[实用新型]一种FPGA控制系统开发平台

说明书

技术领域

本实用新型涉及电子控制系统设计领域，特别涉及一种FPGA控制系统开发平台。 

背景技术

现代工业的快速发展对控制系统提出了新的要求。在很多工业领域，诸如机器人系统、航天航空器件、军用控制系统和其他自动控制领域都要求更紧凑、更高效、能够定制化的控制器。 

现有的控制器大多是基于两大平台：PC机或者嵌入式系。对于后者，大部分控制器为（先进精简指令集计算机）ARM微控制器，或者是数字信号处理器（DSP）。其系统一般是通过软件编程来实现控制，通过外围电路来实现与机电系统的通信。对于这一类控制方式，控制信号由于要经过应用软件、操作系统、固件、硬件的多层传送，容易出现问题，现有的ARM控制系统变得越来越复杂，像PC系统一样，其往往会陷入各种软件BUG中。对于DSP系统来说，虽然其具有硬件乘法器，可以快速地进行数字运算。但由于DSP是基于状态机的典型电子计算机结构，无法很好地完成并行任务。 

在此之前，论文《FPGA-Based Controllers》、《FPGA Design Methodology for Industrial Control Systems-A Review》很好地说明了现场可编程门阵列（FPGA）作为控制系统的优点：FPGA为用户提供一个可以制定硬件电路的平台，另一方面，互用也可以在其集成的软核（Soft Core）上进行灵活的软件设计，最后通过自行设计或者已有的总线IP（如Avalon、Wishbone）将硬件平台集成到整个系统中，实现完全的片上系统（system-on-chip）。而相对于前两个平台，FPGA还没有成熟的针对控制系统的快速开发平台。 

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供一种FPGA控制系统开发平台。在Matlab/Simulink环境下，用户可以根据设计流程，快速地从次模块库中选取元件作为电子控制系统，与此同时，结合Simulink现有的丰富机电建模资源，进行联合仿真。仿真成功后可以直接编译、配置、下载到FPGA控制器上。 

本实用新型由下述技术方案实现： 

一种FPGA控制系统开发平台，包括PID反馈控制模块、数字脉冲宽度调制模块PWM、正交解码器模块。

所述正交解码器由滤波电路、解码器、速度计算电路构成，将接收到的信号转换为位移与速度脉冲信号； 

所述PID反馈控制模块由加法器、延时器、乘法器构成；PID反馈控制模块为数字PID模块或增量式PID模块，所述数字PID模块的控制电路为：

；

其中，K_p为比例因子；

K_p与当前测得的误差相乘产生反馈控制信号，其大小直接影响反馈系统的响应速度；

K_p/T_i 也就是K_i积分因子，K_i与积分所得的累积误差相乘，影响系统的稳态误差；

K_p/T_d为K_d微分因子，K_d与现在误差信号的微分相乘，可以提高系统的动态相应。

所述数字PID模块的控制电路为： 

；

其中，K₀、K₁、K₂分别代表当前误差、一次延迟误差、两次延迟误差在系统中所占的比例。

PID反馈控制模块调节接收到的脉冲信号与参考输入的误差，得到控制信号； 

所述数字脉冲宽度调制模块PWM由计数器、位移器、比较器构成；数字脉冲宽度调制模块将控制信号转换为脉冲波，对机电系统进行调节。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果： 

(1)与基于其它平台的控制系统相比，FPGA为用户提供一个可以制定硬件电路的平台，另一方面，互用也可以在其集成的软核（Soft Core）上进行灵活的软件设计，最后通过自行设计或者已有的总线IP（如Avalon、Wishbone）将硬件平台集成到整个系统中，实现完全的片上系统（system-on-chip）；

(2)由于集成多种外围电路，成本相对低廉；

(3)由于采用硬件电路实现算法，速度与并行处理能力相对于一般方法大大地被提高了；