基于SoPC的伺服控制器的方案研究.doc

基于SoPC的伺服控制器的方案研究 代俊锋1，穆欣2 （1.北京首科凯奇电气技术有限公司，北京102200；2.北京工业大学，北京100124） 摘要：传统伺服控制器中常用的运算芯片是TI公司的28系列芯片，属于ASIC芯片，厂家已为用户提供了一些常用且固定的外设模块，用户不能随意增删或修改其功能。但随着越来越多的专用伺服系统的出现，这些固定的外设资源已经不能适应伺服开发厂商的需要。由此提出了基于SoPC的伺服控制器，使用FPGA芯片来定制所需的CPU软核和需要的外设，将电流环调节器实现硬件化、并且使ADC和SVPWM等模块实现可定制化，由此满足开发需要。其除了具有SoPC技术本身的优点之外，还实现了传统伺服控制构架无法实现的功能和性能，例如，利用硬件实现MT法速度采样及电流采样均值滤波处理。经验证该设计方案可行且在功能和性能上优于传统伺服控制器构架。 关键词：sopc；fpga；nios；伺服控制器 ：TN701?34：A：1004?373X（xx）20?0150?04 ：xx?04?13 SchemeresearchofSoPC?basedservocontrollerDAIJunfeng1，MUXin2 （1.BeijingShokeCatchElectrialTechnologyCo.，Ltd.，Beijing102200，China；2.BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China） Abstract：ThemonoperationchipintraditionalservocontrollerisTI28serieschipintraditionalservocontroller，whichbelongstoASICchip.Themonandfixedperipheralmodulesareprovidedbymanufacturersfortheusers，andbutitsfunctionscantbeadded，anddeleted，ormodifiedbyusersoptionally.Withtheincreasingappearanceofspecialpurposeser?vosystems，thesefixedperipheralresourcesareunabletomeettherequirementsdemandsoftheservodevelopmentfirmmanufac?turerss.Therefore，aSOPC?basedservocontrollerispresented，inwhich.FPGAisusedtocustomizetheneededCPUsoftcoreandperipherals，thecurrentloopregulatorisachievedbyhardwareconversion，andthecustomizationofADCandSVPWMmodulesarereachedto，whichmeettheneedsofdevelopment.TheproposedcontrollerhastheadvantagesofSOPCitself，andcanreal?izethefunctionandperformancethatthetraditionalservocontrolframeworkcantbeimplemented.Theverificationresultsprovethatthedesignschemeisfeasible，andbetterthantheframeworkoftraditionalservocontrollerintheaspectsoffunctionandperformance. Keywords：SOPC；FPGA；NIOS；servocontroller 0引言 目前SoPC技术已经被广泛应用到了许多场合，其开发周期短、设计灵活、直接面向用户等优点是其迅速发展的原因。FPGA是实现SoPC技术的一种方式1。本文相对于传统的伺服，采用Altera的FPGA，提出了一种基于SoPC技术的伺服控制器设计和开发方案。并利用DSPBuilder，Eclipse等工具，实现了对此方案的验证工作，在此过程中设计和实现了具有自主知识产权的IP核，其中包括：电流环PI调节算法的IP核、SVPWMIP核、SPI接口电流采样IP核、MT法测速IP核等，由此可更有效地保护自主知识产权。 1方案设计 整体设计方案的示意图如图1所示，其中为速度指令，经过速度调节器处理后生成电流指令Iq并被送入电流调节器，然后经过Park?1和Clarke?1变换实现直交和23变换，结果送入SVPWM模块生成PWM波，并由此控制IGBT桥臂的开关动作，以实现对电机三相电流的控制。 1.1电流环调节 1.2SVPWM模块 如图3所示采用包含死区功能的5段空间矢量合成方式，共有8种安全的矢量状态，其中U0（000），U7（111）这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流，因此称其为零矢量。另外6种矢量状态分别是U1（001），U3（011），U2（010），U6（110），U4（100），U5（101），它们将360的电压空间分为60一个扇区的6个扇区，利用这6个基本有效矢量和2个零矢量，可以合成360内的任何矢量4。 利用DSPBuilder绘制的逻辑图如图4所示，其中有一个24b的计数器和3个比较器，将当前计数器及比较器的状态作为输入送入状态机中获得PH1，PH2，PH3三项逻辑值，然后经过死区处理分出SV1，SV1*，SV2，SV2*，SV3，SV3*六路PWM信号波形。本设计的特点是可根据使用需要，通过T3CMP寄存器修改和调整PWM周期；如果需要由5段式PWM改为7段式PWM，或者由中心对齐式改为边缘对齐式，都是比较容易做到的。 1.3电流采样 由于选用的Altera的FPGA中没有模拟电路，无法直接实现电流采样，因此需要外加电流采样电路；选用AD公司的AD7478和AD7476采样芯片，利用SPI接口实现电流采样数据的读取。选用最高的20MHz的SPI传输时钟，采样频率为1MHz，另外已经确定了电流环的调节周期为10kHz。因此可知，为了更有效和真实地将相电流读入调节器中，可以在一个电流环调节周期中进行不间断的100次采样，然后将其累加并求出均值，由此可以最大限度地减少因采样时间点选取的不同而导致的电流采样值的失真。 1.4编码器信息处理 编码器信息处理包括两部分内容：一方面是位置信息的采集；另一方面是速度信息的采集。这里选用增量式编码器，输出A，B，Z三组差分方波信号，顺时针旋转时A超前B90，逆时针旋转时B超前A90，编码器每旋转1圈则在固定的位置产生1个方波信号Z。利用硬件描述语言Verilog编程，实现对A，B信号4倍频后的计数工作，并且根据A，B的相互超前关系得出转动方向，由此实现位置信息的采集。同样编写Verilog程序，实现M法和T法的速度采集工作，其中M法为计数法，在一个固定周期（1ms）内对A，B四倍频后的信号进行计数，由计数结果和固定周期计算出速度值。T法为对A或B信号的周期执行计时工作，然后由单位脉冲的周期值计算出速度。这两种方法各有优劣：M法在电机转速较高的时候，采集速度的精度比较高，电机转速较低时，采集速度的精度比较低；而T法则正相反，在电机转速较高的时候，采集速度的精度比较低，电机转速较低的时候，采集速度的精度比较高5。 因此可将这两种方法结合起来，即为MT法。当速度比较高的时候采用M法获得的速度值；当速度比较低的时候则采用T法获得的速度值。确定切换点可以依据采样时钟、计数周期等信息计算获得。图5是在每转脉冲数为12000p/r，采样时钟20ns，计数周期1ms的情况下，计算出的M法和T法速度采样随转速变化时的精度曲线，其相交点在1118r/min处，将此处设为MT法的切换点。由此可知，采用MT法速度采样后，最大误差出现在切换点处且小于0.5%。 1.5定制CPU软核 采用Altera的NIOS作为CPU，NIOS是一个用户可配置的32位RISC嵌入式处理器，它是SoPC的核心，处理器以软核形式实现，具有高度的灵活性和可配置性6。另外其支持使用专用指令，专用指令是用户增加的硬件模块，它增加了算术逻辑单元（ALU）。用户能为系统中使用的每个NIOS处理器创建多达256个专用指令7，这使得设计者能够细致地调整系统硬件以满足性能目标。专用指令逻辑和NIOS本身指令相同，能够从多达2个源寄存器取值，可选择将结果写回目标寄存器。同时，NIOS系列支持60多个外设选项，开发者能够选择合适的外设，获得最合适的处理器、外设和接口组合，而不必支付根本不使用的硅片功能。因此，设计者可以根据系统需求的变化更改CPU，选择满足性能和成本的最佳方案，而不会影响已有的软件投入8。 定制的NIOS软核需要包含的组件是：SDRAMController，Timer，JTAG_UART，SystemID，ParallelI/O等。另外需要在定制指令中添加浮点数值硬件乘法器和浮点数值硬件除法器，由此保证软件中的浮点运算可以在较少的指令周期内完成，提高运算器效率和降低CPU负担9。 2验证过程 经过努力，已按照该方案制造出首台样机，其电流环带宽、电流精度、速度精度等指标都已达到要求。而且在此基础上FPGA的逻辑资源和引脚资源依然有较大的冗余空间，足够实现现场总线、绝对式编码器接口等更多功能。选择的测试电机为，凯奇公司的型号为140NYS?L的永磁同步电机，其主要参数为，额定转速3000r/p，额定功率4kW，额定电流8A等。主要进行两项测试，堵转测试和带载测试，测试结果如下所述。 2.1堵转测试 这里列出了在电流指令为3A和8A两种情况下的堵转测试，直轴电流反馈Iq_fbk如图6所示。其中横轴为时间，单位是0.1ms；纵轴为电流，单位是0.01A，这里的超调幅度及震荡的时间，可以通过调节模块中的比例增益和积分增益两项参数来调整。由图可知，在堵转条件下电流可以较快的进入稳定状态，并且不存在稳态误差，且电流精度控制在5%以内，满足伺服控制器要求。 2.2带载测试 图7（a）是电机加速过程中调节器输出的Va值绘制的曲线，图7（b）是带载匀速过程中采集的Ia，Ib，Ic三相电流的曲线。经过与传统伺服系统在相同测试条件下获得曲线进行比较，在平滑度、真实度等方面都有较大提高。 3结语 由此得出结论，本文提出的基于SoPC的伺服控制器设计方案可行，且相对于传统的ASIC方案拥有更好的灵活性和适应性，在许多功能和性能方面都有所超越，例如电流采样精度，电流环调节效率等。另一方面，在研发过程中自主开发的SVPWM，PI调节器等核心功能模块，都以IP核的形式有效保存下来，因此更能有效保护自主知识产权，所以本方案具有较好的应用前景。 参考文献 1赵希梅，郭庆鼎.交流伺服控制系统的发展现状及其研究热点J.伺服控制，xx（1）：15?16. 2Altera.DSPbuilderstandardblocksetuserguide，sectionIR.USSanJose：xx. 3于吉帅.永磁直线伺服系统电流环优化设计D.沈阳：沈阳工业大学，xx. 4范心明.基于SIMULINK的SVPWM仿真J.电气传统自动化，xx（3）：19?21. 5舒志兵.交流伺服运动控制系统M.北京：高等教育出版社，xx. 6李兰英.NIOS嵌入式软核SoPC设计原理及应用M.北京：