一. 设计概述

     基于数字式伺服的运动控制器是超精密定位系统的关键。数字式伺服是指系统的闭环控制与调节采用数字技术，所有控制调节实现软件化，可直接输出PWM控制信号或驱动DAC芯片产生直流驱动电压，经电机驱动器功率放大后驱动直线电机。调节器的全部软件化使控制理论中许多控制思想和手段得以应用：如矢量控制、参数自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经元网络控制等。同时利用软件很容易完成参数的自优化和故障的自诊断功能，使系统控制性能大大提高，从而克服了模拟型闭环伺服系统对微弱信号的信噪分离困难，很难将控制精度提高到0.1% 以上级别，以及容易受温度影响，使位置控制产生零点漂移误差等缺点。

     为抑制激光直写载物工作台运动中的气膜扰动等噪声干扰，实现亚微米级快速定位，本文提出一种基于 Altera 公司 Nios II 嵌入式软核的直线电机数字伺服运动控制器。设计采用高性能、低成本的 Cyclone II 系列 FPGA，集成双 Nios II 软核应用系统，完成对位移传感器（激光干涉仪）信号快速采样和高分辨解码，控制对象（静压气浮导轨及直线电机）运动状态监控、运动特性频谱分析及数字滤波处理，基于积分分离式 PID 控制算法的 PWM 控制信号或 DAC 直流电压输出等功能。由于采用了高集成度的 SOPC 技术，本设计功能灵活，大大减小了电磁干扰，提高了处理速度和控制可靠性，同时降低了开发成本，更易于系统升级和维护。

二. 功能描述

 在激光直写运动控制系统中，为克服电机转动的负载扰动、气浮导轨的气膜扰动以及驱动系统的机械共振等噪声，实现载物工作台的高精度定位，本文设计了基于双Nios II软核的数字伺服运动控制系统。

    本闭环伺服系统主要包括四部分：控制对象、位移传感器（反馈环节）、控制单元及执行器。系统的控制对象为工作于静压气浮导轨之上的载物工作台，它由直线电机驱动；传感器为RENISHAW激光干涉仪（激光干涉测量尺），它基于激光干涉测量原理，将工作台的位移信息转换成相应的正交脉冲信号，经信号调理电路，实现脉冲信号逻辑电平转换；控制单元为集成有双Nios II嵌入式软核处理器的Altera DE2开发平台，它在μC/OS-II实时操作系统的调度下，完成信号采集、数字滤波、PID 控制算法、DAC芯片接口、PWM 控制量输出及人机交互等任务；执行器为电机伺服驱动器，它具有直流电压驱动及PWM 驱动两种工作模式，控制算法运算的结果可通过DAC接口模块或自定义外设PWM 模块输出，以不同驱动方式控制电机伺服驱动器工作。

三. 硬件设计描述

基于SOPC技术的激光直写数字伺服控制器硬件结构主要由Altera  DE2开发平台、传感器信号调理电路及DAC驱动电路等组成。其核心控制单元DE2开发平台结构包括：Cyclone EP2C35  FPGA芯片、SDRAM、FLASH、UART接口、USB  Blaster下载接口、时钟、配置电路及电源等。EP2C35芯片中集成了基于Avalon  Switch  Fabric总线的双Nios  II  软核处理器CPU_SYS与CPU_DSP。  为保证双核工作过程对共享资源的正确访问与修改，使用了Mutex互斥核约束访问权限，而双核间的数据交换由MailBox收、发邮箱完成。  

为完成串行口通信、SDRAM、FLASH芯片访问、DAC控制等功能，本文配置了基于Avalon总线的UART核、三态总线、SDRAM控制器、CFI  Flash控制器、M4K片上RAM、通用I/O等组件。此外，本设计定制了PWM从外设，获得可程控的PWM脉冲信号，使电机伺服驱动器可在PWM驱动模式下工作。系统硬件框图如下图所示。

四. 系统软件流程图

 本系统集成了基于Avalon总线的双Nios II 软核处理器CPU_SYS与CPU_DSP，其中软核CPU_SYS在μC/OS-II嵌入式操作系统调度管理下，完成位置、速度信号变换、积分分离式PID运算、UART通信及PWM、DAC外设输出控制等任务；软核CPU_DSP完成传感器解码信号采集、FIR数字滤波等功能。

中央处理软核CPU_SYS软件流程

μC/OS-II 是一种可移植、可裁减、抢占式、实时的多任务内核，它符合美国联邦航空管理局对于商用飞机的、符合RTCA DO178B标准的认证，具有极高的稳定性和安全性。μC/OS-II向Nios II的移植建立在HAL库上，使得程序对底层硬件变化不敏感，同时可调用HAL的API函数。

数据处理软核CPU_DSP软件流程

    数据处理软核CPU_SYS主要完成M/T模块的初始化，通过消息邮箱接收中央处理软核CPU_SYS命令及FIR滤波器参数，在进行FIR数字滤波时， 使用硬件互斥核对共享内存进行保护，同时采用了自定义乘加指令，完成高效的FIR数字滤波计算。

五. 总结

基于SOPC技术设计嵌入Nios软核的直线电机伺服控制器，一方面具有硬件设计快速灵活、扩展性强的特点，同时SOPC Builder以及Nios II IDE 编程环境为系统的软件开发提供完整的解决方案。本设计充分发挥了FPGA高速度、高集成度的优点，真正在单芯片上实现了一个完整的电机伺服控制解决方案。

随着制造业水平的不断提高，对电机伺服控制的技术要求也随之提高，采用集成 SOPC技术的控制系统，在系统体积、运行速度、信号完整性等方面都具有突出优势，必将成为未来电机伺服控制系统的发展方向。

*博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。