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步進(jìn)電機(jī)是一種完全數(shù)字化的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從原理上說，其角位移與驅(qū)動脈沖的個數(shù)成正比，在正常情況下，步進(jìn)電機(jī)具有使用簡單、運(yùn)動精確、連續(xù)運(yùn)行無累積誤差等特點，因而被廣泛應(yīng)用于各種位置控制系統(tǒng)中。當(dāng)前由于儀器內(nèi)部的機(jī)械系統(tǒng)日益復(fù)雜，其運(yùn)動往往是多自由度的，因而通常需要利用多個步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動合成來實現(xiàn)系統(tǒng)的各種動作。例如，對圖1所示的半自動生化分析儀的取樣針移位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的動作執(zhí)行就是由兩部分組成的：一是固定基座上的步進(jìn)電機(jī)控制取樣橫臂進(jìn)行垂直方向上的升降運(yùn)動；二是滑塊上的步進(jìn)電機(jī)控制取樣橫臂進(jìn)行水平方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這兩個運(yùn)動的合成實現(xiàn)了取樣橫臂的位置變換。 近年來，由于IP資源復(fù)用理念得到了普遍的認(rèn)同并成為主要設(shè)計方式，MCU、DSP、MPU等嵌入式處理器IP成為了FPGA應(yīng)用的核心。隨著處理器內(nèi)核以IP的形式嵌入到FPGA中，未來的電路板上可能只有兩部分電路：模擬部分(包括電源)以及FPGA芯片和一些大容量存儲器。這一切都表明可編程片上系統(tǒng)(SOPC)正在成為FPGA最重要的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)多軸控制器相比。這種基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器具有體積小、集成度高、硬件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于開發(fā)升級且成本低廉等特點，尤其適用于儀器儀表內(nèi)部控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文所論述的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器就是基于SOPC方式的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器。 1 基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器的硬件結(jié)構(gòu) 基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其外部電路的構(gòu)成包含模擬電路和數(shù)宇電路兩部分。模擬電路包括供電電源及功率驅(qū)動。數(shù)字電路主要為FPGA芯片及其相關(guān)電路。 如圖2，基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器包含兩部分：FPGA芯片及其配置芯片的數(shù)字部分和電機(jī)控制及位置反饋部分。其中，虛線框內(nèi)部表示FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，空心箭頭表示FPGA芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)連線，實心箭頭表示外部連線。FPGA芯片內(nèi)部由MPU模塊、通訊模塊、RAM模塊、ROM模塊、計數(shù)器模塊、電機(jī)控制模塊等構(gòu)成。當(dāng)控制器失電時，這些模塊信息存儲在配置芯片中，等到系統(tǒng)重新上電時，F(xiàn)PGA芯片再從配置芯片中讀取其配置信息，重構(gòu)內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)。MPU模塊是整個控制器的核心，它的功能等同于事實的微處理器。它通過通訊模塊與外部主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，并將數(shù)據(jù)存儲在RAM模塊中。RAM模塊同時還用于暫存MPU模塊執(zhí)行ROM模塊所存儲的程序段時的某些中間過程值，而MPU則根據(jù)ROM模塊中程序執(zhí)行的結(jié)果輸出相應(yīng)的控制信號給電機(jī)控制模塊。電機(jī)控制模塊的輸出連接到實際的芯片引腳上，以驅(qū)動相應(yīng)的功率驅(qū)動電路工作，從而實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在閉環(huán)控制時，步進(jìn)電機(jī)軸端的編碼器模塊輸出編碼信號。該信號經(jīng)編碼器反饋電路進(jìn)行隔離等處理之后，由FPGA芯片內(nèi)部的計數(shù)器模塊進(jìn)行計數(shù)，并將結(jié)果傳輸給MPU模塊進(jìn)行處理，從而形成位置/速度的閉環(huán)控制。圖2只表示了單個步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖，對于多軸步進(jìn)電機(jī)而言，F(xiàn)PGA芯片只需要增加相應(yīng)的功率驅(qū)動電路及編碼器反饋電路即可。電機(jī)控制模塊和計數(shù)器模塊都在FPGA內(nèi)部集成，因而硬件電路的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。 由于IP技術(shù)的飛速發(fā)展，在圖2中的FPGA芯片內(nèi)部模塊中，MPU、ROM、RAM、計數(shù)模塊等的IP核都可以很方便地獲得，而電機(jī)控制模塊由于與具體的功率放大電路實際相關(guān)，因而通常需要用戶自行設(shè)計。下面介紹這一模塊的設(shè)計。 2 二相步進(jìn)電機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu) 以小慣量的二相步進(jìn)電機(jī)為例闡述步進(jìn)電機(jī)控制模塊的結(jié)構(gòu)。該步進(jìn)電機(jī)由兩片PBL3717a芯片所驅(qū)動。其驅(qū)動時序及其控制模塊如圖3、圖4所示。 由上分析，利用上述多個步進(jìn)電機(jī)控制模塊以圖6所示的方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接，就能夠構(gòu)成本文所論述的基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器。由于MPU、ROM、RAM、電機(jī)控制模塊等都是以功能模塊的形式集成在FPGA芯片內(nèi)部，因此大大縮小了基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器的尺寸。這些功能模塊可以根據(jù)實際的應(yīng)用進(jìn)行添加或刪除(即對FPGA芯片的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu))，因此極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，能更好地滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。 IP技術(shù)的飛速發(fā)展使得開發(fā)人員很容易獲得多數(shù)通用模塊的可復(fù)用IP核，從而減輕了開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，縮短了開發(fā)周期。當(dāng)系統(tǒng)需要升級時，也不需要對硬件電路重新設(shè)計，只需通過修改FPGA中相應(yīng)模塊的配置文件，因此節(jié)約了控制器的升級成本。同時，由于MPU模塊的功能與實際的微處理器相同，因而在微處理器上可運(yùn)行的控制程序也可以很容易移植到MPU模塊中運(yùn)行。為了便于闡述基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器，本文側(cè)重于闡述多個步進(jìn)電機(jī)同速恒速運(yùn)行的情況。對于變速運(yùn)行的情況，可通過在MPU的脈沖輸出端和各電機(jī)控制模塊的脈沖輸入端之間插入MPU可控的分頻模塊來獲得。同時增加插補(bǔ)模塊以實現(xiàn)不同電機(jī)之間的聯(lián)動功能。 本文所述的基于SOPC的步進(jìn)電機(jī)多軸控制器應(yīng)用于半自動生化分析儀的取樣針移位系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)多軸控制器的所有控制功能，控制器的尺寸小于傳統(tǒng)控制器；當(dāng)控制器的數(shù)字電路部分需要修改時，無需更換控制器的實際硬件電路，大大方便了控制器的研究設(shè)計工作并節(jié)約了相應(yīng)的開發(fā)成本。 |
