本文關(guān)鍵詞：微型直流電機(jī)伺服控制算法的研究及FPGA實(shí)現(xiàn)

  更多相關(guān)文章： 微型直流電機(jī) PID控制算法 FPGA IP核 Nios Ⅱ

【摘要】：為了實(shí)現(xiàn)陣列天線快速、精確波束掃描,這就需要每個(gè)天線單元能夠快速、準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)到位,要求伺服系統(tǒng)具備響應(yīng)速度快,定位精度高。有刷直流電機(jī)具有調(diào)速范圍寬,響應(yīng)速度快,定位精度高,動(dòng)、靜態(tài)特性優(yōu)良,且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此可以采用微型有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線單元�，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)具有豐富邏輯資源、開發(fā)周期短,可反復(fù)編輯等優(yōu)點(diǎn)。采用基于FPGA的數(shù)字電路來控制直流電機(jī),可以實(shí)現(xiàn)多軸電機(jī)控制。本文研究了微型直流電機(jī)伺服控制算法,并基于FPGA設(shè)計(jì)了微型直流電機(jī)控制器IP核,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該IP核對(duì)微型直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。為實(shí)現(xiàn)微型直流電機(jī)快速、精確位置控制,本文仿真研究了微型直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。首先闡明了直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型；然后研究了比例-積分-微分(PID)控制算法,建立了基于Simulink的微型直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明單PID算法驅(qū)動(dòng)微型直流電機(jī),系統(tǒng)存在超調(diào),無法同時(shí)兼顧響應(yīng)時(shí)間短和超調(diào)量小,且無法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程進(jìn)行控制。為了優(yōu)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能,研究了速度剖面、前饋控制算法,提出了一種PID控制、速度剖面和前饋控制相結(jié)合的新型直流電機(jī)伺服控制算法。仿真結(jié)果表明優(yōu)化算法后,電機(jī)位置能較好地跟隨給定輸入,可對(duì)電機(jī)進(jìn)行過程控制；且無明顯超調(diào),響應(yīng)時(shí)間短,定位精度高。為實(shí)現(xiàn)基于FPGA的多軸微型直流電機(jī)伺服控制,本文采用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)了微型直流電機(jī)控制器IP核,以實(shí)現(xiàn)前述伺服控制算法。按照功能劃分,該IP核包括：PositionControl模塊、PWM模塊、QEP模塊、Avalon接口模塊。由于IP核內(nèi)部執(zhí)行操作較多,且時(shí)序復(fù)雜,利用有限狀態(tài)機(jī),嚴(yán)格控制IP核調(diào)用各模塊的時(shí)序關(guān)系。為了減少IP核使用的邏輯單元數(shù)量,優(yōu)化各模塊中硬件描述語句,盡量使程序精煉明晰。利用仿真工具對(duì)IP核進(jìn)行了功能和時(shí)序仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明該IP核內(nèi)部控制時(shí)序正確,計(jì)算結(jié)果符合預(yù)期。最后搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),建立了可編程片上系統(tǒng)(SOPC),編寫了Nios Ⅱ軟件工程,初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單PID算法難以實(shí)現(xiàn)快速精確地控制本文所選微型直流電機(jī),存在較大超調(diào)量,對(duì)小角度的調(diào)節(jié)能力較弱,無法實(shí)現(xiàn)高精度定位；對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化,采用分段控制和電機(jī)啟停監(jiān)測(cè)模式,有效改善伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能,減小了超調(diào)量,提高了伺服系統(tǒng)對(duì)小角度的定位能力,縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間；并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該IP核對(duì)不同電機(jī)系統(tǒng)的差異具有較強(qiáng)適應(yīng)性。
【關(guān)鍵詞】：微型直流電機(jī) PID控制算法 FPGA IP核 Nios Ⅱ
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM33;TN791
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-16
• 1.1 課題背景及研究意義11-12
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 微型直流伺服控制算法的發(fā)展現(xiàn)狀12-14
• 1.2.2 直流電機(jī)控制器的發(fā)展現(xiàn)狀14-15
• 1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容15-16
• 第2章 直流電機(jī)伺服系統(tǒng)控制原理基礎(chǔ)16-25
• 2.1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理16-18
• 2.2 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型18-20
• 2.3 直流電機(jī)控制原理20-22
• 2.3.1 位置控制20
• 2.3.2 轉(zhuǎn)矩控制20
• 2.3.3 調(diào)速控制20-21
• 2.3.4 單位置環(huán)控制原理21-22
• 2.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式22-24
• 2.4.1 PWM調(diào)制技術(shù)22-23
• 2.4.2 PWM單極性驅(qū)動(dòng)23
• 2.4.3 PWM雙極性驅(qū)動(dòng)23-24
• 2.5 本章小結(jié)24-25
• 第3章 伺服系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)及仿真25-42
• 3.1 Simulink簡(jiǎn)介25-26
• 3.2 PID算法設(shè)計(jì)26-28
• 3.2.1 PID位置型算法26-27
• 3.2.2 PID增量型算法27
• 3.2.3 PID參數(shù)整定27-28
• 3.3 系統(tǒng)模型的建立28-31
• 3.3.1 PID控制算法模塊仿真28-29
• 3.3.2 PWM脈沖產(chǎn)生電路仿真29-30
• 3.3.3 微型直流電機(jī)30-31
• 3.3.4 單PID算法微型直流伺服系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)31
• 3.4 速度剖面仿真研究31-37
• 3.4.1 速度剖面模塊設(shè)計(jì)32-33
• 3.4.2 速度剖面仿真結(jié)果分析33-37
• 3.5 前饋算法研究37-41
• 3.5.1 前饋控制模塊設(shè)計(jì)39
• 3.5.2 前饋控制仿真結(jié)果分析39-41
• 3.6 本章小結(jié)41-42
• 第4章 微型直流電機(jī)控制器IP核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)42-50
• 4.1 設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)劃分42-43
• 4.2 IP核各功能模塊設(shè)計(jì)43-47
• 4.2.1 Positioncontrol模塊設(shè)計(jì)43-45
• 4.2.2 PWM模塊設(shè)計(jì)45
• 4.2.3 QEP模塊設(shè)計(jì)45-46
• 4.2.4 Avalon接口模塊設(shè)計(jì)46-47
• 4.3 IP核功能仿真驗(yàn)證47-49
• 4.4 本章小結(jié)49-50
• 第5章 微型直流伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究50-62
• 5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建50-54
• 5.1.1 硬件平臺(tái)描述50-53
• 5.1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及功能描述53-54
• 5.2 單電機(jī)伺服控制性能測(cè)試及結(jié)果分析54-60
• 5.2.1 單PID控制模式實(shí)驗(yàn)分析54-55
• 5.2.2 電機(jī)繞組電流測(cè)量與分析55-59
• 5.2.3 IP核控制算法優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)分析59-60
• 5.3 不同電機(jī)伺服控制性能適應(yīng)性測(cè)試60-61
• 5.4 本章小結(jié)61-62
• 第6章 總結(jié)與展望62-64
• 6.1 全文總結(jié)62
• 6.2 研究展望62-64
• 致謝64-65
• 參考文獻(xiàn)65-68
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果68

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