CN102591200A

CN102591200A - 一种fpga控制系统开发平台

Info

Publication number: CN102591200A
Application number: CN2011103530453A
Authority: CN
Inventors: 李啸隽; 李琳; 邹炎飚
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2031-11-09
Also published as: CN102591200B

Abstract

本发明涉及电子控制系统设计领域，提供了一种FPGA控制系统开发平台。该平台包括PID反馈控制模块、数字脉冲宽度调制模块PWM、正交解码器模块；正交解码器将接收到的信号转换为位移与速度脉冲信号；PID反馈控制模块调节接收到的脉冲信号与参考输入的误差，得到控制信号；数字脉冲宽度调制模块PWM将控制信号转换为脉冲波，实现对机电系统的调节。在Matlab/Simulink环境下，用户可以快速地从次模块库中选取元件作为电子控制系统，结合Simulink现有的丰富机电建模资源，进行联合仿真。仿真成功后可以直接编译、配置、下载到FPGA控制器上。

Description

一种FPGA控制系统开发平台

技术领域

本发明涉及电子控制系统设计领域，特别涉及一种FPGA控制系统开发平台。

背景技术

现代工业的快速发展对控制系统提出了新的要求。在很多工业领域，诸如机器人系统、航天航空器件、军用控制系统和其他自动控制领域都要求更紧凑、更高效、能够定制化的控制器。

现有的控制器大多是基于两大平台：PC机或者嵌入式系。对于后者，大部分控制器为（先进精简指令集计算机）ARM微控制器，或者是数字信号处理器（DSP）。其系统一般是通过软件编程来实现控制，通过外围电路来实现与机电系统的通信。对于这一类控制方式，控制信号由于要经过应用软件、操作系统、固件、硬件的多层传送，容易出现问题，现有的ARM控制系统变得越来越复杂，像PC系统一样，其往往会陷入各种软件BUG中。对于DSP系统来说，虽然其具有硬件乘法器，可以快速地进行数字运算。但由于DSP是基于状态机的典型电子计算机结构，无法很好地完成并行任务。

在此之前，论文《FPGA-Based Controllers》、《FPGA Design Methodology for Industrial Control Systems-A Review》很好地说明了现场可编程门阵列（FPGA）作为控制系统的优点：FPGA为用户提供一个可以制定硬件电路的平台，另一方面，互用也可以在其集成的软核（Soft Core）上进行灵活的软件设计，最后通过自行设计或者已有的总线IP（如Avalon、Wishbone）将硬件平台集成到整个系统中，实现完全的片上系统（system-on-chip）。而相对于前两个平台，FPGA还没有成熟的针对控制系统的快速开发平台。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供一种FPGA控制系统开发平台。在Matlab/Simulink环境下，用户可以根据设计流程，快速地从次模块库中选取元件作为电子控制系统，与此同时，结合Simulink现有的丰富机电建模资源，进行联合仿真。仿真成功后可以直接编译、配置、下载到FPGA控制器上。

本发明由下述技术方案实现：

一种FPGA控制系统开发平台，包括PID反馈控制模块、数字脉冲宽度调制模块PWM、正交解码器模块。

所述正交解码器由滤波电路、解码器、速度计算电路构成，将接收到的信号转换为位移与速度脉冲信号；

所述PID反馈控制模块由加法器、延时器、乘法器构成；PID反馈控制模块为数字PID模块或增量式PID模块，所述数字PID模块的控制电路为：

；

其中，K_p为比例因子；

K_p与当前测得的误差相乘产生反馈控制信号，其大小直接影响反馈系统的响应速度；

K_p/T_i 也就是K_i积分因子，K_i与积分所得的累积误差相乘，影响系统的稳态误差；

K_p/T_d为K_d微分因子，K_d与现在误差信号的微分相乘，可以提高系统的动态相应。

所述数字PID模块的控制电路为：

；

其中，K₀、K₁、K₂分别代表当前误差、一次延迟误差、两次延迟误差在系统中所占的比例。

PID反馈控制模块调节接收到的脉冲信号与参考输入的误差，得到控制信号；

所述数字脉冲宽度调制模块PWM由计数器、位移器、比较器构成；数字脉冲宽度调制模块将控制信号转换为脉冲波，对机电系统进行调节。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)与基于其它平台的控制系统相比，FPGA为用户提供一个可以制定硬件电路的平台，另一方面，互用也可以在其集成的软核（Soft Core）上进行灵活的软件设计，最后通过自行设计或者已有的总线IP（如Avalon、Wishbone）将硬件平台集成到整个系统中，实现完全的片上系统（system-on-chip）；

(2)由于集成多种外围电路，成本相对低廉；

(3)由于采用硬件电路实现算法，速度与并行处理能力相对于一般方法大大地被提高了；

(4)本平台基于Matlab/Simulink，很好地利用了Matlab/Simulink现有的资源，方便用户快速建模。

附图说明

图1是数字PID模块结构图。

图2是增量式PID模块结构图。

图3是PWM电路模块结构图。

图4是正交解码器模块结构图。

图5是电路模块Matlab/Simulink 封装图。

图6是本发明实施例的设计流程。

图7是本发明实施例的机电控制系统设计图。

图8是本发明实施例的仿真结果图。

图9是本发明实施例的系统集成原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种FPGA控制系统开发平台，该平台提供一个数字控制系统模块库，包括数字PID模块、脉冲宽度调制模块PWM、正交解码器模块。

如图1、图2所示，所述数字PID模块由加法器、延时器、乘法器构成。

所述PID模块为数字PID模块或增量式PID模块。

所述数字PID模块的控制电路为：

。

所述增量式PID模块的控制电路为：

。

如图3所示，所述数字脉冲宽度调制模块PWM由计数器、位移器、比较器构成。

如图4所示，所述正交解码器由滤波电路、解码器、速度计算电路构成。

如图5所示，是电路模块Matlab/Simulink 封装图；如图6所示，是本发明推荐的设计流程。在Matlab/Simulink环境下，从本发明的开发平台中选取元件作为电子控制系统，一般的电子控制系统需要解码器和PWM模块作为输入和输出，PID作为核心的控制。本发明提供两种PID模块，其中数字PID模块的效率低于增量式PID模块，但其参数调节更为直观方便，可以根据实际需要进行选择。与此同时，结合Simulink现有的丰富机电建模资源，可以根据实际需要，通过电机系统（主要通过SimElectronics）、液压系统（SimHydraulics）和机械系统（SimMechanics）建立控制对象的模型，然后再加入转换模块，最后联合仿真。仿真成功后通过DSP Builder所带的Signal Compiler 部件直接编译、配置、下载到FPGA控制器上。在下载之前，需要对引脚进行配置，并且指定芯片型号。

图7为一个具体的实例，其中的控制模块可分为电子控制系统，电动机系统，机械系统。电子系统通过本发明的提供控制模块库来组建，其余部分来自于Simulink，整个系统的建模是实现级（implementation level），具有很高的可信度。其仿真结果如图8所示，其中系统最大超调量不超过3%，反应时间低于0.2秒，说明了其良好的性能。

图9为一个推荐的系统集成方式，可以通过自行设计或者已有的总线IP（如Avalon、Wishbone）将已经设计好的硬件模块集成到整个系统中。譬如对于机器人系统，可以设计多个PID模块对各个轴进行并行控制，路径插补程序则可以交由软核CPU来处理，用C语言设计。其他的一些模块，如通信、人机交互、定时器等等都可以以IP的形式集成在总线上，实现完全的片上系统（system-on-chip）。

上述实施例为本方面较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种FPGA控制系统开发平台，其特征在于包括正交解码器模块、数字脉冲宽度调制模块PWM、PID反馈控制模块；

——所述正交解码器模块由滤波电路、解码器、速度计算电路构成，将接收到的信号转换为位移和速度脉冲信号；

——所述PID反馈控制模块由加法器、延时器、乘法器构成，将接收到的脉冲信号与参考输入的误差，得到控制信号；

——所述数字脉冲宽度调制模块PWM由计数器、位移器、比较器构成，将控制信号转换为脉冲波，对机电系统进行调节。

2.根据权利要求1所述的一种FPGA控制系统开发平台，其特征在于PID反馈控制模块为数字PID模块或增量式PID模块，所述数字PID模块的控制电路为：

；

所述增量式PID模块的控制电路为：

。