郭志潔

(南京科安電子有限公司,江蘇南京 210009)

球型攝像機(jī)高速運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)策略的SoC實(shí)現(xiàn)方案
——系統(tǒng)綜合篇

郭志潔

(南京科安電子有限公司,江蘇南京 210009)

作者描述了作為高速球形攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要執(zhí)行元件——步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)控制的SoC實(shí)現(xiàn)方案。報(bào)告應(yīng)用基于模型的分析描述以及基于步進(jìn)電機(jī)特性的物理分析結(jié)果,設(shè)計(jì)了一種在單芯片(SoC,System On Chip)上實(shí)現(xiàn)的新型高速球形攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的電子系統(tǒng)級(jí)方案。該方案針對(duì)步進(jìn)電機(jī)高精度微步驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)需求,建立了運(yùn)動(dòng)控制電子系統(tǒng)微步驅(qū)動(dòng)策略各個(gè)設(shè)計(jì)層次上的模型,通過(guò)仿真探索其系統(tǒng)架構(gòu)及性能優(yōu)化。這篇文章也是《單芯片實(shí)現(xiàn)高速攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方案——(系統(tǒng)分析篇)》的續(xù)篇——系統(tǒng)綜合篇。

高速球型攝像機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)控制 建模 仿真

在系統(tǒng)分析篇中,描述了步進(jìn)電機(jī)領(lǐng)域的基本知識(shí),分析了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的演化,并針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的特性經(jīng)由基于模型的仿真理解混合型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)策略的行為,提出了以步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)策略作為高速球型攝像機(jī)系統(tǒng)的位置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本篇從系統(tǒng)綜合的角度討論設(shè)計(jì)目標(biāo)如何在SoC電子系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的方法。

1 系統(tǒng)綜合

將若干相互有邏輯聯(lián)系的實(shí)體為某些確定目的性而設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的實(shí)體,這個(gè)過(guò)程相對(duì)于系統(tǒng)分析而言就是系統(tǒng)綜合。

圖1

1.1 SoC 應(yīng)用開(kāi)發(fā)

SoC,在芯片上實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。SoC將電子系統(tǒng)幾乎全部的功能集成到一塊芯片上,從而在單個(gè)芯片上能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理和I/O等多種功能。SoC應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)涉及到有關(guān)技術(shù)手段的創(chuàng)新。

1.1.1 軟硬件協(xié)同仿真與驗(yàn)證

軟硬件系統(tǒng)仿真的目的是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期,通過(guò)仿真(模擬)的手段驗(yàn)證硬件虛擬模型和軟件算法以及發(fā)現(xiàn)軟硬件系統(tǒng)集成方面的問(wèn)題。

1.1.2 設(shè)計(jì)重用技術(shù)

設(shè)計(jì)重用是基于SoC系統(tǒng)平臺(tái)的,具有系統(tǒng)構(gòu)造的模塊化形式以及知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)延續(xù)的繼承性,節(jié)約稀缺的設(shè)計(jì)資源。

1.1.3 可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)

圖2 球形攝像機(jī)步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)策略運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)頂層抽象模型

可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)(Configurable Computing)是以可編程邏輯芯片為硬件基礎(chǔ),能根據(jù)應(yīng)用需求動(dòng)態(tài)地配置系統(tǒng)的功能和規(guī)格,使系統(tǒng)具有柔性和高性能。

1.1.4 軟硬件劃分策略

高速球形攝像機(jī)系統(tǒng)中需要四個(gè)恒定電流斷路控制器來(lái)同時(shí)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī),由于斷路器要求連續(xù)循環(huán)的PWM輸出控制,MCU的開(kāi)銷(xiāo)非常大。由FPGA實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)策略卻是非常合理的。由此,軟硬件的劃分策略是這樣確定的:所有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制算法都由SoC芯片上的FPGA資源來(lái)實(shí)現(xiàn);讓SoC的MCU只通過(guò)最簡(jiǎn)單的控制指令直接控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件。

1.2 運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)

1.2.1 有限狀態(tài)機(jī)

有限狀態(tài)機(jī)是一種數(shù)學(xué)抽象,既能表達(dá)數(shù)字邏輯又能執(zhí)行計(jì)算機(jī)編碼的程序,它形式化地定義為:

一個(gè)確定性有限狀態(tài)機(jī)是一個(gè)五元組(Σ,S,s0,,δ,F),

這里,Σ是輸入字母表,一個(gè)有限、非空的符號(hào)集合。

S是一個(gè)有限、非空的狀態(tài)集合。

s0是S的一個(gè)初始狀態(tài)。

δ是狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù):

δ:S Χ Σ→S表示,確定性有限狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移函數(shù)δ根據(jù)輸入字表Σ和狀態(tài)S按δ定義的運(yùn)算Χ改變狀態(tài)S。

F是有限狀態(tài)的集合,是S的子集(有可能是空的)。

有限狀態(tài)機(jī)是規(guī)定系統(tǒng)整體行為約束的有效方法。處于某一狀態(tài)意味著系統(tǒng)只響應(yīng)所有允許輸入的一個(gè)子集,只產(chǎn)生可能響應(yīng)的一個(gè)子集,并且改變狀態(tài)也只是所有可能狀態(tài)的一個(gè)子集。

狀態(tài)機(jī)在這里是用程序語(yǔ)言代碼形式構(gòu)建的,從編碼的角度看它就是邏輯狀態(tài)機(jī),switch-case 語(yǔ)句結(jié)構(gòu)最適合描述狀態(tài)機(jī)語(yǔ)義:代碼對(duì)不同的歷史狀態(tài)(state)作出響應(yīng)(case),根據(jù)輸入字母表(input),決定狀態(tài)(S)的賦值,完成其轉(zhuǎn)移。狀態(tài)機(jī)模型可以用來(lái)開(kāi)發(fā)算法和計(jì)算機(jī)目標(biāo)程序,幫助評(píng)估早期系統(tǒng)設(shè)計(jì)算法的行為,在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)策略模型的開(kāi)發(fā)中是很關(guān)鍵的。

1.2.3 狀態(tài)機(jī)模型設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯電路

數(shù)字電路設(shè)計(jì)使用的層次抽象概念把系統(tǒng)對(duì)象分成兩個(gè)基本的領(lǐng)域,一個(gè)是行為域(部件通過(guò)定義它的輸入/輸出響應(yīng)來(lái)描述),一個(gè)是結(jié)構(gòu)域(部件通過(guò)一些更基本部件的互連拓?fù)鋪?lái)描述)。狀態(tài)機(jī)模型用于行為域時(shí),用算法和數(shù)據(jù)流來(lái)描述行為。當(dāng)要設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯電路的時(shí)候,就要從算法轉(zhuǎn)換到門(mén)電路,從行為域轉(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)域。換言之,就是要將基于模型的描述轉(zhuǎn)換為硬件描述語(yǔ)言(HDL),這在驅(qū)動(dòng)策略模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中也得到重要應(yīng)用。

圖3 微步驅(qū)動(dòng)PWM周期中的電流衰減模式

圖4 使用方波替代微步驅(qū)動(dòng)模式的試驗(yàn),在平直的頂部可清晰顯示混合衰減波形

1.3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.3.1 芯片上的系統(tǒng)部件和PCB上的系統(tǒng)器件

圖1實(shí)際的商品化SoC芯片。集成了ARM MCU硬核及子系統(tǒng),FPGA,模擬計(jì)算引擎等。

(1)芯片上的系統(tǒng)部件:圖1頂部顯示的是一種智能融合的SoC芯片,它具有:完全可定制系統(tǒng)能力,知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)能力以及高效的設(shè)計(jì)生產(chǎn)力。

廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院積極響應(yīng)“大眾創(chuàng)新，萬(wàn)眾創(chuàng)業(yè)”的時(shí)代號(hào)召，從加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐引領(lǐng)兩方面提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。首先是倡導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)經(jīng)營(yíng)創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，一來(lái)可以提高學(xué)生創(chuàng)業(yè)素養(yǎng)，二來(lái)可以讓學(xué)生自己提供專業(yè)實(shí)踐平臺(tái)，自己辦企業(yè)，自己做宣傳平臺(tái)；其次，鼓勵(lì)學(xué)生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”、挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，學(xué)生通過(guò)在比賽中和社會(huì)精英交流新思想不斷加強(qiáng)實(shí)踐能力，教師也可以在指導(dǎo)學(xué)生競(jìng)賽過(guò)程中更好指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的；再次是講“創(chuàng)新實(shí)踐”以學(xué)分形式寫(xiě)入人才培養(yǎng)模式，即學(xué)生除了完成1個(gè)學(xué)分的課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，再修滿1個(gè)創(chuàng)業(yè)實(shí)踐學(xué)分，全面提升學(xué)生的創(chuàng)業(yè)實(shí)踐素質(zhì)。

(2)PCB上的系統(tǒng)器件:圖1底部顯示的是位置控制系統(tǒng)的板級(jí)器件,包括了步進(jìn)電機(jī)、取樣元件和H橋部件。

1.3.2 硬件實(shí)現(xiàn)的控制算法部件

(1)基于模型的設(shè)計(jì)方法:

圖2所示的就是一個(gè)球型攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的頂層抽象。同時(shí),它也是我們要在一個(gè)混合信號(hào)和FPGA及MCU硬核架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的SoC高層系統(tǒng)描述。

圖5 調(diào)整微步驅(qū)動(dòng)的衰減參數(shù)可以使其定子繞組線圈中的電流波形達(dá)到比較理想的正弦/余弦曲線

(2)基于模型的系統(tǒng)描述。微步模式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),從設(shè)計(jì)頂層的視角來(lái)看,有三個(gè)模塊:控制命令,微步算法,及控制驅(qū)動(dòng)器。SoC系統(tǒng)的軟硬件劃分如下:

1)MCU實(shí)現(xiàn)的功能:啟動(dòng)指令由Signal Builder模塊給出,微步模式的設(shè)置參數(shù)由一個(gè)常數(shù)模塊輸出。在SoC環(huán)境中步進(jìn)指令和模式設(shè)置的信號(hào)由MCU實(shí)現(xiàn)控制,因?yàn)镸CU最接近人機(jī)交互。MCU通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)字接口與控制算法連接。

2)控制算法狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能:半步驅(qū)動(dòng)模式經(jīng)過(guò)優(yōu)化和擴(kuò)充得到適用于微步驅(qū)動(dòng)模式的控制策略。由FPGA硬件資源實(shí)現(xiàn)高性狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)和基于硬件的查找表技術(shù)可達(dá)1/256的微步細(xì)分,只要選擇預(yù)置的微步參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)有效范圍內(nèi)靈活的微步模式控制策略。

3)微步控制策略驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的功能:這部分是設(shè)計(jì)微步控制策略驅(qū)動(dòng)模式的重點(diǎn)。利用SoC混合數(shù)字和模擬信號(hào)系統(tǒng)資源,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用集成電路具有的功能。包括從控制策略的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到H-橋輸出控制邏輯信號(hào)之間的所有功能部件。從模型輸出的數(shù)據(jù)曲線圖形可以看出,仿真的結(jié)果是設(shè)計(jì)所需要表現(xiàn)的行為:示波器顯示的微步驅(qū)動(dòng)模式的兩相波形已經(jīng)接近理想正弦/余弦的曲線,步進(jìn)角度已經(jīng)被細(xì)分為很小的微步,而步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格并沒(méi)有升級(jí)。因此,按照基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)概念,圖2表示的模型是設(shè)計(jì)需求的一個(gè)可執(zhí)行規(guī)范也是一個(gè)驗(yàn)證確認(rèn)的測(cè)試基準(zhǔn),并且可進(jìn)一步發(fā)展出更加詳盡的設(shè)計(jì)-驗(yàn)證平臺(tái)。

4)微步模式的規(guī)格指標(biāo):通過(guò)前文對(duì)步進(jìn)電機(jī)電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究,我們知道從全步電氣角度開(kāi)始按2-1的m+2次冪的細(xì)分將產(chǎn)生機(jī)械步距角按2-1的m次冪的微步。當(dāng)選擇參數(shù)1/64細(xì)分時(shí)(m=4)將得到1.8/16=0.1125°的微步角?？梢杂?jì)算出,當(dāng)主機(jī)在0.5秒鐘內(nèi)發(fā)出20個(gè)步進(jìn)脈沖時(shí),步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該到達(dá)20x0.1125=2.25°的角位置。從這個(gè)模型顯示的角度曲線可以看出在0.5秒鐘時(shí)刻累計(jì)步進(jìn)到達(dá)穩(wěn)定的角位置剛好就是這個(gè)數(shù)值。在設(shè)計(jì)微步驅(qū)動(dòng)器的時(shí)候這個(gè)細(xì)分的比例關(guān)系將會(huì)被用到,它是衡量微步細(xì)分的規(guī)格指標(biāo)。

(3)微步驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)。在系統(tǒng)分析篇提出用理想的正弦/余弦電流激勵(lì)混合型雙極步進(jìn)電機(jī)使其得到極平滑的步角輸出。圖2中示波器顯示的A相和B相圖波形就是正弦/余弦規(guī)律的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)。如果我們?cè)O(shè)計(jì)的微步驅(qū)動(dòng)控制原型能夠在步進(jìn)電機(jī)定子的兩個(gè)繞組中產(chǎn)生正弦/余弦電流,那么從原理和功能上就具備實(shí)現(xiàn)以微步驅(qū)動(dòng)控制策略的條件。利用SoC的DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換)正好可以生成正弦/余弦信號(hào),這些信號(hào)將作為微步控制恒定電流參考目標(biāo)值,反饋系統(tǒng)將定子繞組內(nèi)的實(shí)際測(cè)量的電流與它們相比較,而微步驅(qū)動(dòng)控制策略通過(guò)步進(jìn)電機(jī)相位電流的控制技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

以開(kāi)關(guān)切換加電/斷電方式作用到繞組線圈上時(shí),反向電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的感生電流將會(huì)以磁能的形式儲(chǔ)存于線圈中。這部分能量如不能及時(shí)地衰減掉,將會(huì)導(dǎo)致下一個(gè)脈沖施加后的電流處于不受控的電平值上。對(duì)于微步驅(qū)動(dòng)模式來(lái)說(shuō),要讓相電流完全跟蹤正弦/余弦規(guī)律更須精細(xì)地設(shè)計(jì)PWM控制器。如果能控制得好,平穩(wěn)地利用感生電動(dòng)勢(shì)這部分能量至少可以節(jié)省大約三分之一的電力。

如果從狀態(tài)機(jī)的概念出發(fā),相電流的控制分為充電和放電兩個(gè)基本狀態(tài)。H橋電路拓?fù)湓诜烹娖陂g,如果回路中只存在供電電源,線圈中產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)將向供電電源放電,電流變化的速率只取決于回路的時(shí)間常數(shù)。如果我們?cè)O(shè)計(jì)一種使感生電流沿不同路徑衰減的放電路徑控制技術(shù),就可以得到不同質(zhì)量的激勵(lì)電流曲線。圖3揭示了在放電狀態(tài)中的三種不同模式的衰減策略:快速衰減(Fast decay)、慢速衰減(Slow decay),和混合衰減(Mixed Decay)。因?yàn)樵贖橋電路拓?fù)渲械亩O管和受控開(kāi)關(guān)晶體管一道組合成不同的電流釋放路徑,所以繞組線圈內(nèi)儲(chǔ)存的磁場(chǎng)得到這三種不同的衰減模式的控制。設(shè)計(jì)將證明這三種衰減模式的應(yīng)用對(duì)于達(dá)到優(yōu)良質(zhì)量的微步驅(qū)動(dòng)控制是非常關(guān)鍵的。

1.3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型的功能仿真驗(yàn)證和迭代

進(jìn)入圖2“DriveAlgorithm”模型的下層結(jié)構(gòu),從測(cè)試模塊中的兩相電流示波器,可以看到圖5(a)所示的電流波形:定子繞組的電流傳感器,獲得A、B相的電流I_windingA和I_windingB,它們的曲線包絡(luò)已經(jīng)顯示出是正弦/余弦規(guī)律的。

基于SoC的混合信號(hào)處理系統(tǒng)技術(shù)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)帶來(lái)的益處是非常明顯的:一種設(shè)計(jì)可以適用于多種模式的驅(qū)動(dòng)策略,而且硬件形式的配置可以由軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程更新和維護(hù)。在處理掉相電流波形毛刺之前,很方便就引入單相方波信號(hào)來(lái)觀察研究這些毛刺的產(chǎn)生和消除,見(jiàn)圖4的理論策略和仿真實(shí)現(xiàn)的波形對(duì)比。首先這種對(duì)比結(jié)果反映了微步驅(qū)動(dòng)控制策略核心系統(tǒng)行為在設(shè)計(jì)上是正確的,其次得到結(jié)論是這些帶有尖刺的電流波形可以通過(guò)衰減調(diào)理來(lái)改善。

1.3.4 微步驅(qū)動(dòng)模式定子繞組電流波形質(zhì)量的改善

圖5顯示了通過(guò)調(diào)理負(fù)載電流的衰減模式是微步驅(qū)動(dòng)得到平滑的轉(zhuǎn)矩輸出的過(guò)程。圖5(a)給出的是混合衰減模式的中等調(diào)理級(jí)別:快速衰減和慢速衰減時(shí)間相等并且等于PWM周期的一半。圖5(a)左邊的波形上面可以看到存在明顯的相電流噪聲。圖5(b)仍然保持兩種衰減作用對(duì)等,但是將PWM周期調(diào)整到最小,這時(shí)候的電流輸出波形就平滑多了。圖5(c)是在(b)的基礎(chǔ)上將斷路頻率進(jìn)一步提高25%可以更加平滑波形,但是波形改善就不太明顯了。圖5(b)和(c)的波形質(zhì)量得到了提高,但不像方波驅(qū)動(dòng)的電流,這里并沒(méi)有通過(guò)關(guān)閉快速衰減來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的平滑。

如果我們?cè)谶@個(gè)模型上做一些試驗(yàn),將某一相(如A相)繞組的快速衰減徹底關(guān)閉后,正弦曲線的上升段平滑但是它的下降段出現(xiàn)了嚴(yán)重的失真。這是因?yàn)槎ㄗ永@組在連續(xù)的充電周期的作用下磁場(chǎng)累積造成電流波形在下降段凸起,凸起的波形反映了低頻分量的失真,這甚至是更加嚴(yán)重的問(wèn)題,它將造成轉(zhuǎn)矩輸出非常不穩(wěn)定。所以,快速衰減和慢速衰減都是很重要的,對(duì)微步驅(qū)動(dòng)策略來(lái)說(shuō)尤其如此。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn),很快產(chǎn)生了采用分段衰減調(diào)理的方法以進(jìn)一步解決波形平滑不均勻的技術(shù):由于快速衰減和慢速衰減的作用各占一半,在正弦函數(shù)的導(dǎo)數(shù)大于零之處毛刺很大,而在導(dǎo)數(shù)小于零處則不是這樣,這說(shuō)明快速衰減造成的噪聲對(duì)正弦函數(shù)導(dǎo)數(shù)大于零時(shí)段敏感。所以,在導(dǎo)數(shù)大于零時(shí)將快速衰減關(guān)閉,而等到正弦曲線過(guò)了極值開(kāi)始下降時(shí)再將快速衰減模式打開(kāi),這樣原來(lái)50% 快慢混合衰減時(shí)出現(xiàn)的中等噪聲的激勵(lì)電流波形就變?yōu)檩^光滑;如果進(jìn)一步將快速衰減和慢速衰減的定時(shí)參數(shù)減少,也就是提高PWM的頻率,激勵(lì)電流的波形就非常理想了。

基于模型的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證技術(shù),可以通過(guò)仿真不斷提煉目標(biāo)模型,最終可以得到對(duì)所做的設(shè)計(jì)有比較完整的認(rèn)識(shí)并根據(jù)目標(biāo)模型進(jìn)一步推進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程,以便更深入地研究一些現(xiàn)象并盡早驗(yàn)證設(shè)計(jì)概念。由于有了一個(gè)可以評(píng)估的驅(qū)動(dòng)模型,就能夠在此基礎(chǔ)上通過(guò)步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)的工程經(jīng)驗(yàn)和理論方法實(shí)行改進(jìn)從而更早地得到更優(yōu)良的設(shè)計(jì)原型?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)方法學(xué)提供了一個(gè)機(jī)會(huì),明顯地使設(shè)計(jì)人員比用傳統(tǒng)的方法更容易控制設(shè)計(jì)的過(guò)程和結(jié)果以及稀缺資源。

從功能仿真的目的出發(fā),基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)得到能夠運(yùn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范、得到系統(tǒng)部件的軟硬件邊界、得到微步驅(qū)動(dòng)功能要求的控制器系統(tǒng)架構(gòu)、得到數(shù)字系統(tǒng)可綜合的硬件描述語(yǔ)言源代碼,還得到了可反復(fù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的環(huán)境。當(dāng)模型經(jīng)過(guò)提煉,又具備很好的接口時(shí),就有可能作為模型庫(kù)來(lái)使用。在此基礎(chǔ)上建立的微步驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的一級(jí)近似就可以隨之推進(jìn)該設(shè)計(jì)過(guò)程到有目標(biāo)實(shí)物參與的仿真或調(diào)試的階段。

2 結(jié)語(yǔ)

位置控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件特性決定了控制算法,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)和精確定位的性能提高是非常關(guān)鍵的,好的驅(qū)動(dòng)策略往往可以降低對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距角精度的要求,并且得到優(yōu)化的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特性。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程給微電機(jī)應(yīng)用技術(shù)帶來(lái)了全新的面貌,人們認(rèn)識(shí)電磁規(guī)律的手段也發(fā)生了革新?；陔娮酉到y(tǒng)級(jí)的應(yīng)用軟件能夠通過(guò)建模、仿真和設(shè)計(jì)迭代,極大改進(jìn)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

SoC,在芯片上實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng),芯片上所有可編程和可重構(gòu)硬件資源都可為系統(tǒng)建模、仿真和執(zhí)行的設(shè)計(jì)過(guò)程提供迭代環(huán)境,并為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化目標(biāo)構(gòu)建了技術(shù)基礎(chǔ)。它不僅帶來(lái)了承載設(shè)計(jì)實(shí)體器物上的完善,也會(huì)發(fā)生設(shè)計(jì)過(guò)程形而上的進(jìn)化。

[1]http://www.solarbotics.net/library/pdflib/pdf/motorbas.pdf.

[2]Industrial Circuit Application Note:“Stepper motor and driver selection”.

[3]COMSOL Tutorial Models. Motors and Drives Models:”Generator in 2D”;”Generator with Mechanical Dynamics and Symmetry”.

[4]G.Kastinger,Robert Bosch GmbH:”Design of a novel transverse flux machine”.

[5]www.mathworks.com

[6]JMAG Application Catalog:”Analysis of a Hybrid Stepper Motor”, 2006-10-31.

[7]Cypress Semiconductor, Document Number: 001-56551,quot;PSoC(R) 3 Stepper Motor Control with Precision Microsteppingquot;, October 9,2009.

[8]Industrial Circuit Application Note:“Half stepping techniques”.

[9]Industrial Circuit Application Note:“Microstepping”.

[10]Alexandru MORAR:”Intelligent Microstepping System for Stepper Motor Control”.

[11]J.B.Grimbleby:”Stepping Motors”, October 2007.

[12]http://en.wikipedia.org/wiki/Finite-state machine

[13]James R.Armstrong, F.Gail Gray: quot;VHDL Design Representation and Synthesis, Second Editionquot;. ISBN 7-111-09539-1.

[14]http://www.actel.com.

[15]Allegro MicroSystems, Inc. 29319.34 Rev.2 “Dual DMOS Full-Bride Microstepping PWM Motor Driver”.

This article describes for implementing micro-steps driving by SoC solution of the stepper motors which are primary actuator of the position control in the high speed dome camera systems. It reports state of the art based-models technology. It analyses characteristics of the stepper motors and design a solution that adapt on the SoC implemented for a novel high speed dome camera position control electronic system. This solution aim at control technic demands of design for driving high precision stepper motors. The solution also done modeling position control systems on every level of the hierarchy for design the electronic system and explored its system framework with the optimized for performances by simulation.

High speed dome camera Stepper motor Driving control Building model Simulation

郭志潔(1955年5月16日—),男,江蘇南京人,漢族,研發(fā)工程師,研究方向:仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。