基于STM32 ARM+FPGA伺服控制系统(二)软件及FPGA设计

完整的伺服系统所包含的模块比较多,因此无法逐一详细介绍,所以本章着重介绍
设计难度较高的 FPGA 部分并简单介绍 ARM 端的工作流程。 FPGA 部分主要有 FOC
算法、电流采样算法及编码器采样算法,是整个控制系统的基础,直接决定电机控制
效果的好坏。因为 FPGA 工作的特殊性,需要考虑设计时序的合理性及合理统筹多种
任务的执行顺序,导致了其设计难度大大提高。下面将对 FPGA 重要部分程序进行设
计说明,主要分为 SVPWM 算法模块、编码器反馈模块和电流采样模块。
4.1SVPWM 算法程序设计
根据第二章第四小节可以知道, SVPWM 算法的工作流程如图 4-1 所示。首先对 ܷ ߙ
ܷ ߚ 解码判断当前扇区,接着计算当前扇区的基本矢量所需的作用时间,下一步得出
PWM 比较值时间点,最后进行脉宽调制且加上死区时间形成互补 PWM 波驱控制逆变
器开关工作,使其生成所需的正弦电压。
4.1.1 软件模块设计
SVPWM 模块功能结构图如图 4-2 所示。模块的信号解释如下:
1 sys_clk
:系统时钟,工作频率为 50MHz
(2) sys_rst
:系统复位,低电平有效。
(3) svpwm_en
:模块使能信号。
(4) ualpha ubeta :逆 Park 转换模块输出信号。
(5)其他
:六路互补 PWM 波。

 

该模块的工作原理及运算公式在第二章已经详细阐述,因此在这里不再过多赘述。
但需要注意的是由于逆变器的开关存在机械延迟,因此需要生成带死区时间的互补
PWM 波,这样可以避免因同时打开上下桥臂而导致短路致人受伤的情况。
生成带死区的互补 PWM 波原理是以计算得出的 PWM 波作为参考对象,然后根据
实际情况设定合理的死区时间。假设逆变器输入信号为高电平有效,当参考对象从低
电平跳变为高电平时,首先关闭下桥臂,再延时死区时间,最后打开上桥臂;当参考
对象从高电平跳变为低电平时,先关闭上桥臂,再延时死区时间,最后打开下桥臂。
其效果如图 4-3 所示。以 U 相为例,图中 u_pwm 为计算得到的参考 PWM 波, u_pwm1
为上桥臂 PWM 波,而 u_pwm2 为下桥臂 PWM 波。
4.1.2 仿真测试
SVPWM 模块进行仿真验证,所得结果如图 4-4 所示。从图中可以看到,取任意
值赋值给 u_alpha u_beta ,然后系统生成一个时钟周期 svpwm_en 信号,经过运算后
得出 u_pwm 作为参考 PWM 波。根据 u_pwm 信号生成互补 PWM u_pwm1 u_pwm2
两者之间存在死区时间。由此从仿真结果可以看出模块能够正常生成互补 PWM 波。
4.2BISS-C 协议程序设计
4.2.1BISS-C 协议数据结构
BISS 协议来自 iC-Haus 公司,它适用于传感器的双向串行接口,而且带 CRC
验功能确保传输数据正确。与其他同类通信协议相比, BISS 协议在兼容性和网络结构
方面更具有优势,在高速性和时延与 SSI 相当,通信速率最高可达 10Mbps 。同时, BISS
协议的数据长度可以根据实际情况做出修改,具有良好的扩展性。
BISS 协议有两种工作模式 [43] ,本文中所设计的工作模式为传感器模式, FPGA
编码器发送位置请求指令,编码器则返回相关信息。在传感器模式下, BISS-C 的数据
格式如下图 4-5 所示。主机发送 MA 时钟信号给光栅尺,编码器通过 SLO 数据线串行
返回数据信息。

BISS-C 数据帧共由八部分组成,分别是“Ack”响应阶段、“Start”位、一位的“0”位、

若干位的位置数据、一位错误位、一位警告位、六位的 CRC 校验码和 “Timeout” 超时结
束阶段。具体的通信请求循环如下所述 [44]
1 )在非位置请求时,时钟信号为高电平,主机读取编码器的 SLO 数据线为高电
平时,则表示编码器已准备就绪。
2 )当编码器准备就绪时,主机开始传输固定频率的 MA 时钟信号给光栅尺。
3 )编码器在检测到主机发送的 MA 时钟的第二个上升沿时,会将 SLO 线设为低
电平作为响应。
4 )编码器通过拉低 SLO 信号线提示主机,当前编码器处于 Ack 应答状态,主
机应及时切换到接收状态。
5 )主机将同步于 MA 时钟信号接收编码器传回传数据,其数据帧格式为高位在
前低位在后。
6 )当接收完全部数据后,主机将 MA 时钟线拉高。当编码器准备好下一次位置
请求时,编码器则将 SLO 线设为高电平来提示主机,否则保持低电平。
4.2.2 软件模块设计
BISS 模块功能结构图如图 4-6 所示,主要由 MA 模块、 SLO 模块和 CRC 模块构成。
模块的信号解释如下:
1 biss_en
:模块使能信号,用于获取编码器位置信息。
(2) data_length
:编码器数据位宽设置。
(3) SLO
BISS 协议数据线。
(4) MA
BISS 协议时钟线。
(5) abs_data
:单圈绝对值,用于圆编码器多圈计数和电角度计算。
(6) abs_pos
:编码器实际总位置数据。

 

 

该模块具体工作原理为:首先 FPGA 根据实际光栅尺型号设置位置数据位宽
data_lentgh 数值,该模块满足位置数据位宽长度为 32bit 内的设计需求。通过主控模块
发送使能信号 biss_en MA 模块中, MA 时钟模块开始工作,向光栅尺发送固定频率
MA 时钟信号请求获取当前位置值。 FPGA 接收完光栅尺返回的数据后将所其输入
CRC 校验模块中进行数据校验,最后将正确的位置数据输出至下一级模块。
根据 BISS 协议的时序图特点,本文将 SLO 模块接收数据的过程划分为六个状态,
该状态机工作方式如图 4-7 所示。一开始功能模块为空闲状态并且进入等待状态;当
光栅尺拉低 SLO 信号线时进入 Ack 应答状态;当 SLO 从低电平变换成高电平时,状
态机进入 STATE_ZERO 状态;当监测到 SLO 数据线拉低时,模块进入工作状态开始
接收数据,接收完设定位宽数据后进入“TIMEOUT”状态。
在实际工程中,数据电平存在毛刺或者亚稳态现象,假如根据 MA 时钟的上升沿
读取当前 SLO 数据线的电平状态,所得到的信号并不可靠。通常情况下,在传输过程
中数据中间位置的电平状态是比较稳定可靠的。因此本文采取的方法为:在中间部分
SLO 数据线进行多次采样,并判断哪种电平的数量多,最后将数量多的电平信号值
判赋值给寄存器。具体实施原理如图 4-8 所示,其中 sys_clk 为系统时钟, bps_cnt 为一
MA 时钟周期对 SLO 数据线电平的采样数。实际中 MA 时钟频率相比于 FPGA 内部
工作频率来说属于低速时钟,因此可以在一个 MA 时钟周期内进行多次采样。在每一
MA 时钟周期中,当检测到 MA 时钟的上升沿时,
bps_cnt 寄存器开始从零计数采样,
然后判断高电平的数量多还是低电平的数量多,最后将累加后电平数量多的一方的值
赋值给寄存器。如此重复将所有数据接收完成。
SLO 模块接收完数据后向 MA 模块和 CRC 校验模块返回接收完成信号。 MA
块接收到完成信号后 FPGA MA 时钟线拉高, CRC 模块接收到完成信号后将 SLO
块传输的数据帧进行 CRC 校验运算。 BISS-C 协议的 CRC 多项式为 G ( x ) x 6 x 1
即校验字段为 1000011 。为了充分发挥 FPGA 并行处理的工作特点,进一步提升工作效
率,本文采用了并行 CRC 校验算法,在一个时钟周期内得出 CRC 校验码,主要代码
如图 4-9 所示:

 

其中 d[33:0] 是需要校验的数据, crc_out[5:0] CRC 模块对需要校验的数据进行运
算后得出的结果,而 c[5:0] 的初始值为零,最后将计算结果与所接收的 CRC 校验码进
行匹配。如果二者一致,则表示 SLO 模块正确接收数据,并将正确的位置数据更新至
下一级模块中,否则更新上一次保留的正确数据,并准备发起下一次光栅位置请求。
4.2.3 仿真测试
最后编写测试文件对 BISS 模块在 ModelSim 软件进行仿真验证,在实际工程应用
中稳定性占据着重要位置。因此在通信速率方面选用最高 5Mbps ,所以测试文件中模
拟编码器以 5Mbps 的通讯速率向 FPGA 传输数据。本文针对常用的 26bit 32bit 位置
数据位宽编码器型号进行测试。
首先对 26bit 位宽型号设置了两组数据如表 4-1 所示,其中第一组和第二组数据仅
仅在 CRC 检验码最后一位不同,而第二组数据则是完全正确的情况。通过这种人为设
置的数据可以测试 BISS 模块接收的两组数据信息是否一致,同时也检测 CRC 校验模
块能否正常工作。需要特别说明的是, BISS-C 协议的 CRC 校验值在编码器内部是先
通过取反再输出给主机的,所以表格中的 CRC 校验值是已经做了取反处理。因此做匹
配校对时, FPGA 应当将计算得出的 CRC 校验值取反再与接收到的值进行比较。其整
体测试结果如图 4-10 所示。
图中左侧的时序图时第一组数据,而右侧的是第二组数据。图中 crc_check 为接收
CRC 值、 check_data 是需要校验的数据、 done 是数据接收完成信号、 crc_out 是校验
计算得出的 CRC 值、 crc_done 代表校验完成,即接收的数据正确无误。从图中可以看
出,在 data_length 26bit 的数据模式下模块接收到 biss_en 使能信号后, FPGA 向编
码器发送频率为 5MHz MA 时钟信号。编码器检测到 MA 时钟信号后通过 SLO 数据
线向主机返回数据,当 FPGA 接收完数据后向 CRC 模块传输接收到的 CRC 校验值和
需求校验的数据,并且发出 done 信号来提示 CRC 模块工作。然后 CRC 模块对需要校
验的数据进行处理,处理完之后跟接收到的 CRC 校验值进行比对,假如两者匹配成功
则产生一个高电平脉冲的成功标记信号 crc_done ,否则 crc_done 信号保持低电平。
进一步查看 CRC 校验的细节如图 4-11 所示。图中接收到的 CRC 校验值 crc_check
001011 ,而对需要校验的数据经过 CRC 校验后,得到 crc_out 110100 。上一节也
说到,编码器的 CRC 校验值是先取反在发送到主机,而校验运算后得到的数据
crc_check 并未取反,因此取反后可知与所接收的 CRC 校验值一致。同时从图中也能看
CRC 校验所需的时间为一个系统时钟周期,由此得出 CRC 校验模块能够正常工作。
从上述的两张仿真结果图可知 BISS 模块能够以 5Mbps 的通信速率正常发送 MA
钟信号,并且完整接收编码器数据,最后以一个时钟周期完成 CRC 校验运算。因此所
设计的 BISS 模块通过 26bit 模式功能仿真测试。
同理,设置了 32bit 位宽型号的仿真测试,设置的仿真数据如表 4-2 所示,功能仿
真图和 CRC 校验细节图如图 4-12 4-13 所示。从图中可以看出所设计的 BISS 模块也
通过了 32bit 模式功能仿真测试。

 

 

因此,可以得出本文设计的 BISS 模块可以通过更改 data_lentgh 寄存器,能够以
5Mbps 的通信来完整接收 32bit 以内数据位宽的编码器的数据。
4.3 多摩川协议程序设计
4.3.1 多摩川协议数据结构
多摩川协议来自日本的多摩川公司,该多摩川协议采用的是“一问一答”的通信方
式,主机向编码器发送不同的请求指令来获取不同的数据信息 [45] 。它的通信方式与串
口通信一致,并且发送一个字节数据时以固定的 2.5Mbps 传输速率从低位开始传输。
本文只着重介绍多摩川协议读取编码器信息的工作模式。
读取编码器信息模式的数据帧格式如图 4-14 所示。其工作原理为:主机通过发送
不同的控制帧指令给编码器来获取相应的信息,然后编码器返回一组数据作为回应,
该组数据由控制帧、状态帧、若干数据帧和 CRC 帧组成。其中根据编码器型号的不同,
数据帧的数量会有所不同。
控制帧的数据格式如图 4-15 所示,该帧数据主题部分由同步码、控制指令和控制
指令校验位三部分组成。其中同步码是固定不变的,而控制指令及其校验位则有具体
的指令码,如表 4-3 所示。不同的指令码代表不同的功能,编码器返回的数据类型也
不同。例如,用户想获取编码器的单圈值和多圈值,查表 4-4 可知编号为 ID 3 的指令
码对应编码器返回单圈值和多圈值,因此主机可以向编码器发送编码为: 01011000
当编码器接收该编码信息则返回当前编码器单圈值、多圈值和其余附加信息数据。

 

状态帧的数据格式如图 4-16 所示,由信息位、编码错误报警位和通信报警位组成。
不同的编码器型号所对应的信息位信息各有不同,具体含义可查看对应的编码器手册
介绍。如果编码器编码错误或者编码器外部供电出现问题,则编码器错误报警位 ea0
1 ,表示当前编码信息错误,而 ea1 1 时则编码器多圈值数据错误。通信报警位
ca0 1 时,表示所接收的控制帧中的控制指令校验位发生错误,而 ca1 1 则表示所
接收的控制帧结束位发生错误。
多摩川绝对式编码器最高能够实现 39bit 位宽的高分辨率位置编码数据,其中包括
23bit 的单圈值和 16bit 的多圈值。但是多摩川协议通信一次只发送 8bit 数据,所以发
送完整的位置信息必须将其拆开,再按照一定的排列顺序发送。具体一个字节的数据
帧格式和 CRC 帧格式如图 4-17 所示。
由于主机向编码器发送不同的指令码,编码器返回的数据类型也不同。根据编码器
不同的分辨率和指令码,编码器返回的有效数据帧数量也不一样,如只需获取单圈值
或多圈值则返回 3 个字节的有效数据帧,如果需要同时获取单圈值和多圈值则返回 8
个字节的有效数据帧。具体的功能码对应的数据帧如表 4-4 所示。
表中 ABS 代表单圈绝对码值, ABS0 是单圈位置数据的低八位, ABS1 是单圈位置
数据的中八位位, ABS2 是单圈位置数据的高八位,假如编码器单圈码值位数少于 24bit
时,高位用 0 补齐。同理, ABM 代表多圈绝对码值, ABM0 是圈值数据的低八位, ABM1
是圈值数据的中八位位, ABM2 是圈值数据的高八位,假如编码器多圈码值位数少于
24bit 时,高位用 0 补齐。所以对于高精度的编码器,编码器会将多位的单圈值和多圈
值各拆分为 3 各字节的数据,再从低八位依次发送直至发送完成。

 

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