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基于SOPC的实验转台控制系统设计与实现

作 者: 张少坡
导 师: 王毅
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 控制科学与工程
关键词: SOPC技术 电机控制器 实验转台 Nios II
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 15次
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内容摘要


电机控制是应用极其广泛的技术,数字控制器多种多样,传统的控制器开发中普遍涉及到不同功能芯片的配合通信,一定程度上影响系统的执行效率。随着大规模集成电路及SOC技术的迅速发展,本世纪初Altera公司提出了SOPC(System On Personal Chip)技术,这项技术实现了在FPGA中嵌入内核处理器,开发用户IP核模块,作为一种新的SOC解决方案其在很多领域得到应用。本文以此为背景,研究开发SOPC技术在转台控制器中的应用,将SOPC技术优势应用到控制领域中。在系统总体设计基础上,详细讨论并完成了FPGA开发数字控制器的硬件电路设计、SOPC系统硬件开发及配置、嵌入式内核软件编程,在一个芯片上实现了控制器的开发,在减小设备体积、提高算法执行效率的同时,使得FPGA可灵活开发、并行执行的优势得到很大的发挥。本文通过分析实验转台系统的总体结构,完成了数字控制器的FPGA平台的电路,包括FPGA电源、片外存储器、串口通信、PWM滤波电路等设计。另外,还完成了基于AD2S80A的旋转变压器轴角变换电路的设计和调试,通过与包括驱动器在内的电机系统闭环结合,完成了闭环控制系统的搭建。在FPGA中设计和开发SOPC系统时,充分考虑到了作为电机控制器的需求,本文中结合SOPC Builder及Nios II IDE开发工具在FPGA芯片中嵌入了Nios II内核,基于Avalon总线规范将系统功能进行了IP核开发。在FGPA内实现了AD2S80A数据处理模块和增量式光电编码器信号四细分、辨向模块,并且将两个模块进行综合,充分利用了控制器IO总线,简化系统的程序开发,增加了控制器的通用性;针对设计的PID控制算法,设计了控制算法IP核,使得算法执行结合FPGA硬件运行的并行特性;结合控制器功能要求,完成了包括PWM、串口通信、定时器等在内的各个功能IP核的设计及配置。对以上设计作了仿真验证,各个模块逻辑功能符合要求。通过对控制系统的设计及离散化处理,在完成的SOPC系统中编写内核程序,实现控制算法及各个功能的调用,经过对实验转台系统的测试显示控制器达到了对系统控制的要求,设计的控制器可以灵活扩展及复制,控制器融合了SOPC系统的性能。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 绪论  8-14
  1.1 课题研究的目的和意义  8-9
  1.2 数字控制器及控制理论概述  9-10
  1.3 SOPC设计技术概述  10-12
    1.3.1 SOPC技术  10-12
    1.3.2 IP核复用技术  12
  1.4 论文主要研究内容及章节安排  12-14
第2章 控制器总体设计  14-19
  2.1 系统总体设计  14-15
  2.2 基于FPGA的SOPC系统总体设计  15-18
    2.2.1 控制器功能划分  15-16
    2.2.2 SOPC系统的总体规划  16-17
    2.2.3 系统程序开发  17-18
  2.3 本章小结  18-19
第3章 控制系统硬件电路设计  19-33
  3.1 引言  19
  3.2 旋变信号处理电路设计与调试  19-23
    3.2.1 旋转变压器原理  19-20
    3.2.2 测角电路设计与调试  20-23
  3.3 FPGA控制器电路设计  23-27
    3.3.1 FPGA电源电路  23-24
    3.3.2 片外Flash模块  24-25
    3.3.3 片外SDRAM模块  25-26
    3.3.4 串口通信电路  26-27
  3.4 PWM数模转换电路设计  27-32
    3.4.1 PWM隔离及滤波电路设计  28-31
    3.4.2 电压转换电路设计  31-32
  3.5 本章小结  32-33
第4章 基于FPGA的SOPC系统设计  33-55
  4.1 SOPC系统功能设计  33-34
  4.2 Nios II处理器及Avalon总线概述  34-37
  4.3 基于FPGA的测角逻辑电路设计  37-45
    4.3.1 旋转变压器测角信号数据处理模块  37-38
    4.3.2 编码器的测角数据处理模块  38-44
    4.3.3 旋转变压器和编码器测角信号处理模块的综合  44-45
  4.4 控制算法IP核设计  45-47
  4.5 PWM IP核模块设计  47-49
  4.6 串口通信IP核设计  49-50
  4.7 FPGA嵌入式软核设计  50-54
  4.8 本章小结  54-55
第5章 控制系统算法设计与调试  55-67
  5.1 引言  55
  5.2 控制系统数学模型建立  55-57
  5.3 PID控制器设计  57-61
    5.3.1 PID控制器离散化  57-58
    5.3.2 PID控制器设计及仿真  58-61
  5.4 Nios II系统程序设计及开发  61-65
    5.4.1 Nios II IDE开发环境  61-62
    5.4.2 系统软件开发流程  62-64
    5.4.3 system.h文件的使用  64-65
    5.4.4 控制性能分析  65
  5.5 本章小结  65-67
结论  67-69
参考文献  69-75
致谢  75

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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