基于FPGA的位置伺服三閉環控制器設計

張顯亭　劉興中　鄭自偉

摘 要：設計了基于FPGA外掛SDRAM的三閉環位置伺服控制器，對三閉環控制算法進行了詳細描述，并結合硬件電路應用在實際產品中，取得了預期的技術指標，提高了位置伺服系統的動態特性。

關鍵詞：FPGA SDRAM 伺服控制器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（b）-0026-02

目前國內外把電動位置伺服作為重要的研究方向，電動舵機的應用也日益廣泛。電動舵機相比與以前的液壓舵、氣動舵具有體積小、成本低、簡單可靠、動態特性好且易于控制等特性。目前電動舵機的性能越來越完善，并朝著數字化、多余度、大功率、高精度和智能化的方向發展。電動舵機的控制策略也多種多樣，根據不同應用場合的要求運用了不同的算法和設計平臺，比如基于DSP、FPGA或者單片機等。該文設計了一套全數字導彈用舵機伺服系統，該系統以無刷直流電機作為伺服電機，采用三閉環的控制策略，基于FPGA的NIOSⅡ軟核為開發平臺，利用C語言的優良特性，在NIOSⅡ內實現基于C語言的算法設計，實現了舵機位置的高性能跟蹤，以滿足導彈舵機的高精度、高靈敏度和高可靠性要求。

1 系統構成及工作原理

位置伺服控制器是一個閉環的控制系統。其執行元件是直流無刷電機，傳動部件由行星減速器和滾珠絲杠組成，驅動控制器采用數字控制。伺服控制器接收上位機的角度控制信號，驅動無刷電機按照一定的速度、旋轉方向和旋轉角度工作，通過傳動部件轉化為角度運動，從而實現位置的角度控制。

2 硬件設計

2.1 FPGA主控及外圍電路設計

該項目采用的是Altera公司的CycloneⅢ系列低成本器件，該芯片為256管腳的BGA球柵型封裝，擁有更多的I/O端口，集成嵌入式處理器NOISⅡ，I/O口157個，滿足設計要求。

FPGA外圍電路主要包括：電源管理電路、程序配置芯片電路、下載調試口電路等。

2.2 驅動及電流采樣電路設計

伺服系統控制器的驅動電路采用經典的三相橋式電路，驅動芯片采用仙童公司集成電路，橋式電路采用IR公司MOSFET開關管，電流采樣電路采用ACS714ELCTR-05B-T集成電路。

系統中筆者對三相繞組分別采樣，電流的方向和相序選擇在軟件內部完成，該電流傳感器額定供電電壓5 V，額定輸入電流為±5 A，輸出電壓范圍是0～5 V，具有185 mV/A輸出靈敏度。芯片可以線性的將電流信號轉化為相應的電壓信號輸出，輸入電流與輸出電壓關系為：

2.3 A/D轉換電路設計

控制中分別使用電位器和電流傳感器作為舵機位置和電流的檢測裝置，所以共有16路模擬電壓信號需要轉換為數字信號。其中電位器的輸出為0～5 V電壓信號，為了滿足系統控制精度要求為±0.2°，通過計算需要14位精度的AD才能滿足要求，同時系統需采集四路位置信號，選擇了AD7949模數轉換芯片，該芯片具有8路輸入通道，每路的輸入電壓最高可到5.5 V，并且獨立工作，該芯片數字端供電電壓為+3.3 V，串行信號輸出，可以滿足舵系統的使用要求。

系統電流信號的轉換采用NS公司的12位A/D轉換器，該芯片的模擬輸入端為0～5 V電壓信號，數字輸出為幅值3.3 V的數字量，接口與FPGA匹配，數字信號可直接送入FPGA的I/O口。

2.4 外部擴展SDRAM電路設計

由于采用了C語言編寫主程序，嵌入在NIOS軟核內，程序代碼量較大，不適宜在FPGA內部RAM上運行，所以在外部外擴了SDRAM電路，以降低FPGA的消耗，提高運行速度，所用的SDRAM器件為MICRON公司的MT48LC16M16A2TG，它的地址線為16位，并行運行方式。

3 軟件算法設計

軟件設計采用NIOSⅡ軟核加部分用VHDL語言編寫的數字邏輯電路的方式來完成整個系統的功能和要求，將算法嵌入進NIOSⅡ軟核內部，用C語言實現，外部只用硬件語言VHDL實現A/D轉換和PWM換向等模塊編程。

3.1 系統軟件設計組成

軟件主要分為兩大塊：外圍硬件語言編寫模塊和NIOSⅡ軟核模塊。外部硬件語言采用VHDL加Verilog語言實現位置信號和電流信號A/D的采集及轉換；內部軟核實現整個控制算法以及對EEPROM的讀寫操作。算法首先將串口接收到的操舵指令進行分離和轉換，同時將四路反饋回來的位置信號也進行調理和轉換，然后做差進行位置PI調節；完成位置調節后通過調理模塊計算出給定速度信號，同時與反饋計算的當前舵角轉速信號做差再進入速度PI調節模塊；最后進入電流環P調節器。待三環調節完成后輸出PWM調節信號。

3.2 三閉環控制算設計

系統采用了全數字三閉環串級控制策略，分為電流環、速度環和位置環；位置環接收上位機下發的舵角操舵指令和位置傳感器反饋回來的當前位置信號并對兩者進行做差處理，然后進行位置環的PI控制，輸出一個速度參考值，該值與反饋計算的當前舵角速度進行做差處理，再進入速度環PI調節器，輸出給電流給定信號，該信號與電流采樣值做差，進入電流環P調節，輸出一定占空比的PWM信號，驅動三相橋臂電路，調節伺服電機正反轉運動。

三環控制可以保證系統的穩定性和響應速度，當速度環和電流環內部的參數發生變化或者受到擾動時，它們能起到有效的擬制作用，減少了對位置環的影響。電流環將產生最終的PWM信號，它的作用是考慮到電流的跟隨特性，當電流受到微小擾動時，算法能夠自動響應進行迅速調節，從而保證舵機輸出力矩波動盡可能的小。

電流環的給定既是速度環的輸出，速度環作為三環的中間環節，具有承上啟下的作用，由于舵機負載轉矩產生的非線性主要作用于速度環，因此該環的非線性較大，采用傳統的PI控制可以維持轉速的平穩性，速度反饋的計算是通過對位置信號檢測值的微分得來的。

位置環作為最外環的控制，決定了舵機系統的快速性和穩定性，同時決定了系統精度，該項目中采用PI調節器，這樣不僅保持了算法原理簡單、使用方便、魯棒性較強的特點，而且具有更大的靈活性、適應性和精確性，有利于提高系統的阻尼性能，并極大的減少了系統響應的超調，使系統具有較快的響應速度和抗擾動能力。

4 結語

項目研制完成后對樣機進行了試驗驗證，各項測試結果顯示均能達到預期的指標要求，較之前的同類產品性能有了很大的提高。

從分析結果可得，該系統實現了基于NIOSⅡ軟核三環控制算法策略，系統達到了預期的技術指標，速度、頻響等特性表現較好，系統頻響在原有15 Hz的基礎上提高到了現有的17 Hz。

參考文獻

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