基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡

文/熊亚明

1 技术现状

在多轴步进电机伺服控制领域，目前其硬件构架主要有五类：

（1）MCU/DSP + 单步进电机驱动器；

（2）MCU/DSP+三轴/六轴步进电机驱动器+单步进电机驱动器；

（3）FPGA+单步进电机驱动器；

（4）PLC+单步进电机驱动器；

（5）DSP与FPGA+单步进电机驱动器

对于第一类，虽然能够同时实现简单的多轴步进电机的伺服控制，但对于复杂的伺服控制系统，如系统中需要接入惯性测量、双北斗定位定向和上位机等各种串行信号和开关信号下，硬件系统外部接口不足；对于第二类，除了存在第一类的外部接口不足问题外，还因为需要一个三轴/六轴步进电机驱动器作为中转，整个控制系统的实时性无法得到保障；对于第三类，在同时满足系统对外的接口能力和系统的解算和存储能力的情况下，对FPGA的要求较高，使得硬件系统成本升高。另外目前FPGA对电机控制领域的支持不如MCU或DSP完善，使得采用纯FPGA作为核心处理器的硬件系统的软件编程较为复杂；对于第四类，由于环境适应性问题，一般无法满足在军工和航空航天上的应用；对于第五类，DSP和FPGA的控制板卡和单步进电机驱动器，对于多步进电机伺服控制系统，系统硬件较为分散，硬件体积大，成本较高。

图 1：基于DSP和FPGA多轴步进电机驱动控制板硬件框图

2 硬件技术方案

基于DSP和FPGA的多轴步进电机驱动控制板卡硬件主要包括四个部分：电源部分、DSP与FPGA部分、接口电路部分和步进电机驱动部分。如图1所示。

2.1 电源部分

系统外部输入直流电源的电压范围为19V到59V，通过TRACO公司的THN 15WI系列的DC/DC转换模块将电压转换为5V。5V电压到3.3V、1.9V、1.2采用TI的可调电压转换模块PTH05000WAH。

2.2 DSP与FPGA部分

主要包括JTAG电路，时钟电路，复位电路和外扩Flash电路，此外FPGA部分还包括串行配置电路等。其中时钟电路和复位电路均有一些典型电路可供参考，在此不再赘述。DSP部分的JTAG电路可参考TMS320F28335芯片相关手册，FPGA部分选择的Altera公司的Stratix系列的EP2S15F484I4芯片，配置芯片选择EPCS16SI8N，对应的JTAG电路和串行配置电路可参考EP2S15F484I4和EPCS16SI8N相关芯片手册。外扩Flash电路部分本选择SGS-Thomson Microelectronic公司 的Flash芯 片M25P16-VMN6P，M25P16-VMN6P与DSP和FPGA均通过SPI总线相连，Flash芯片的/HOLD和/W引脚与DSP的GPIO引脚或FPGA的任意普通IO引脚相连。

2.3 接口电路部分

选择DS26LS32CM芯片完成差分信号到单端信号的转换。对于RS232、RS422、RS485电平到LVTTL或TTL电平的转换，选 择MAX3232、MAX3490/MAX490、MAX3485/MAX485芯片完成相应的转换，选择SN74ALVC164245芯片完成5V电平与3.3V电平之间的转换。驱动控制板卡具体需要几片相应的转换芯片，可根据应用需求调整。

2.4 驱动电路部分

选择的Trinamic公司的步进电机驱动芯片TMC261，芯片的工作电压可达60V，这里选用48作为输入电压。TMC261外围电路连接关系以及电阻电容大小的选择参考TMC261芯片手册。若选择其他带有SPI接口的步进电机驱动芯片，其外围电路参考所选芯片的芯片手册设计即可。

DSP与FPGA通过总线连接，具体连接关系为：将TMS320F28335的/XWE0、XZCS6、XZCS7、XA0-XA19和XD0-XD31与FPGA的任意普通IO引脚相连。

FPGA与步进电机驱动芯片的具体连接关系为：将步进电机驱动芯片的SPI口（CS、SCK、SDI、SDO）、STEP、DIR和状态指示引脚与FPGA的任意普通IO引脚相连。当多个TMC261芯片与FPGA相连时，复用SPI的SCK、SDI、SDO引脚，只增加片选信号CS，例如当接入3片TMC261时，FPGA端引脚连接为SCK、SDI、SDO、CS1、CS2、CS3。

2.5 其它

外部信号通过接口转换电路部分分别于FGPA任意普通IO引脚相连。

板卡上总共存在四类地：信号地、功率地、数字地、模拟地。

3 技术应用

在需要多个步进电机作为执行机构的复杂伺服运动控制系统中，这种驱动控制板卡既保证了硬件系统对于外部接口的广泛适应能力，硬件系统上进行软件编程相对简单，同时驱动控制一体的设计，硬件体积小，重量轻，成本低等优点。可应用于动中通天线系统，雷达天线系统等。