最好在FPGA和L298之間通過高速光耦隔離芯片連接。

FPGA與上位機通過RS232串口連接，上位機的RS232串口信號經(jīng)電平轉換芯片后接入FPGA。

3 系統(tǒng)軟件設計

在Quartus II環(huán)境下采用VHDL語言開發(fā)完成的FPGA配置程序。主控芯片F(xiàn)PGA的程序可分為以下幾個功能模塊：光電編碼器信號處理、測速機信號處理，控制算法實現(xiàn)，PWM生成，串口通信等。

3.1 光電編碼器信號處理

增量式光電編碼器的線數(shù)是其主要技術指標之一，如10000線的光電編碼器，其角度測量分辨率為360°/10000=0.036°。FPGA內部可用可逆計數(shù)器來對A或B相的脈沖進行計數(shù)，經(jīng)換算得到角位置信號。為了提高角度分辨率并避免換向誤碼，在將A、B相信號送入可逆計數(shù)器前先進行電子倍頻。經(jīng)過4倍頻后，角度分辨率提高到0.009°。同時，為了確定轉動方向，還需對A、B相信號進行鑒相，即通過鑒別A、B兩路信號的相位關系來確定轉向。

3.2 測速機信號處理

FPGA負責控制AD574A芯片進行轉換和讀取數(shù)據(jù)，用FPGA的一個IO口輸出1kHz的脈沖控制AD574A的R/nC腳，則每毫秒進行一次A/D轉換。同時用另一個IO判斷AD574A的STS腳的電平，若為低電平則說明轉換已完成，此時FPGA將AD574A的12位數(shù)據(jù)讀入內部寄存器緩存。為了降低模擬信號附帶了噪聲信號，F(xiàn)PGA要對速度信號進行數(shù)字濾波，可采用平均濾波的方法實現(xiàn)。

圖 3 控制閉環(huán)回路組成框圖

3.3 控制算法實現(xiàn)

閉環(huán)控制回路的結構如圖3所示，包含內外兩個回路。輸入為上位機通過串口向FPGA發(fā)送的角位置設定信號（Position Set），輸出為反射鏡的角位置θ，受控對象包括功放電路、力矩電機、以及反射鏡和轉軸等運動部件。Gpc表示位置環(huán)調節(jié)器，Gnc表示速度環(huán)調節(jié)器，Go表示受控對象；Encoder表示光電編碼器，Tachometer表示測速機，AD表示模式轉換芯片；1/s表示積分環(huán)節(jié)，n表示轉速。

內環(huán)的速度環(huán)調節(jié)器Gnc采用PID調節(jié)，外環(huán)的位置環(huán)調節(jié)器采用PI調節(jié)。因此，F(xiàn)PGA內部需配置乘法器、加法器、積分器和微分器等模塊。

該部分主要是進行算法設計，可以借助DSP Builder來自動完成大部分的設計過程和仿真[4]，直至把編譯生成的配置文件下載到FPGA芯片里。

3.4 PWM生成

速度環(huán)調節(jié)器Gnc的計算結果為速度設定信號Sn，Sn可量化為N級。例如N=2048，則Sn=2048對應最高轉速，此時PWM模塊輸出高電平信號（即占空比為1）；Sn=1024對應最高轉速的一半，此時PWM模塊輸出占空比為50%的方波；Sn=1對應最低轉速，此時PWM模塊輸出占空比為1/2048的方波；Sn=0表示停止，此時PWM模塊輸出低電平。另外，為了確定轉向，Gnc還需給出一個轉向信號至PWM模塊。

3.5 串口通信

FPGA通過一個RS232串口與上位機通信。上位機要向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)（例如角位置設定信號、角速度設定參數(shù)、控制系統(tǒng)參數(shù)、限位參數(shù)等）；同時FPGA向上位機回傳系統(tǒng)狀態(tài)、角位置反饋、角速度反饋等信號。為了使控制器具有良好的通用性，數(shù)據(jù)幀格式依據(jù)Pelco-D協(xié)議進行設計。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較多而且很頻繁，所以將比特率設置為115200。

4 實驗結果

采用50MHz的系統(tǒng)時鐘，F(xiàn)PGA能以每秒1000次的速度完成信號采集與處理、數(shù)字濾波、控制運算和控制信號輸出的流程。占用的FPGA硬件資源約為3600個邏輯單元（logic cells）,可選用Altera公司的Cyclone II系列芯片EP2C8T144C8實現(xiàn)。

5 結論

本文設計了一種以FPGA為核心處理器的旋轉反射鏡運動控制器。實驗結果表明這種運動控制器響應速度快，且可通過編程靈活配置，該控制器的高速處理能力有助于提高光束指向控制系統(tǒng)的實時性。本設計能為類似產品的設計開發(fā)提供借鑒。

[1]王一程,汪海兵. 基于FPGA的光電跟蹤控制系統(tǒng)設計[J].電光與控制,2009，16(3)：54-57.

[2]冼 進.Verilog HDL數(shù)字控制系統(tǒng)設計實例 [M].北京，中國水利水電出版社，2007.

[3]李楷.小型光電跟蹤系統(tǒng)設計[D]. 碩士學位論文,2003.

[4]任曉東,文 博.CPLD/FPGA高級應用開發(fā)指南[M].北京，電子工業(yè)出版社，2003.

Design of FPGA-based Motion Controller for Rotating mirror

Wang Yicheng,Tang Cong,Tao Huifeng,Zheng Chao
（Key Laboratory of Infrared and Low Temperature Plasma of Anhui Province; State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, Electronic Engineering Institute,Anhui Hefei,230037）

In the background of a rotating mirror used for beam pointing control，A FPGA-based motion controller was designed. Tasks such as implement of control arithmetic, processing of sensor signal, creating PWM wave and data transceiver by serial port were performed in a single FPGA chip. Experimental results show that the motion controller has the characteristics of fast response speed and flexible configuration, and this design can provide reference for the design of similar products.

FPGA; Motion Controller; Rotating Mirror

王一程(1983-)，男，廣西百色人，電子工程學院講師，主要研究方向為ARM、FPGA嵌入式系統(tǒng)。