球型摄像机高速运动控制驱动策略的SoC实现方案

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【摘 要】 作者描述了作为高速球形摄像机运动控制系统主要执行元件――步进电机微步驱动控制的SoC实现方案。报告应用基于模型的分析描述以及基于步进电机特性的物理分析结果，设计了一种在单芯片（SoC，System On Chip）上实现的新型高速球形摄像机运动控制的电子系统级方案。该方案针对步进电机高精度微步驱动控制设计需求，建立了运动控制电子系统微步驱动策略各个设计层次上的模型，通过仿真探索其系统架构及性能优化。这篇文章也是《单芯片实现高速摄像机运动控制系统的一种设计方案――（系统分析篇）》的续篇――系统综合篇。

【关键词】 高速球型摄像机 步进电机 驱动控制 建模 仿真

在系统分析篇中，描述了步进电机领域的基本知识，分析了步进电机驱动控制技术的演化，并针对步进电机的特性经由基于模型的仿真理解混合型步进电机驱动策略的行为，提出了以步进电机微步驱动策略作为高速球型摄像机系统的位置控制系统的设计方案。本篇从系统综合的角度讨论设计目标如何在SoC电子系统级平台实现的方法。

1 系统综合

将若干相互有逻辑联系的实体为某些确定目的性而设计成统一的实体，这个过程相对于系统分析而言就是系统综合。

1.1 SoC 应用开发

SoC，在芯片上实现的系统。SoC将电子系统几乎全部的功能集成到一块芯片上，从而在单个芯片上能实现数据的采集、转换、存储、处理和I/O等多种功能。SoC应用系统的开发涉及到有关技术手段的创新。

1.1.1 软硬件协同仿真与验证

软硬件系统仿真的目的是在系统设计早期，通过仿真（模拟）的手段验证硬件虚拟模型和软件算法以及发现软硬件系统集成方面的问题。

1.1.2 设计重用技术

设计重用是基于SoC系统平台的，具有系统构造的模块化形式以及知识和经验延续的继承性，节约稀缺的设计资源。

1.1.3 可重构计算技术

可重构计算技术（Configurable Computing）是以可编程逻辑芯片为硬件基础，能根据应用需求动态地配置系统的功能和规格，使系统具有柔性和高性能。

1.1.4 软硬件划分策略

高速球形摄像机系统中需要四个恒定电流断路控制器来同时控制两个步进电机，由于断路器要求连续循环的PWM输出控制，MCU的开销非常大。由FPGA实现的状态机设计来执行驱动策略却是非常合理的。由此，软硬件的划分策略是这样确定的：所有步进电机驱动器的控制算法都由SoC芯片上的FPGA资源来实现；让SoC的MCU只通过最简单的控制指令直接控制电机驱动部件。

1.2 运动控制状态机

1.2.1 有限状态机

有限状态机是一种数学抽象，既能表达数字逻辑又能执行计算机编码的程序，它形式化地定义为：

一个确定性有限状态机是一个五元组（Σ，S，s0，，δ，F），

这里，Σ是输入字母表，一个有限、非空的符号集合。

S是一个有限、非空的状态集合。

s0是S的一个初始状态。

δ是状态转移函数：

δ：S Χ ΣS表示，确定性有限状态机的转移函数δ根据输入字表Σ和状态S按δ定义的运算Χ改变状态S。

F是有限状态的集合，是S的子集（有可能是空的）。

有限状态机是规定系统整体行为约束的有效方法。处于某一状态意味着系统只响应所有允许输入的一个子集，只产生可能响应的一个子集，并且改变状态也只是所有可能状态的一个子集。

1.2.2 状态机模型开发计算机程序

状态机在这里是用程序语言代码形式构建的，从编码的角度看它就是逻辑状态机，switch-case 语句结构最适合描述状态机语义：代码对不同的历史状态（state）作出响应（case），根据输入字母表（input），决定状态（S）的赋值，完成其转移。状态机模型可以用来开发算法和计算机目标程序，帮助评估早期系统设计算法的行为，在步进电机驱动策略模型的开发中是很关键的。

1.2.3 状态机模型设计数字逻辑电路

数字电路设计使用的层次抽象概念把系统对象分成两个基本的领域，一个是行为域（部件通过定义它的输入/输出响应来描述），一个是结构域（部件通过一些更基本部件的互连拓扑来描述）。状态机模型用于行为域时，用算法和数据流来描述行为。当要设计数字逻辑电路的时候，就要从算法转换到门电路，从行为域转换到结构域。换言之，就是要将基于模型的描述转换为硬件描述语言（HDL），这在驱动策略模型的实现过程中也得到重要应用。

1.3 驱动控制系统的设计

1.3.1 芯片上的系统部件和PCB上的系统器件

图1实际的商品化SoC芯片。集成了ARM MCU硬核及子系统，FPGA，模拟计算引擎等。

（1）芯片上的系统部件：图1顶部显示的是一种智能融合的SoC 芯片，它具有：完全可定制系统能力，知识产权保护能力以及高效的设计生产力。

（2）PCB上的系统器件：图1底部显示的是位置控制系统的板级器件，包括了步进电机、取样元件和H桥部件。

1.3.2 硬件实现的控制算法部件

（1）基于模型的设计方法：

图2所示的就是一个球型摄像机运动控制系统的顶层抽象。同时，它也是我们要在一个混合信号和FPGA及MCU硬核架构上实现的SoC高层系统描述。

（2）基于模型的系统描述。微步模式的驱动系统设计，从设计顶层的视角来看，有三个模块：控制命令，微步算法，及控制驱动器。SoC系统的软硬件划分如下：

1）MCU实现的功能：启动指令由Signal Builder模块给出，微步模式的设置参数由一个常数模块输出。在SoC环境中步进指令和模式设置的信号由MCU实现控制，因为MCU最接近人机交互。MCU通过简单的数字接口与控制算法连接。

2）控制算法状态机实现的功能：半步驱动模式经过优化和扩充得到适用于微步驱动模式的控制策略。由FPGA硬件资源实现高性状态机设计和基于硬件的查找表技术可达1/256的微步细分，只要选择预置的微步参数就可以实现有效范围内灵活的微步模式控制策略。

3）微步控制策略驱动器实现的功能：这部分是设计微步控制策略驱动模式的重点。利用soc混合数字和模拟信号系统资源，设计实现传统步进电机驱动专用集成电路具有的功能。包括从控制策略的数据结构到H-桥输出控制逻辑信号之间的所有功能部件。从模型输出的数据曲线图形可以看出，仿真的结果是设计所需要表现的行为：示波器显示的微步驱动模式的两相波形已经接近理想正弦/余弦的曲线，步进角度已经被细分为很小的微步，而步进电机的规格并没有升级。因此，按照基于模型的设计技术概念，图2表示的模型是设计需求的一个可执行规范也是一个验证确认的测试基准，并且可进一步发展出更加详尽的设计-验证平台。

4）微步模式的规格指标：通过前文对步进电机电气和机械结构的研究，我们知道从全步电气角度开始按2-1的m+2次幂的细分将产生机械步距角按2-1的m次幂的微步。当选择参数1/64细分时（m=4）将得到1.8/16=0.1125°的微步角。可以计算出，当主机在0.5秒钟内发出20个步进脉冲时，步进电机应该到达20x0.1125=2.25°的角位置。从这个模型显示的角度曲线可以看出在0.5秒钟时刻累计步进到达稳定的角位置刚好就是这个数值。在设计微步驱动器的时候这个细分的比例关系将会被用到，它是衡量微步细分的规格指标。

（3）微步驱动控制器的设计技术。在系统分析篇提出用理想的正弦/余弦电流激励混合型双极步进电机使其得到极平滑的步角输出。图2中示波器显示的A相和B相图波形就是正弦/余弦规律的驱动激励。如果我们设计的微步驱动控制原型能够在步进电机定子的两个绕组中产生正弦/余弦电流，那么从原理和功能上就具备实现以微步驱动控制策略的条件。利用SoC的DAC（数/模转换）正好可以生成正弦/余弦信号，这些信号将作为微步控制恒定电流参考目标值，反馈系统将定子绕组内的实际测量的电流与它们相比较，而微步驱动控制策略通过步进电机相位电流的控制技术方案来实现。

以开关切换加电/断电方式作用到绕组线圈上时，反向电动势产生的感生电流将会以磁能的形式储存于线圈中。这部分能量如不能及时地衰减掉，将会导致下一个脉冲施加后的电流处于不受控的电平值上。对于微步驱动模式来说，要让相电流完全跟踪正弦/余弦规律更须精细地设计PWM控制器。如果能控制得好，平稳地利用感生电动势这部分能量至少可以节省大约三分之一的电力。

如果从状态机的概念出发，相电流的控制分为充电和放电两个基本状态。H桥电路拓扑在放电期间，如果回路中只存在供电电源，线圈中产生的反向电动势将向供电电源放电，电流变化的速率只取决于回路的时间常数。如果我们设计一种使感生电流沿不同路径衰减的放电路径控制技术，就可以得到不同质量的激励电流曲线。图3揭示了在放电状态中的三种不同模式的衰减策略：快速衰减（Fast decay）、慢速衰减（Slow decay），和混合衰减（Mixed Decay）。因为在H桥电路拓扑中的二极管和受控开关晶体管一道组合成不同的电流释放路径，所以绕组线圈内储存的磁场得到这三种不同的衰减模式的控制。设计将证明这三种衰减模式的应用对于达到优良质量的微步驱动控制是非常关键的。

1.3.3 系统设计模型的功能仿真验证和迭代

进入图2“DriveAlgorithm”模型的下层结构，从测试模块中的两相电流示波器，可以看到图5（a）所示的电流波形：定子绕组的电流传感器，获得A、B相的电流I_windingA和I_windingB，它们的曲线包络已经显示出是正弦/余弦规律的。

基于SoC的混合信号处理系统技术的软硬件协同设计带来的益处是非常明显的：一种设计可以适用于多种模式的驱动策略，而且硬件形式的配置可以由软件实现远程更新和维护。在处理掉相电流波形毛刺之前，很方便就引入单相方波信号来观察研究这些毛刺的产生和消除，见图4的理论策略和仿真实现的波形对比。首先这种对比结果反映了微步驱动控制策略核心系统行为在设计上是正确的，其次得到结论是这些带有尖刺的电流波形可以通过衰减调理来改善。

1.3.4 微步驱动模式定子绕组电流波形质量的改善

图5显示了通过调理负载电流的衰减模式是微步驱动得到平滑的转矩输出的过程。图5（a）给出的是混合衰减模式的中等调理级别：快速衰减和慢速衰减时间相等并且等于PWM周期的一半。图5（a）左边的波形上面可以看到存在明显的相电流噪声。图5（b）仍然保持两种衰减作用对等，但是将PWM周期调整到最小，这时候的电流输出波形就平滑多了。图5（c）是在（b）的基础上将断路频率进一步提高 25%可以更加平滑波形，但是波形改善就不太明显了。图5（b）和（c）的波形质量得到了提高，但不像方波驱动的电流，这里并没有通过关闭快速衰减来实现波形的平滑。

如果我们在这个模型上做一些试验，将某一相（如A相）绕组的快速衰减彻底关闭后，正弦曲线的上升段平滑但是它的下降段出现了严重的失真。这是因为定子绕组在连续的充电周期的作用下磁场累积造成电流波形在下降段凸起，凸起的波形反映了低频分量的失真，这甚至是更加严重的问题，它将造成转矩输出非常不稳定。所以，快速衰减和慢速衰减都是很重要的，对微步驱动策略来说尤其如此。

根据仿真实验，很快产生了采用分段衰减调理的方法以进一步解决波形平滑不均匀的技术：由于快速衰减和慢速衰减的作用各占一半，在正弦函数的导数大于零之处毛刺很大，而在导数小于零处则不是这样，这说明快速衰减造成的噪声对正弦函数导数大于零时段敏感。所以，在导数大于零时将快速衰减关闭，而等到正弦曲线过了极值开始下降时再将快速衰减模式打开，这样原来50% 快慢混合衰减时出现的中等噪声的激励电流波形就变为较光滑；如果进一步将快速衰减和慢速衰减的定时参数减少，也就是提高PWM的频率，激励电流的波形就非常理想了。

基于模型的设计和验证技术，可以通过仿真不断提炼目标模型，最终可以得到对所做的设计有比较完整的认识并根据目标模型进一步推进设计过程，以便更深入地研究一些现象并尽早验证设计概念。由于有了一个可以评估的驱动模型，就能够在此基础上通过步进电机微步驱动的工程经验和理论方法实行改进从而更早地得到更优良的设计原型。基于模型的设计方法学提供了一个机会，明显地使设计人员比用传统的方法更容易控制设计的过程和结果以及稀缺资源。

从功能仿真的目的出发，基于模型的设计技术得到能够运行的设计规范、得到系统部件的软硬件边界、得到微步驱动功能要求的控制器系统架构、得到数字系统可综合的硬件描述语言源代码，还得到了可反复验证设计的环境。当模型经过提炼，又具备很好的接口时，就有可能作为模型库来使用。在此基础上建立的微步驱动控制系统设计目标的一级近似就可以随之推进该设计过程到有目标实物参与的仿真或调试的阶段。

2 结语

位置控制系统中的执行元件特性决定了控制算法，步进电机驱动控制技术对高速运动和精确定位的性能提高是非常关键的，好的驱动策略往往可以降低对步进电机步距角精度的要求，并且得到优化的步进电机运行特性。

现代计算机科学和工程给微电机应用技术带来了全新的面貌，人们认识电磁规律的手段也发生了革新。基于电子系统级的应用软件能够通过建模、仿真和设计迭代，极大改进电子系统的设计。

SoC，在芯片上实现的系统，芯片上所有可编程和可重构硬件资源都可为系统建模、仿真和执行的设计过程提供迭代环境，并为实现产品差异化目标构建了技术基础。它不仅带来了承载设计实体器物上的完善，也会发生设计过程形而上的进化。

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