微型直流電機伺服控制算法的研究及FPGA實現.pdf

1、為了實現陣列天線快速、精確波束掃描，這就需要每個天線單元能夠快速、準確轉動到位，要求伺服系統(tǒng)具備響應速度快，定位精度高。有刷直流電機具有調速范圍寬，響應速度快，定位精度高，動、靜態(tài)特性優(yōu)良，且結構比較簡單等優(yōu)點。因此可以采用微型有刷直流電機驅動天線單元?，F場可編程門陣列(FPGA)具有豐富邏輯資源、開發(fā)周期短，可反復編輯等優(yōu)點。采用基于FPGA的數字電路來控制直流電機，可以實現多軸電機控制。本文研究了微型直流電機伺服控制算法，并基于FP

2、GA設計了微型直流電機控制器IP核，實驗驗證了該IP核對微型直流電機的驅動性能。
　　為實現微型直流電機快速、精確位置控制，本文仿真研究了微型直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)。首先闡明了直流電機基本結構和工作原理，在此基礎上推導了直流電機數學模型;然后研究了比例-積分-微分(PID)控制算法，建立了基于Simulink的微型直流電機控制系統(tǒng)仿真模型。仿真結果表明單PID算法驅動微型直流電機，系統(tǒng)存在超調，無法同時兼顧響應時間短和超調量小，且無

3、法對電機轉動過程進行控制。為了優(yōu)化系統(tǒng)動態(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合的新型直流電機伺服控制算法。仿真結果表明優(yōu)化算法后，電機位置能較好地跟隨給定輸入，可對電機進行過程控制;且無明顯超調，響應時間短，定位精度高。
　　為實現基于FPGA的多軸微型直流電機伺服控制，本文采用Verilog HDL語言設計了微型直流電機控制器IP核，以實現前述伺服控制算法。按照功能劃分，該IP核包括

4、:PositionControl模塊、PWM模塊、QEP模塊、Avalon接口模塊。由于IP核內部執(zhí)行操作較多，且時序復雜，利用有限狀態(tài)機，嚴格控制IP核調用各模塊的時序關系。為了減少IP核使用的邏輯單元數量，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IP核進行了功能和時序仿真驗證，結果表明該IP核內部控制時序正確，計算結果符合預期。
　　最后搭建了實驗測試平臺，建立了可編程片上系統(tǒng)(SOPC)，編寫了NiosⅡ