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光电跟踪全数字伺服随动控制器设计

作　者: 廉学正
导　师: 乔永明
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 光电跟踪 DSP+FPGA 伺服控制器 PID控制算法
分类号: TN29
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本论文首先说明了国内和国外光电跟踪设备的发展状况，阐述了本文研究的意义。根据目前正在研制的光电跟踪设备，为了使跟踪精度更高，实时复杂控制算法越来越多的应用到伺服系统中，这就需要光电跟踪设备的伺服控制器能在更短的时间内完成更多的运算，即对伺服控制器的运算处理能力有了更高的要求。而长期以来国内光电跟踪测量设备的研制思想一直停留在集成开发上，基本是选择了以PC机、工控板卡和小规模集成电路为基础，系统集成为主线的技术路线。这种设计虽然在实际工程中得到成熟的应用，但存在的问题和弊病很多，如技术相对落后，重复开发多，只能跟随PC机和工控板卡的发展，核心技术受制于人；系统的集成度很低，造成设备体积很大、接口复杂，工作稳定性和可靠性难以保证等。因此，随着靶场应用要求和半导体技术的发展，开发设计新一代全数字、高精度、宽幅速度控制的伺服控制器是非常必要的。本设计根据实际项目需求，设计出一种基于“DSP+FPGA”为核心的数字式伺服控制系统。该系统中，以数字信号处理器TMS320F28335作为核心控制器，处理由上位机发送过来的位置指令或控制方式命令字，通过外部总线读取FPGA内部双口RAM中编码器角度和PSD跟踪脱靶量用于速度环和位置环的双闭环数字控制，以及通过SPI总线配置两通道D/A，其输出经放大后驱动电机工作；现场可编程门阵列EP2S30F484C5作为协处理器，是系统内外接口的桥梁，用于采集编码器反馈的方位和俯仰角度、跟踪脱靶量、单杆、陀螺、设备状态等传感器数据。结合上述任务的要求，本设计构建了应用于项目的伺服控制器，包括设计原理图及PCB板，以及各个模块的软件实现。并结合目前光电跟踪领域比较成熟的PID控制算法，给出程序的实现流程图以及DSP和FPGA联调的调试结果，并展望了系统的升级空间。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 选题背景和研究意义  8-10
    1.1.1 选题背景  8
    1.1.2 研究意义  8-10
  1.2 光电跟踪系统的国内外发展现状  10-12
    1.2.1 光电跟踪系统的发展现状  10-11
    1.2.2 光电跟踪系统的发展趋势  11-12
  1.3 本文的主要工作与组织流程  12-14
第二章 光电跟踪系统总体设计  14-22
  2.1 光电跟踪系统的总体结构  14-16
  2.2 伺服控制器的总体结构  16-17
  2.3 伺服控制器的选择  17-19
    2.3.1 FPGA的主要功能  18-19
    2.3.2 DSP的主要功能  19
  2.4 本章小结  19-22
第三章 伺服控制器的硬件设计  22-44
  3.1 DSP简介及外围扩展电路  22-29
    3.1.1 DSP芯片及DSP系统的特点  23-25
    3.1.2 TMS320F28335 的功能简介  25-26
    3.1.3 DSP时钟模块  26
    3.1.4 DSP配置D/A  26-28
    3.1.5 DSP的启动方式和调试下载模块  28-29
    3.1.6 DSP与上位机通信模块  29
  3.2 FPGA简介及外围扩展电路  29-38
    3.2.1 FPGA简介  29-31
    3.2.2 FPGA的选型  31-32
    3.2.3 FPGA时钟模块  32-33
    3.2.4 A/D转换模块接口  33-34
    3.2.5 编码器模块  34-37
    3.2.6 RS232 串口模块  37
    3.2.7 FPGA的调试下载模块  37-38
  3.3 电源和复位设计  38-40
    3.3.1 电源模块设计  38-40
    3.3.2 系统复位模块  40
  3.4 伺服功率驱动模块设计  40-42
  3.5 电磁兼容性设计  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第四章 系统软件设计及调试结果  44-58
  4.1 FPGA软件设计  44-50
    4.1.1 编码器模块的设计  44-46
    4.1.2 A/D转换模块的设计  46-47
    4.1.3 RS232 串口模块设计  47-48
    4.1.4 与DSP的数据交换模块  48-50
  4.2 DSP软件设计  50-53
    4.2.1 时钟与系统初始化  50-52
    4.2.2 SCI通信模块  52-53
    4.2.3 SPI接口模块  53
  4.3 伺服控制系统联调  53-56
    4.3.1 数字PID控制算法简介  54-55
    4.3.2 系统联调结果  55-56
  4.4 本章小结  56-58
第五章 总结与展望  58-60
  5.1 论文总结  58
  5.2 研究展望  58-60
参考文献  60-62
攻读硕士学位期间发表文章  62-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 光电子技术的应用
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