基于FPGA的步进电机多轴控制器设计

2012-10-15 10:31

　　由于可编程逻辑器件(PLD)技术的飞速发展，使得单一FPGA/CPLD芯片内部可以集成多个分立元件的功能，因此在对传统控制器的改进中，通常使用一个FPGA/CPLD芯片将传统控制器中的数字电路部分集成到一起，从而形成具有处理器-FPGA/CPLD-模拟电路结构形式的控制器。这类控制器比起传统控制器而言，其硬件结构的可扩展性得到了很大的提高。这是因为FPGA/CPLD芯片具有在不改变其引脚定义的情况下可对其内部逻辑关系进行重构的特性，因而对于不同的应用，可以通过改变FPGA/CPLD芯片的内部结构来满足某些特殊的应用需求，从而在一定程度上使得系统的开发升级更为简便，而且成本也更为低廉。因此，这种改进型的多步进电机控制器的应用范围也得到了很大的扩展。

　　这种结构的控制器也存在着这样的问题：在FPGA外部仍然存在一个处理器。这样不仅增加了控制器的尺寸，而且在升级处理器时，硬件电路需要重新设计，使升级成本仍然相对较高。

　　近年来，由于IP资源复用理念得到了普遍的认同并成为主要设计方式，MCU、DSP、MPU等嵌入式处理器IP成为了FPGA应用的核心。随着处理器内核以IP的形式嵌入到FPGA中，未来的电路板上可能只有两部分电路：模拟部分(包括电源)以及FPGA芯片和一些大容量存储器。

　　这一切都表明可编程片上系统(SOPC)正在成为FPGA最重要的发展方向。与传统多轴控制器相比，这种基于SOPC的步进电机多轴控制器具有体积小、集成度高、硬件结构稳定、易于开发升级且成本低廉等特点，尤其适用于仪器仪表内部控制系统的设计。本文所论述的步进电机多轴控制器就是基于SOPC方式的步进电机多轴控制器。

　　1 基于SOPC的步进电机多轴控制器的硬件结构

　　基于SOPC的步进电机多轴控制器的结构框图如图2所示。其外部电路的构成包含模拟电路和数字电路两部分。模拟电路包括供电电源及功率驱动。数字电路主要为FPGA芯片及其相关电路。

　　如图2，基于SOPC的步进电机多轴控制器包含两部分：FPGA芯片及其配置芯片的数字部分和电机控制及位置反馈部分。其中，虚线框内部表示FPGA芯片的内部结构，空心箭头表示FPGA芯片内部的数据连线，实心箭头表示外部连线。

基于FPGA的步进电机多轴控制器设计