基于FPGA的伺服控制器

论文摘要

工业伺服控制中普遍应用的PID控制器,在机械系统由于长时间运转升温、磨损和扰动等导致的被控模型变化时,不能有效的跟随系统的变化而改变控制参数,使得控制效果变差。本文提出使用自适应PID控制算法,经过试运行整定,可以保证系统正式运行过程中性能不变。新算法对运动控制卡提出了新的要求,本文在不改变原有运动控制卡DSP+FPGA架构的前提下,重新规划各功能分配,将控制器的功能由DSP转移到FPGA中实现,以充分利用FPGA的并行计算优势,降低控制周期,提高控制效果。在控制器的实现过程中,综合考虑控制效果与FPGA资源消耗的影响。验证数制、舍入方式等对控制效果的影响,慎重选择位宽,寻求控制效果与资源消耗之间的平衡。并选择三种不同的实现结构,分析其对控制器的效果影响,通过仿真确保控制器的设计时序。通过在开发套板上运行三种不同实现结构的控制器,对比其控制效果,获得效果最为理想的一种控制器实现结构。对其资源使用及时间消耗进行分析,选用的芯片足以支持四轴的同步运算而不会影响其他功能的实现;与原有在DSP上实现的控制器相比,同样实现一次八个轴的控制器运算,在FPGA中实现的控制器的计算时间只有原来的二十分之一。该控制器控制效果良好,资源使用合理,计算时间有着很大的优势,可以应用于实际使用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 自适应PID控制的现状与发展趋势
• 1.3 FPGA的现状及应用
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排
• 第2章 伺服系统的模型及自适应控制算法
• 2.1 伺服系统模型
• 2.1.1 伺服控制系统的结构
• 2.1.2 伺服控制系统的数学模型
• 2.2 自适应PID控制算法
• 2.2.1 自适应PID控制算法基础
• 2.2.2 PID参数的调节
• 2.2.3 PID与自适应PID浮点仿真结果的比较
• 2.3 小结
• 第3章 自适应控制算法的实现结构
• 3.1 运动控制卡的结构与功能划分
• 3.2 控制器的实现结构
• 3.2.1 IIR滤波器的两种结构及特点
• 3.2.2 PID以两种IIR滤波器形式实现的结构
• 3.2.3 PID以状态空间形式实现的结构
• 3.3 不同结构控制器的MATLAB仿真效果对比
• 3.4 小结
• 第4章 控制算法在FPGA中的实现
• 4.1 数据的数制及舍入方式选择
• 4.1.1 数据的数制选择
• 4.1.2 数据的舍入方式选择
• 4.2 数据位宽的选择
• 4.3 开发中使用的IP核及其功能仿真
• 4.4 控制器的设计架构
• 4.5 小结
• 第5章 实验结果
• 5.1 实验平台简介
• 5.2 直接I的转置形式控制器的实验结果
• 5.2.1 程序的ModelSim仿真结果
• 5.2.2 程序的执行结果及资源的使用情况
• 5.3 直接II的转置形式控制器的实验结果
• 5.3.1 程序的ModelSim仿真结果
• 5.3.2 程序的执行结果及资源使用情况
• 5.4 状态空间形式控制器的实验结果
• 5.4.1 程序的ModelSim仿真结果
• 5.4.2 程序的执行结果及资源的使用情况
• 5.5 三种形式控制器的实验结果对比
• 结论
• 参考文献
• 致谢