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分析仪器常用控制功能的FPGA实现

作　者: 刘振国
导　师: 王健
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 现场可编程逻辑门阵列 PID控制直流无刷电机热电制冷器分析仪器脉冲宽度调制
分类号: TN791
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科学技术的发展和社会的进步,分析仪器给工农业生产和生活带来很大的便利,已经成为生产、科学研究和日常生活不可缺少的设备,分析仪器的发展也迎来了广阔的前景。随着分析仪器的发展,流程控制、实时控制和多路并行控制的需求也不断提高。简单控制中常使用模拟控制器,其优点是电路简单,运行可靠。但是对于模拟控制来说,参数调节不方便,控制效果容易受外界环境影响,控制精度低。所以在被控量多变的场合,常使用数字控制器代替模拟控制器。传统的数字控制器如MCU、DSP等,与模拟控制器相比,参数调整方便,更改控制策略灵活,控制精度高,控制结果对环境因素变化不敏感等。数字控制器代替模拟控制器,对提高控制的精确性和可靠性,有很大帮助。传统的数字控制器是以程序语句顺序执行方式实现控制功能,或者基于操作系统的多任务分时执行,功能执行方式为串行执行。传统控制器串行执行的特点,势必带来多任务控制的实时性差,软件的各种缺陷容易导致可靠性差、可移植性性差等的缺点。如果采用FPGA (Field Programmable Gaye Array)作为控制单元代替传统的数字控制器,既可以保持数字控制器参数设置灵活的特点,又能够满足控制的并行性、实时性、软件的可移植性和可靠性的等要求。而且FPGA逻辑执行速度快,抗干扰能力强,程序设计灵活方便,在工业现场应用,对提高分析仪器控制的稳定性和可靠性,具有重要价值。FPGA的快速发展,为满足分析仪器实时控制和多路并行控制需求,提供了较多的解决方案。研究及实现基于FPGA的分析仪器常用控制功能,也具有重要意义。本课题以实现基于FPGA的分析仪器常用控制功能为目标,以FPGA作为控制核心,研究并分析经典控制理论,设计并实现分析仪器中转速控制和温度控制的FPGA控制平台,进行程序编写和测试实验,验证了FPGA控制器的控制功能。本课题主要从以下几个方面进行了研究,第1章主要阐述了课题的研究背景、研究目的、意义和FPGA控制技术的研究现状。第2章介绍了经典控制理论,重点介绍了应用广泛的PID控制原理,介绍了常用的改进PID控制模型,并对PID模型进行Matlab仿真分析。第3章介绍设计的FPGA控制系统的硬件电路设计方案。重点介绍了直流无刷电机速度控制模块和热电制冷器温度控制模块,讲述了工作原理、硬件驱动方案和控制算法等,简要介绍设计的FPGA控制系统的其他模块组成。第4章主要介绍FPGA控制系统的程序设计和程序仿真分析。首先根据控制模块的需求,进行了程序概要设计；然后进行详细设计,用Verilog编程实现模块的功能；最后,进行模块Modelsim仿真分析,对模块的设计功能进行验证。第5章对控制系统的功能进行了测试,分别进行了单板、功能和性能测试,并且对测试结果进行分析。第6章对论文进行总结,总结完成的工作,并对研究中的不足提出展望。在课题中,通过对基于FPGA的分析仪器控制系统的设计,熟悉了分析仪器常用的控制功能和控制理论,设计了基于FPGA的分析仪器控制功能硬件驱动平台,提出了基于FPGA的控制方法,搭建了控制系统软件框架,进行了基于Verilog语言的程序设计,将设计的控制软件下载到FPGA硬件控制平台,对控制功能进行了验证。通过前面一系列的工作,充分验证了课题“分析仪器常用控制功能的FPGA实现”的必要性和可行性,对分析仪器的发展和控制性能的不断提高,具有重要的推动作用。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
第1章绪论  12-17
  1.1 选题背景  12
  1.2 课题研究目的和意义  12-14
  1.3 FPGA控制技术研究现状  14-15
  1.4 课题主要内容  15-17
第2章经典控制方法概述  17-25
  2.1 常用控制理论  17-18
  2.2 PID控制原理及数学模型  18-24
    2.2.1 PID的原理  18-19
    2.2.2 位置式PID控制原理  19-20
    2.2.3 增量式PID控制原理  20-21
    2.2.4 抗积分饱和PID控制原理  21-22
    2.2.5 积分分离式PID控制算法  22-23
    2.2.6 PID控制参数整定  23-24
  2.3 本章小结  24-25
第3章 FPGA控制系统硬件设计及实现  25-49
  3.1 硬件模块组成  25-26
    3.1.1 分析仪器常用控制模块概述  25-26
    3.1.2 FPGA控制平台模块组成  26
  3.2 BLDC控制  26-39
    3.2.1 BLDC简介  26-27
    3.2.2 电机本体  27-28
    3.2.3 位置检测  28-30
    3.2.4 功率驱动  30
    3.2.5 工作原理  30-32
    3.2.6 数学模型  32-34
    3.2.7 数学方程  34-36
    3.2.8 机械特性  36
    3.2.9 BLDC控制策略  36
    3.2.10 BLDC控制算法  36-38
    3.2.11 BLDC驱动方案  38-39
    3.2.12 霍尔测速  39
  3.3 TEC温控  39-47
    3.3.1 TEC简介  39-40
    3.3.2 TEC制冷原理  40-42
    3.3.3 TEC制冷器的物理模型  42-43
    3.3.4 TEC制冷器的效率  43-46
    3.3.5 TEC驱动方案  46
    3.3.6 温度检测  46-47
  3.4 直流加热温控  47
  3.5 交流加热温控  47
  3.6 电源方案  47-48
  3.7 FPGA最小系统  48
  3.8 本章小结  48-49
第4章 FPGA控制系统软件设计与Verilog实现  49-67
  4.1 BLDC控制  49-52
    4.1.1 BLDC控制需求  49
    4.1.2 BLDC控制模块  49-52
  4.2 TEC控制模块  52-53
    4.2.1 TEC控制需求  52
    4.2.2. TEC控制模块  52-53
  4.3 直流控制模块  53-54
    4.3.1 直流加热控制需求  53
    4.3.2 直流加热控制模块  53-54
  4.4 交流加热模块  54
    4.4.1 交流加热控制需求  54
    4.4.2 交流加热模块  54
  4.5 Verilog编程实现  54-63
    4.5.1 BLDC底层驱动  55-56
    4.5.2 BLDC速度测量  56
    4.5.3 BLDC位置式PID控制  56-59
    4.5.4 TEC底层驱动  59-60
    4.5.5 TEC增量式PID控制  60-61
    4.5.6 直流和交流加热底层驱动  61
    4.5.7 AD7190底层驱动  61-62
    4.5.8 SPI时序逻辑  62-63
  4.6 Modelsim仿真分析  63-66
    4.6.1 BLDC底层驱动模块仿真  63-64
    4.6.2 BLDC速度检测模块仿真  64
    4.6.3 TEC底层驱动模块仿真  64-65
    4.6.4 SPI底层驱动时序仿真  65-66
  4.7 本章小结  66-67
第5章实验结果分析与总结  67-75
  5.1 测试平台概述  67
  5.2 单板测试  67-68
    5.2.1 电源测试  67
    5.2.2 FPGA最小系统测试  67
    5.2.3 接口测试  67-68
    5.2.4 BLDC控制模块测试  68
    5.2.5 TEC驱动测试  68
    5.2.6 交流加热温控测试  68
    5.2.7 直流温控测试  68
  5.3 功能测试  68-71
    5.3.1 BLDC控制模块功能测试  68-69
    5.3.2 TEC温控功能测试  69-70
    5.3.3 直流温控功能测试  70
    5.3.4 交流加热温控功能测试  70-71
  5.4 性能测试  71-74
    5.4.1 BLDC控制模块测试  71-72
    5.4.2 TEC温控测试  72-73
    5.4.3 直流加热温控测试  73-74
    5.4.4 交流加热温控测试  74
  5.5 调试总结  74
  5.6 本章小结  74-75
第6章总结与展望  75-77
  6.1 总结全文  75
  6.2 工作展望  75-77
参考文献  77-79
附录 BLDC底层驱动仿真程序  79-81
致谢  81-82
硕士期间发表的论文和参加的科研项目  82

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