温度—应力试验机荷载控制系统的设计

论文摘要

本文在充分调研国内外荷载控制系统的研究现状基础上，针对目前荷载控制系统存在的关键问题，结合荷载控制系统的主要功能及技术指标，提出解决关键问题的技术方案。采用SOPC技术为研究手段，采用外设模块形式扩展系统的功能，通过自定义指令来提升系统的性能，并完成了基于SOPC的荷载控制系统硬件和软件设计。荷载控制系统硬件设计完成硬件平台设计、自定义指令模块设计、自定义外设模块设计以及系统配置。硬件平台设计主要完成FPGA芯片选择、外围电路以及步进电机细分驱动电路设计。在基于SOPC的软件设计中，将软件设计分为两层，即是驱动子程序和应用子程序设计。驱动子程序部分设计步进电机细分驱动子程序。应用子程序设计包括通讯子程序、步进电机变细分控制子程序位置控制子程序以及拉压力控制子程序。本文重点解决了目前荷载控制系统存在的两个问题。由于目前荷载控制系统采用了基于ASIC的硬件平台，存在着无法扩展和升级的问题，考虑到SOPC硬件平台具有可扩展的优点，结合Altera公司推出的基于NiosⅡ软核处理器的SOPC系统具有的优势，硬件平台采用基于NiosⅡ软核处理器的SOPC方案。针对步进电机控制芯片不能实现细分的问题，采用多个PWM模块组合成一个带细分功能的步进电机控制模块，采用正弦查表算法实现脉冲细分算法，选用模糊算法实现变细分算法，并将正弦查表算法和模糊算法设计成指令的形式。仿真分析表明，本文提出的解决方案中的关键模块能够实现相应的功能。通过步进电机运行在非细分和细分、变细分和定细分下的最大位置控制精度和最大加载速度的指标对比分析，说明本文采用的变细分控制方案满足了技术指标要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 相关技术的国内外研究现状
• 1.2.1 温度—应力试验机的荷载控制系统研究现状
• 1.2.2 SOPC技术应用现状
• 1.2.3 软核处理器简介
• 1.2.4 步进电机细分驱动技术简介
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 荷载控制系统关键问题解决方案
• 2.1 荷载控制系统的主要功能及技术指标
• 2.2 荷载控制系统关键问题解决方案
• 2.2.1 硬件平台及处理器选择
• 2.2.2 步进电机变细分控制方案
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于 SOPC的荷载控制系统硬件设计
• 3.1 硬件开发环境和设计流程
• 3.2 硬件平台设计
• 3.2.1 FPGA芯片选择
• 3.2.2 外围电路设计
• 3.2.3 步进电机细分驱动电路设计
• 3.3 自定义外设模块设计
• 3.4 自定义指令模块设计
• 3.4.1 模糊算法指令
• 3.4.2 正弦查表指令模块
• 3.5 系统配置
• 3.5.1 Nios II软核处理器的配置
• 3.5.2 通讯模块配置
• 3.5.3 步进电机细分控制模块配置
• 3.5.4 整体配置
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于 SOPC的荷载控制系统软件设计
• 4.1 软件开发环境和设计流程
• 4.2 驱动子程序设计
• 4.3 应用子程序设计
• 4.3.1 通讯子程序
• 4.3.2 步进电机变细分控制子程序
• 4.3.3 位置控制子程序
• 4.3.4 拉压力控制子程序
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统仿真与性能指标分析
• 5.1 仿真环境简介
• 5.2 步进电机细分控制模块仿真
• 5.2.1 步进电机细分控制模块仿真
• 5.2.2 模糊指令的仿真
• 5.2.3 正弦查表指令的仿真
• 5.3 性能指标分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利申请
• 致谢
• 附录 PWM模块硬件描述代码