基于FPGA的伺服電機控制系統設計

孟慶仙

（云南機電職業技術學院 云南省昆明市 650203）

在機器人控制系統設計中，目前大多數控制系統仍然采用單片機或者ARM 等比較簡單的控制器，而本文采用當前比較流行的控制器件FPGA，對于多個I/O 控制也更加靈活方便。機器人在運動過程中的控制是由各個自由度由各種電機完成，而現在的最多的是伺服電機（舵機）。舵機由直流電機、電機控制器、電位器和減速器等構成，整體封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉動給定角度的電機系統。舵機安裝了一個電位器(或角度傳感器)檢測輸出軸轉動角度，控制板根據電位器(或角度傳感器)的信息對輸出軸的角度進行控制盒調節，形成一個閉環的控制系統。為了降低成本，在本控制系統的設計中，驅動各關節的電機均采用舵機。

1 仿人機器人控制系統組成

機器人是一種多自由度的機械，傳統的控制系統占用控制I/O口較多，且實現舵機的速度調節也占用大量的CPU 時間。系統結構如圖1所示。

機器人控制系統主要由FPGA 和舵機組成，FPGA 接收到來自于壓力傳感器傳遞過來的動作指令信號，將其轉化為能驅動舵機的PWM 波，通過改變它的占空比，來改變舵機所轉的度數，并且通過地址線的選擇來定位哪個舵機工作。FPGA 是整個控制系統的控制核心，也是整個系統最重要的組成部分。控制系統的軟件主要包括了通信模塊和動作譯碼模塊。通信模塊主要用來接受上位機傳來的動作定位信息，而動作譯碼模塊主要是對接收到的信息進行處理，根據定位信息來產生舵機的控制信號，讓機器人的各個關節協調運動，并且根據輸入信號的不同實時的調整舵機的角度。

基于FPGA 微處理器的仿人機器人控制系統與一般控制系統主要的差別是實現32 位的嵌入式系統操作，將存儲器、I/O 接口等外設嵌入到FPGA 中，組成一個可編程芯片系統。另外，利用SOPC設計中可復用的IP 核技術，大大降低了系統的成本、體積和功耗，完全能滿足機器人控制系統的要求。

2 舵機的驅動控制

本文選擇的舵機主要參數如下：可控轉角范圍-90°～90°?？刂泼}寬范圍0.5 ～2.5ms，周期20ms，最大扭矩/堵轉扭矩1.0kgcm，最大速度/空載速度10rad/s。舵機采用的驅動信號是脈沖寬度調制信號(PWM)，即在20ms 的周期內，輸入0.5 ～2.5ms 的脈沖寬度，對應的轉角范圍從-90°～90°，脈沖寬度與轉角基本呈線性關系。

在本論文中將利用FPGA 的SOPC 技術自行定義實現PWM 功能的IP 核，來實現基于NiosII 軟核處理器對機器人各個關節舵機的控制。

圖1：仿人機器人控制系統結構

圖2：下位機軟件設計流程

圖3

3 控制策略的實現

由壓力傳感器將驅動信號輸出到相對應的FPGA 引腳上，3 位地址線選擇控制9 個舵機，2 位數據線控制相應的動作（即舵機角度的變化）。

下位機軟件設計主要針對fpga 控制器的編程，主要是在quartusII10.0 中開發的。征途設計流程分為設計輸入，設計編譯，設計定時分析，設計仿真，器件編程5 個過程，下位機軟件主要包括了通信模塊和動作譯碼模塊。通信模塊主要用來接收上位機傳來的動作定位信息，而動作譯碼模塊主要是對接收到的信息進行處理，根據定位信息來產生舵機的控制信號，讓機器人的各個關節協調運動，做出我們想要的或事先編排好的類人的動作。下位機軟件設計程序主要流程如圖2所示。

4 動作譯碼模塊設計

上位機中壓力傳感器由于重力的變化引起了輸出電壓的變化，將電壓信號發送到下位機中。動作譯碼模塊主要功能就是在接收到的編碼信號后，對信號進行分析，判斷按鍵的動作，并進行舵機的選擇。根據動作的不同產生了控制8 路舵機的PWM 波形變化，進而控制機器人各個關節的運動，進行動作的編排。

機器人的所有動作都是根據重力變化不同而進行實時的調整，它是在一定的時間與序列上的位置和姿態的組合，所以一旦選中某個舵機運動，那么后面所有的操作都針對該選中的舵機，直到有信號輸入顯示需要更換舵機，復位操作除外。地址譯碼輸出控制選擇舵機動作，作用是將舵機在當前狀態下的基礎上轉動相應的度數。

系統實現對舵機輸出角度的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產生基本的PWM 周期信號，此處是產生20ms 的周期信號；其次是脈寬的調整，即模擬PWM 信號的輸出，并且調整占空比。

由于控制舵機脈沖寬度為0.5 ～2.5ms，對應的轉角范圍從-90°～90°，脈沖寬度與轉角基本呈線性關系。通過程序控制，能使舵機勻速或變速轉動。論文中運用的時鐘信號為50MHZ，每次最小的角度變化量定義為0.9 度，其對應的最小的脈寬變化量為0.01ms，

為了保證機器人在運動過程能夠勻速并且流暢的完成自己的動作，根據式子（1）：

即將舵機的滿量程180 度及其移動時間分成250 等分，則舵機每移動1 度需時100/9μs，每分步所需時間為8μs。從而得到公式（2）：

將舵機分步為0.72°/步，令θ 為0.72 的整數倍，即k=θ/0.72(k=0,1,2,...,250)，得公式（3）：

由于將角度量化，該公式的簡化使控制器非常方便地控制舵機的動作流暢性。

在程序中，主要是通過對PWM 的寄存器設置來產生不同占空比的PWM 信號的。PWM 波的寄存器主要有PWM 周期寄存器和占空比寄存器。我們需要20ms 的周期信號和占空比的各種信號。由于時鐘信號為50MHz，要得到20ms 的周期信號需將周期信號寄存器的值設為1000000，占空比寄存器的值分別設為25000 到125000 之間就能分得到脈沖寬度為0.5 ～2.5ms 占空比的PWM 信號。通過角度量化，將舵機的滿量程180 度及其移動時間分成250等分，得到每一步0.9°改變占空比寄存器里的值為500。通過控制占空比寄存器里以500 為步長的遞增或遞減的時間間隔來達到舵機的速度調節。

5 實驗測試

本論文主要運用的FPGA 控制舵機，產生所需的脈沖信號。由于實驗條件有限，為了清楚的看到仿真波形的變化，我們就把程序里所有的數字都除以500，那樣就可以縮短仿真時間。論文中一次45 度角的變化，是通過每次變化0.9 度，共50 次，每次變化中間間隔2 個周期（40ms）來完成的，所以，這個間隔應該50 * 20000* 2 = 2 * 10^6ns = 2ms。所以，為了波形的完整性和可對比性，在波形變化之前，應該保證有一個完整的波，即確認操作之前，應該留足一個完整的周期（20ms），但除以500 后，又因為CLK 的周期改成10ns，所以應該是20000ns。第二次確認操作后也留足2ms。（這次是控制了多個舵機）第三次操作是復原操作。（因為前面沒有針對同一個舵機兩次操作，所以2ms 也夠了。）

因此總共是6.02ms。

間隔：2,2,2,4,1990,4,200000,2,2,4,2,2,4,2,2,4,2,2,2,4,2,4,200000,2,4,200000 其中間隔的單位是周期的個數。

6 結束語

論文針對嵌入式機器人控制器諸多優點，設計了一個基于FPGA 微處理器的結構開放、模塊化、實時性好、多任務處理機器人控制系統，完成了PWM 信號程序設計，實現了對機器人舵機的角度的精確控制。實現了仿人機器人精準控制，達到了預期目標。仿人機器人實物如圖3所示。