一種基于FPGA的三軸伺服控制器的設計優化

　　在控制模塊的設計中速度與位置調節的是整個控制的主體，本伺服控制器完成輸入信號與輸出信號的比較，再通過位置校正、速度校正、機械諧振校正之后，校正后的信號控制PWM發生器的占空比，具有一定占空比的PWM信號控制PWM功率級，進而驅動被控對象。如此就可以得到本伺服控制器在反饋環節中所需要的力矩電機位置信息，利用該位置信息對三軸平臺實現高精度控制。

　　基于FPGA的三軸伺服控制器的通信模塊設計在硬件設計中也占有很大的比重。整體的通訊設計接口采用基于RS232的通用串口通信方式。采用這種接口方式能夠在滿足系統現場編程通信的同時滿足系統的遠程通信要求。該通信模塊采用一個帶有UART口的MCU，由于該MCU的數據都是立即數，在運行過程中并沒有取數據操作，因此設計的流水線結構采用三級結構，分別為取指令、譯碼和指令執行。而MCU的指令地址則由程序計數器給出。在通信模塊的設計主要考慮的是正常上位機通信的進行和遠程監控通信的有效實施。該設計采用了雙PC設計，這樣能夠極大地減少復位時間，使上述MCU不會因為外界的干擾而錯誤地執行指令，這樣就能提高系統的可靠性。

　　本三軸伺服控制器的硬件設計需要配合軟件才能有效運行，該控制器軟件設計的主要任務是：完成對接口的初始化;上位機能夠對獨立控制三軸的伺服控制設備進行指令控制;對于光電編碼器反饋的速度信號和位置信號進行讀取和分析處理;根據反饋的數據和外部的腔制命令完成整個控制系統的閉環控制。其具體的主程序控制流程圖如圖2所示。

　　本控制器軟件的關鍵是PWM信號的設定與輸出，一方面要考慮外部的輸入角度，另一方面要考慮系統的反饋。要實現高精度的三軸定位，必須有一套合理的信號產生機制。系統的中斷設計也是本控制器的重要研究內容，因為本控制器采用相對獨立的三軸控制方式，在保證各軸獨立運行的同時要兼顧到整體的運行情況，且在運行過程中一旦某一部分出現問題，其他所有的部分都要同時采取一定的措施解決這個問題。限于篇幅，本文并未列出該三軸伺服控制器的軟件程序。

　　3 性能測試

　　為了驗證所設計的三軸伺服控制器的有效性，對基于FPGA的控制、通信等模塊進行了基于軟件的Modelsim的仿真測試。首先進行了該控制模塊的單次運行時間，本三軸伺服控制器的單次運行的平均時間為483ns，這種結果基本滿足了該控制平臺的實時性要求。系統的通信功能測試主要針對控制器的在線編程和上位機遠程控制進行。以普通筆記本作為上位機，采用串口通信軟件與該控制器進行通信，完成系統的三個力矩電機的啟動、加速、調速、換向、制動等功能。控制器參數的在線編程也完全能夠滿足。

　　在性能測試方面還進行了該控制器的調速性能測試、及時中斷性能測試、故障自動報警與處理性能測試、三軸綜合配合高精度定位測試等一系列測試。從仿真測試結果上看，所設計的基于FPGA的三軸伺服控制器基本能夠滿足該機載平臺的要求。

　　4 結語

　　以FPGA作為控制核心對某機載三軸運動平臺的伺服控制器進行設計，主要對其硬件中的控制、驅動、通信模塊進行了設計，同時給出了其軟件控制流程和部分中斷、復位等軟件程序。通過后續的仿真測試驗證了該控制器的有效性。