一种基于FPGA的三轴伺服控制器的设计优化

　　在控制模块的设计中速度与位置调节的是整个控制的主体，本伺服控制器完成输入信号与输出信号的比较，再通过位置校正、速度校正、机械谐振校正之后，校正后的信号控制PWM发生器的占空比，具有一定占空比的PWM信号控制PWM功率级，进而驱动被控对象。如此就可以得到本伺服控制器在反馈环节中所需要的力矩电机位置信息，利用该位置信息对三轴平台实现高精度控制。

　　基于FPGA的三轴伺服控制器的通信模块设计在硬件设计中也占有很大的比重。整体的通讯设计接口采用基于RS232的通用串口通信方式。采用这种接口方式能够在满足系统现场编程通信的同时满足系统的远程通信要求。该通信模块采用一个带有UART口的MCU，由于该MCU的数据都是立即数，在运行过程中并没有取数据操作，因此设计的流水线结构采用三级结构，分别为取指令、译码和指令执行。而MCU的指令地址则由程序计数器给出。在通信模块的设计主要考虑的是正常上位机通信的进行和远程监控通信的有效实施。该设计采用了双PC设计，这样能够极大地减少复位时间，使上述MCU不会因为外界的干扰而错误地执行指令，这样就能提高系统的可靠性。

　　本三轴伺服控制器的硬件设计需要配合软件才能有效运行，该控制器软件设计的主要任务是：完成对接口的初始化;上位机能够对独立控制三轴的伺服控制设备进行指令控制;对于光电编码器反馈的速度信号和位置信号进行读取和分析处理;根据反馈的数据和外部的腔制命令完成整个控制系统的闭环控制。其具体的主程序控制流程图如图2所示。

　　本控制器软件的关键是PWM信号的设定与输出，一方面要考虑外部的输入角度，另一方面要考虑系统的反馈。要实现高精度的三轴定位，必须有一套合理的信号产生机制。系统的中断设计也是本控制器的重要研究内容，因为本控制器采用相对独立的三轴控制方式，在保证各轴独立运行的同时要兼顾到整体的运行情况，且在运行过程中一旦某一部分出现问题，其他所有的部分都要同时采取一定的措施解决这个问题。限于篇幅，本文并未列出该三轴伺服控制器的软件程序。

3 性能测试

　　为了验证所设计的三轴伺服控制器的有效性，对基于FPGA的控制、通信等模块进行了基于软件的Modelsim的仿真测试。首先进行了该控制模块的单次运行时间，本三轴伺服控制器的单次运行的平均时间为483ns，这种结果基本满足了该控制平台的实时性要求。系统的通信功能测试主要针对控制器的在线编程和上位机远程控制进行。以普通笔记本作为上位机，采用串口通信软件与该控制器进行通信，完成系统的三个力矩电机的启动、加速、调速、换向、制动等功能。控制器参数的在线编程也完全能够满足。

　　在性能测试方面还进行了该控制器的调速性能测试、及时中断性能测试、故障自动报警与处理性能测试、三轴综合配合高精度定位测试等一系列测试。从仿真测试结果上看，所设计的基于FPGA的三轴伺服控制器基本能够满足该机载平台的要求。

4 结语

　　以FPGA作为控制核心对某机载三轴运动平台的伺服控制器进行设计，主要对其硬件中的控制、驱动、通信模块进行了设计，同时给出了其软件控制流程和部分中断、复位等软件程序。通过后续的仿真测试验证了该控制器的有效性。