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基于SOPC的实验转台控制系统设计与实现-控制科学与工程专业论文
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。
关键词: SOPC 技术;电机控制器;实验转台;Nios II
Abstract
Motor control is a widely used technology. There is a variety of digital controller, traditionally development of digital controller is generally related to communication of chips with different functions, which affect the efficiency of the system in a certain extent. With the rapid development of the technologies of LSI(large-scale integrated circuit) and SOC(System on Chip), SOPC(System on Personal Chip) technology as a new solution of SOC was proposed by Altera corporation in the beginning of twenty century. The core will be embedded in the FPGA chip by SOPC technology where users can develop the IP cores, SOPC was applied in many fields. Take above narrtive as the background; the researchment and development of using SOPC technology in the turntable controller were carried out, aiming at taking the advangtage of SOPC to the control field. Based on the design of the overall system, we discuss and complete the hardware
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