一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法技术

本发明专利技术涉及一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，实现该方法的FPGA程序架构包括控制器校正模块，通信模块，参数配置模块，传感器数据解算模块和驱动信号输出模块。FPGA通过参数配置模块处理通信模块读取的外部控制器的配置参数，完成系统参数的配置；FPGA通过传感器数据解算模块采集外部传感器的数据，完成传感器数据的解算；FPGA通过控制器校正模块实现控制器的校正运算，通过驱动信号输出模块把校正后的驱动量发送给执行机构。此外，该系统可以通过外部控制器扩展成多闭环控制。本发明专利技术的基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，其闭环控制器参数可配置，可实现高采样率的闭环控制回路。

A Realization Method of Configurable Closed-loop Controller Based on FPGA

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法
本专利技术属于伺服控制
，尤其涉及一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，主要实现高采样率的闭环控制。
技术介绍
一个控制系统主要由被控对象、传感器和控制器3部分组成。目前，最常用的伺服控制系统仍采用单输入单输出控制系统设计方法，控制系统结构如图1所示，其中G(s)为被控对象的传递函数，C(s)为控制器的传递函数。C(s)可以设计为任意阶数，且可以通过离散化方法设计得到C(z)，C(z)由num[n]和den[n]组成，则控制系统输出可以由表达式y[n]＝K*Σnum[n]x[n]+Σden[n-1]y[n-1]计算得到。其中，PID控制器为一种特殊形式的控制器，其只需要调整3个参数即可实现该控制器。而传统的伺服控制系统一般采用CPU控制器，具有一定的执行效率，但是目前已经不能满足现代工业和社会发展对于高采样率闭环控制的要求。主要原因是其并行能力差，CPU指令执行以精简指令系统来完成，即指令与指令间为顺序执行方式，遇到突发状况只能采取中断系统进行处理，必须一定时间的等待，无法进行并行处理，从而在应对高速度，复杂系统时无法胜任。此外，CPU控制器的内存大多是共享的，且端口有限，限制了数据的传输效率。因此，为了提高控制系统的执行效率，需要研究新的实现方法。随着技术的发展，基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的控制器设计具有更大的优势。FPGA本质上具有完全可配置的固有硬件并行结构，其逻辑资源可配置为很多并行处理单元并实现多层级高度并行计算；同时，FPGA芯片上具有大量嵌入式块RAM，其数据和地址宽度、端口数量皆可配置；FPGA允许使用流水线技术，加强了数据处理效率，且FPGA拥有大量传输速度极快的内部连线，不会引入过大的通讯延迟。目前市面上主流的高采样率伺服系统采用DSP+FPGA的软件方案，采用DSP实现控制器校正的复杂运算，通过FPGA把外部传感器采集的数据传送给DSP控制器，最后再通过FPGA把控制器校正后的驱动信号输出，如图2所示。但是该方法实现的高帧频控制器传输延迟大，处理速度慢。文献《基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统及其方法》使用FPGA实现了电机闭环控制器，使电机控制系统具有更高的响应速度和控制精度。但是该文献使用FPGA实现的是简单的PID控制器，只能实现PID控制器3个参数的设计，而不能实现其他复杂形式的控制器。此外，由于FPGA为硬件语言开发，程序修改需要考虑的因素相对于CPU等基于指令集的程序修改复杂，并且程序编译下载验证更加耗时，在参数调试和不同系统应用过程中通过修改程序更新设计效率较低。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术提出了一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，可实现复杂的闭环控制器，且具有较高的控制精度。为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案为：本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法的FPGA程序架构包括控制器校正模块，通信模块，参数配置模块，传感器数据解算模块和驱动信号输出模块。FPGA通过参数配置模块处理通信模块读取的外部控制器的配置参数，完成系统参数的配置；FPGA通过传感器数据解算模块采集外部传感器的数据，完成传感器数据的解算；FPGA通过控制器校正模块实现控制器的校正运算，通过驱动信号输出模块把校正后的驱动量发送给执行机构。此外，该系统可以通过外部控制器扩展成多闭环控制。其中，本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，所述的控制器校正模块通过FPGA设计工具中的浮点数运算模块软核实现数据运算，数据运算包括双精度浮点数与整型的数据转换、双精度浮点数的加法和双精度浮点数的乘法等；通过逻辑设计实现最多6单元的离散化的差分控制器网络的搭建。其中，本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，所述的控制器校正模块可工作于参数配置模式和控制器工作模式。系统上电后处于参数配置模式，直到参数配置完成后才进入控制器工作模式。在参数配置模式时，FPGA通过通信模块读取外部控制器输入的参数，并通过握手信号和参数返回给外部控制器，确认参数配置成功；在控制器工作模式时，FPGA通过通信模块读取外部控制器输入的控制量和工作状态设置，并返回当前传感器数据和工作状态。其中，本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，所述的通信模块通过RS232或RS422或LVDS等数字总线与外部控制器通信实现参数的配置和控制器数据、工作状态的交换。配置的参数包括校正增益，校正参数，驱动方向，驱动阈值，传感器采集端口，传感器采集频率，传感器解算方法，传感器解算系数，传感器解算方向和传感器阈值等；控制器数据包括外部控制器发送的控制器输入量，基于FPGA的可配置闭环控制器采集的传感器数据等；工作状态包括控制器开闭环模式，控制器的使能状态等。其中，本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，根据硬件平台提供的接口，所述的传感器数据解算模块可采集模拟信号形式的传感器数据或数字信号形式的传感器信号。其中，模拟信号形式的传感器信号可以为单端模拟信号或差分模拟信号；数字信号的通信接口可以是RS485总线，或RS422总线，或RS232总线，或LVDS总线，或SPI总线，或I2C总线，或CAN总线等。传感器采集模块可配置为最多同时采集12路传感器的数据。传感器的解算方法可配置为任意1路传感器数据，任意1路传感器数据乘以固定的系数，或任意2路传感器数据各自加权后的相加、相减、相乘或相除的结果。传感器数据解算模块可以解算出最多6个方向上的传感器数据。其中，本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，所述的驱动信号输出模块根据参数的配置通过模拟端口或数字端口发送通过控制器校正模块计算得到的控制器驱动量。驱动信号输出模块根据参数的配置具备输出限幅功能。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法利用FPGA实现传感器数据的采集和控制器校正网络的计算，具备数据传输延迟低和并行计算能力强的特点，可实现高采样率的控制系统。(2)本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法的控制器的参数可配置，系统灵活性高、可移植性强，开发周期短。(3)本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法可以通过外部控制器扩展成多闭环控制。(4)本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法可分别处理模拟或数字信号的传感器数据。附图说明图1是本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法的单反馈闭环控制系统的控制框图。图2是本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法的传统控制器实现方式的结构框图。图3是本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法的结构框图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术进行详细说明和解释，并不用于限定本专利技术的使用范围。结合图3所示，本专利技术的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法的FPGA程序架构包括控制器校正模块1，参数配置模块2，传感器数据解算模块3，通信模块4和驱动信号输出模块5。FPGA通过参数配置模块处理通信模块读取的外部控制器的配置参数，完本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，其特征在于：该方法的FPGA程序架构包括控制器校正模块，通信模块，参数配置模块，传感器数据解算模块和驱动信号输出模块；FPGA通过参数配置模块处理通信模块读取的外部控制器的配置参数，完成系统参数的配置；FPGA通过传感器数据解算模块采集外部传感器的数据，完成传感器数据的解算；FPGA通过控制器校正模块实现控制器的校正运算，通过驱动信号输出模块把校正后的驱动量发送给执行机构；此外，该系统可以通过外部控制器扩展成多闭环控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，其特征在于：该方法的FPGA程序架构包括控制器校正模块，通信模块，参数配置模块，传感器数据解算模块和驱动信号输出模块；FPGA通过参数配置模块处理通信模块读取的外部控制器的配置参数，完成系统参数的配置；FPGA通过传感器数据解算模块采集外部传感器的数据，完成传感器数据的解算；FPGA通过控制器校正模块实现控制器的校正运算，通过驱动信号输出模块把校正后的驱动量发送给执行机构；此外，该系统可以通过外部控制器扩展成多闭环控制。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，其特征在于：上述控制器校正模块通过FPGA设计工具中的浮点数运算模块软核实现数据运算，数据运算包括双精度浮点数与整型的数据转换、双精度浮点数的加法和双精度浮点数的乘法；通过逻辑设计实现最多6单元的离散化的差分控制器网络的搭建。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方法，其特征在于：该控制器校正模块可工作于参数配置模式和控制器工作模式，系统上电后处于参数配置模式，直到参数配置完成后才进入控制器工作模式；在参数配置模式时，FPGA通过通信模块读取外部控制器输入的参数，并通过握手信号和参数返回给外部控制器，确认参数配置成功；在控制器工作模式时，FPGA通过通信模块读取外部控制器输入的控制量和工作状态设置，并返回当前传感器数据和工作状态。4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可配置闭环控制器实现方...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔琦，毛耀，聂康，任维，何秋农，张超，陈兴龙，胡钦涛，李志俊，赵志强，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51