基于FPGA的氣動并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)(打印)

1、哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文- PAGE II -工學(xué)碩士學(xué)位論文基于FPGA的氣動并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)蔡兆暉哈爾濱理工大學(xué)2012年3月國內(nèi)圖書分類號：TP2工學(xué)碩士學(xué)位論文基于FPGA的氣動并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)碩 士 研究生：蔡兆暉導(dǎo) 師：徐 靂申請學(xué)位級別：工學(xué)碩士學(xué) 科、專 業(yè)：車輛工程所 在 單 位：機械動力工程學(xué)院答 辯 日 期：2012年3月授予學(xué)位單位：哈爾濱理工大學(xué)Classified Index：TP2Dissertation for the Master Degree in EngineeringResearch and Implementation t

2、he Control System of Pneumatic Parallel Manipulator Base on FPGACandidate： Cai ZhaohuiSupervisor： Xu LiAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Vehicle EngineeringDate of Oral Examination： March, 2012University： Harbin University of Science and Technology哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明

3、：此處所提交的碩士學(xué)位論文基于FPGA的氣動并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨立進行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文研究工作做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書基于FPGA的氣動并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)系本人在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。論文的研究成果歸哈爾濱理工大學(xué)所有，本論文研究內(nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解哈爾濱理

4、工大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門提交論文和電子版本，允許論文被查閱和借閱。授權(quán)哈爾濱理工大學(xué)可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。本學(xué)位論文屬于 保密 在 年解密后適用授權(quán)書。 不保密 。(請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打)作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文- PAGE III -基于FPGA的氣動并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)摘 要六自由度并聯(lián)機構(gòu)的特點是剛度大、精度高、承載力大，因此六自由度并聯(lián)機構(gòu)在力覺再現(xiàn)設(shè)備，車輛及飛行器的硬件在環(huán)模擬和測試設(shè)備上具有廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)相比

5、，并聯(lián)機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動空間小、位置逆解難，驅(qū)動控制電路復(fù)雜、運動控制算法開發(fā)難度高等特點。因此控制電路作為其開發(fā)的中間環(huán)節(jié)尤為重要。首先，本文分析了采用不同執(zhí)行器件的六自由度運動平臺的優(yōu)缺點，闡述了氣動并聯(lián)機構(gòu)平臺的研究意義，綜述了氣動伺服的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并介紹了本課題主要的研究內(nèi)容。其次，本文闡述了基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)氣動伺服的工作原理和組成結(jié)構(gòu)，并對氣動系統(tǒng)的執(zhí)行器、電磁閥進行了選型。介紹了FPGA的架構(gòu)及發(fā)展應(yīng)用，詳細描述了FPGA的軟硬件開發(fā)流程。再次，介紹了氣動控制系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計，研究了磁阻位移傳感器的測量機理及信號采集。闡述高速開關(guān)電磁閥在氣動系統(tǒng)的應(yīng)用，對

6、開關(guān)電磁閥的靜態(tài)特性及動態(tài)特性進行了分析，進而設(shè)計開關(guān)閥的功率驅(qū)動電路。對氣動控制電路的其他外圍電路設(shè)計進行簡要介紹。接著，在確定板級系統(tǒng)設(shè)計方案上，采用FPGA開發(fā)軟件Quartus II對器件進行邏輯設(shè)計。分析細分辯向原理并進行邏輯功能的實現(xiàn)。介紹了PWM信號產(chǎn)生機理及電路結(jié)構(gòu)，并設(shè)計適合FPGA實現(xiàn)的PWM模塊。對于氣動伺服控制，開發(fā)基于FPGA的定點增量式PID控制模塊。對上述邏輯電路逐一進行仿真及功能驗證，最終確定邏輯結(jié)構(gòu)的總體方案。關(guān)鍵詞 氣動伺服；現(xiàn)場可編程門陣列；四倍頻；脈寬調(diào)制；增量式PIDResearch and Implementation the Control Sys

7、tem of Pneumatic Parallel Manipulator Base on FPGAAbstractThe characteristics of the 6 DOF parallel manipulator are that high stiffness, high precision and large carrying capacity, as a result, the the 6 DOF parallel manipulator are widely applied in force rendering devices, vehicle and aircraft Har

8、dware-In-the-Loop simulation and test devices. Compared with ordinary serical manipulator, there are characteristics of complicated structure, small motion space, inverse positional problem, complicated controlling and driving circuit and difficulty in motion control algorithm development. The contr

9、ol circuit is particularly important as the development of intermediate links.First, the implementation of the 6 DOF parallel manipulator in different actuator are analyzed in the paper, and the significance of researching the pneumatic is explained. And then the research status at home and abroad i

10、s summarized, and the main work of this article is also introduced.Second, This paper describes the structure and working principle of the Field Programmable Gate Array (FPGA) base pneumatic servo, and the selection of pneumatic actuator, solenoid valve. The development, application and architecture

11、 of FPGA are introduced in the paper. A detailed description of the FPGA hardware and software development process is given.Third, Introduce the overall hardware design of the pneumatic control system. Study on measurement mechanism and signal acquisition of magnetoresistive displacement senor. The

12、application of high-speed switching solenoid valve in the pneumatic system is also elaborated. By analyzing and researching the dynamic and the static of solenoid valve, power driving circuit of switching solenoid valve is designed. Then have a brief introduction to the other peripheral circuit of t

13、he pneumatic control system.Lastly, on the basis of board-level system design, using FPGA developing software Quartus II for logic design. Analyzing the principle of Fourfold-Frequency Direction-Judgment, then the implementation of its logical function. Introduce PWM signal generation mechanism and

14、circuit structure, then the PWM module fit for FPGA implementation is designed.Developing a fixed-point incremental PID control module for pneumatic servo control base on FPGA. finally, through the simulation and functional verification of logic design above, And the optimal overall logic structure

15、were summarized.Keywords pneumatic servo, field programmable gate array, fourfold frequency, pulse width modulation, incremental PID目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc319564236 摘 要 PAGEREF _Toc319564236 h I HYPERLINK l _Toc319564237 Abstract PAGEREF _Toc319564237 h II HYPERLINK l _Toc319564238 第1章

16、緒論 PAGEREF _Toc319564238 h 1 HYPERLINK l _Toc319564239 1.1 課題研究的目的和意義 PAGEREF _Toc319564239 h 1 HYPERLINK l _Toc319564240 1.2 氣動控制的國內(nèi)外發(fā)展與應(yīng)用情況 PAGEREF _Toc319564240 h 2 HYPERLINK l _Toc319564241 1.3 課題的主要研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc319564241 h 3 HYPERLINK l _Toc319564242 第2章 基于FPGA氣動伺服的研究 PAGEREF _Toc319564242

17、h 5 HYPERLINK l _Toc319564243 2.1氣動伺服的組成及原理 PAGEREF _Toc319564243 h 5 HYPERLINK l _Toc319564244 2.1.1 氣動伺服工作原理 PAGEREF _Toc319564244 h 5 HYPERLINK l _Toc319564245 2.1.2 氣動元器件選型 PAGEREF _Toc319564245 h 6 HYPERLINK l _Toc319564246 2.2 FPGA的架構(gòu)及其優(yōu)點 PAGEREF _Toc319564246 h 7 HYPERLINK l _Toc319564247 2.2

18、.1 可編程邏輯器件的發(fā)展及應(yīng)用 PAGEREF _Toc319564247 h 7 HYPERLINK l _Toc319564248 2.2.2 FPGA的內(nèi)部架構(gòu) PAGEREF _Toc319564248 h 8 HYPERLINK l _Toc319564249 2.2.3 FPGA系統(tǒng)設(shè)計流程 PAGEREF _Toc319564249 h 10 HYPERLINK l _Toc319564250 2.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc319564250 h 12 HYPERLINK l _Toc319564251 第3章 氣動控制系統(tǒng)總體設(shè)計 PAGEREF _Toc3195

19、64251 h 13 HYPERLINK l _Toc319564252 3.1 位移傳感器信號采集 PAGEREF _Toc319564252 h 13 HYPERLINK l _Toc319564253 3.1.1 磁阻效應(yīng)原理 PAGEREF _Toc319564253 h 14 HYPERLINK l _Toc319564254 3.1.2 位移傳感器工作原理 PAGEREF _Toc319564254 h 15 HYPERLINK l _Toc319564255 3.1.3 位移傳感器信號采集接口 PAGEREF _Toc319564255 h 16 HYPERLINK l _Toc

20、319564256 3.2 高速開關(guān)電磁閥驅(qū)動 PAGEREF _Toc319564256 h 17 HYPERLINK l _Toc319564257 3.2.1 氣動高速開關(guān)閥的工作原理 PAGEREF _Toc319564257 h 17 HYPERLINK l _Toc319564258 3.2.2 氣動高速開關(guān)閥的動態(tài)特性及靜態(tài)特性 PAGEREF _Toc319564258 h 19 HYPERLINK l _Toc319564259 3.2.3 高速開關(guān)閥驅(qū)動電路設(shè)計 PAGEREF _Toc319564259 h 22 HYPERLINK l _Toc319564260 3.3

21、 通訊電路設(shè)計 PAGEREF _Toc319564260 h 23 HYPERLINK l _Toc319564261 3.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc319564261 h 25 HYPERLINK l _Toc319564262 第4章 FPGA數(shù)字邏輯設(shè)計 PAGEREF _Toc319564262 h 26 HYPERLINK l _Toc319564263 4.1位移信號傳感器的細分辨向 PAGEREF _Toc319564263 h 26 HYPERLINK l _Toc319564264 4.1.1 細分辨向原理 PAGEREF _Toc319564264 h 26

22、HYPERLINK l _Toc319564265 4.1.2 高速時鐘分頻 PAGEREF _Toc319564265 h 27 HYPERLINK l _Toc319564266 4.1.3 細分辯向的邏輯電路實現(xiàn)及仿真 PAGEREF _Toc319564266 h 29 HYPERLINK l _Toc319564267 4.2 PWM信號發(fā)生模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc319564267 h 33 HYPERLINK l _Toc319564268 4.2.1 PWM的介紹 PAGEREF _Toc319564268 h 33 HYPERLINK l _Toc319564269

23、 4.2.2 PWM的產(chǎn)生原理及形式 PAGEREF _Toc319564269 h 35 HYPERLINK l _Toc319564270 4.2.3 PWM模塊邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc319564270 h 38 HYPERLINK l _Toc319564271 4.3 采用邏輯互聯(lián)實現(xiàn)的增量式PID控制電路 PAGEREF _Toc319564271 h 39 HYPERLINK l _Toc319564272 4.3.1 增量式PID控制原理 PAGEREF _Toc319564272 h 39 HYPERLINK l _Toc319564273 4.3.2 PID控

24、制模塊設(shè)計與仿真 PAGEREF _Toc319564273 h 42 HYPERLINK l _Toc319564274 4.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc319564274 h 43 HYPERLINK l _Toc319564275 結(jié)論 PAGEREF _Toc319564275 h 45 HYPERLINK l _Toc319564276 參考文獻 PAGEREF _Toc319564276 h 46 HYPERLINK l _Toc319564277 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 PAGEREF _Toc319564277 h 49 HYPERLINK l _Toc319

25、564278 致謝 PAGEREF _Toc319564278 h 50哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文- PAGE 12-第1章 緒論1.1 課題研究的目的和意義1965年D.Stewart首次在一篇發(fā)表的論文中提到了六自由度并聯(lián)機構(gòu)運動平臺，因此這種由上下平臺、鉸鏈關(guān)節(jié)及六根直線伸縮的驅(qū)動桿組成的機構(gòu)也稱為Stewart平臺。并聯(lián)機構(gòu)與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，其承載能力大，定位精度高，系統(tǒng)剛度高以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點1。不過也存在工作空間局限，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)奇異干涉，位置正解難以及高精度鉸鏈設(shè)計制造難等缺點。目前對并聯(lián)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)及動力學(xué)等研究仍在繼續(xù)。六自由度并聯(lián)機構(gòu)由于其應(yīng)用的領(lǐng)域不同，有著不同

26、的執(zhí)行器驅(qū)動方式，目前主要有電機驅(qū)動滾珠絲杠(電缸)傳動方式，閥控液壓缸及電液混合執(zhí)行器驅(qū)動方式，壓電晶體執(zhí)行器驅(qū)動方式，氣缸及氣動人工肌肉驅(qū)動方式以及電機驅(qū)動滑輪鋼索方式2。電機驅(qū)動滾珠絲杠方式具有運動響應(yīng)快，精度高，噪音低，對工作環(huán)境適應(yīng)性高等優(yōu)點，但其系統(tǒng)的承載能力較弱，適用于并聯(lián)機器人，并聯(lián)機床等要求定位精度高，速度響應(yīng)快，承載質(zhì)量小的場合。目前采用電缸這種伺服電機和滾珠絲杠一體化封裝的模塊化設(shè)計，使得電機驅(qū)動滾珠絲杠這類并聯(lián)機構(gòu)平臺更加緊湊，具有定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。閥控液壓驅(qū)動及電液混合執(zhí)行器具有剛度大，承載能力大，響應(yīng)速度快，功率-重量比大等優(yōu)點。其中閥控液壓缸采用電力驅(qū)動

27、液壓閥進而控制流入液壓缸流體的流量的方式，液壓元件加工精度要求比較高，維護性較差等缺點；電液混合執(zhí)行器則采用伺服電機直接驅(qū)動液壓缸的方式，又稱無閥電液伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)更加簡單，體積更小，易于維護等優(yōu)點。壓電晶體執(zhí)行器對電壓動態(tài)響應(yīng)特性快，控制精度高3。由于壓電晶體靠施加在晶體表面的電壓從而產(chǎn)生形變，所以運動位移極小。由于壓力作用在晶體上可以產(chǎn)生電壓，實際應(yīng)用中壓電晶體更適合在并聯(lián)機構(gòu)做壓力傳感器來使用，從而制造出一種微型的六自由度運動傳感器。電機驅(qū)動滑輪鋼索其運動空間最大，不過定位精度不高，適合承載一些巨型機構(gòu)，比如射電望遠鏡等等。氣缸及氣動人工肌肉作為執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，柔性好等優(yōu)點

28、，使用氣源清潔，適用于工業(yè)制造，觸診傳感力學(xué)再現(xiàn)設(shè)備等領(lǐng)域。由于氣體的可壓縮性，其定位精度相比液壓缸和電缸低4。由于氣動伺服系統(tǒng)成本相對低廉、能耗低，在很多領(lǐng)域，特別是綠色制造領(lǐng)域上越來越受歡迎。因此設(shè)計價格低廉、定位精度更加接近理論局限的氣動伺服系統(tǒng)，能某些應(yīng)用領(lǐng)域上替代昂貴的液壓伺服及電機伺服，可以大大的降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)力。目前對于氣動并聯(lián)機構(gòu)的控制多采用獨立的氣缸及位移傳感器，采用數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合工控機進行控制，由于需要6個通道的傳感器采集接口以及12通道的電磁閥驅(qū)動接口，工控電腦既要對每個氣缸根據(jù)傳感器信號進行獨立的反饋控制，又要對6個氣缸的整體運動算法進行控制。因此采用上訴方案需

29、要的硬件資源較大，價格昂貴，開發(fā)難度高。采用嵌入式實時控制技術(shù)，將六個分支氣缸進行獨立的反饋控制，運用通訊總線與上位機進行運動算法控制與氣缸運動參數(shù)的采集。該方案不僅大量節(jié)省數(shù)據(jù)采集卡的開銷，而且可以分為硬件層、控制層、算法層等層次開發(fā)。目前嵌入式實時控制平臺主要有16/32位MCU、DSP、FPGA等。采用MCU和DSP架構(gòu)對氣缸的反饋控制5，需要一個單獨內(nèi)核來實現(xiàn)其算法程序才能保證其實時性的要求，因此對于并聯(lián)機構(gòu)的控制，采用MCU、DSP架構(gòu)則需要一定數(shù)量的控制板。采用FPGA，運用IP核復(fù)用技術(shù)以及硬件描述語言，可以將氣缸控制算法和信號采集處理算法用硬件實現(xiàn)，相比軟件算法實現(xiàn)方式，對CP

30、U要求只是任務(wù)調(diào)度和通訊協(xié)議的支持，控制算法使用并行實現(xiàn)的方式，將六個氣缸的控制模塊集中在一塊FPGA芯片上，既降低了成本，同時減少了控制系統(tǒng)硬件電路的復(fù)雜性。1.2 氣動控制的國內(nèi)外發(fā)展與應(yīng)用情況長久以來對于氣缸位移以及力的精確控制多采用氣動比例閥和氣動伺服閥，由于其高昂的器件價格極大的限制了氣動伺服控制的廣泛應(yīng)用。而早期的開關(guān)閥主要應(yīng)用于一些氣動開關(guān)控制領(lǐng)域中，應(yīng)用十分局限。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)使得模擬器件能夠采用數(shù)字控制的方式，因此開關(guān)閥這種離散控制方式逐漸被引進氣動控制系統(tǒng)中取代比例閥和伺服閥。20世紀六十年代，Burrows與Goldstein等第一次驗證開關(guān)

31、電磁閥的比例控制特性，并實現(xiàn)了氣缸的位置、力及速度的伺服控制。此后大量研究者采用高速開關(guān)電磁閥替代比例閥和伺服閥進行氣動控制6。如Noritsugu、Morito、Kunt和Ahn等學(xué)者采用了不同的控制算法，通過高速開關(guān)閥對氣缸實現(xiàn)精確控制。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孟憲超、包鋼等學(xué)者通過修正差動脈寬調(diào)制技術(shù)，采用模糊+PI控制算法，大大提高了氣動伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性和精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性7。浙江工業(yè)大學(xué)的楊慶華采用FPGA作為實現(xiàn)平臺設(shè)計了氣動柔性手指的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器8；上海理工大學(xué)的葉林華采用日本SMC公司CE1系列行程可讀氣缸構(gòu)建氣動伺服系統(tǒng)，運用模糊+PID控制算法,采用PWM氣壓控制的方式對氣

32、動系統(tǒng)的跟蹤階躍，方波和正弦等激勵信號進行研究，取得了關(guān)鍵數(shù)據(jù)9。日本則次俊郎首次將PCM控制方法引入氣動伺服系統(tǒng)，成功采用PCM技術(shù)對3-DOF機器人進行驅(qū)動控制，得到0.25mm的定位精度；則次俊郎同時也是PWM開關(guān)伺服控制的提出者，他成功地將該技術(shù)應(yīng)用于氣動輸送機的控制，得到了0.06mm的定位精度。王宣銀博士則首次提出可變增益的PCM控制，采用自校正、自學(xué)習(xí)的算法，獲得了0.18mm的定位精度10。由于高速開關(guān)閥體積小，響應(yīng)頻率高，低能耗低價格等優(yōu)點使得氣動伺服越來越被工業(yè)自動化、生物醫(yī)療、食品紡織等行業(yè)廣泛應(yīng)用11。目前隨著氣缸、氣爪及氣動人工肌肉等氣動執(zhí)行器的的廣泛應(yīng)用。氣動電磁閥

33、逐漸使用高速開關(guān)閥替代伺服閥、比例閥，驅(qū)動方式則采用PWM/PCM方式。氣動控制正朝著高精度，低成本，低功耗的方向發(fā)展12。1.3 課題的主要研究內(nèi)容氣動并聯(lián)機構(gòu)其研究主要集中在并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)的數(shù)學(xué)理論研究，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化、驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計及運動算法的開發(fā)。其研究范圍廣泛，理論深度高。對于六自由度并聯(lián)機構(gòu)的驅(qū)動控制來說，每個分支的控制方式驅(qū)動電路基本一致。因此本文研究主要集中在單個分支氣動伺服的研究和實現(xiàn)?？煞譃閮蓚€部分，一部分為板級硬件電路設(shè)計；另一部分則為FPGA的硬件邏輯設(shè)計。對于板級硬件電路設(shè)計，主要研究傳感器信號的接口電路，電磁閥的驅(qū)動電路及與上位機通信總線接口。采用PRO

34、TEL對其進行原理圖的設(shè)計和PCB圖的繪制。詳細分析了氣缸傳感器及電磁閥的電氣性能參數(shù)。對驅(qū)動芯片，隔離芯片及串行總線芯片進行了選型。對于FPGA的邏輯設(shè)計，首先了解FPGA的內(nèi)部架構(gòu)及軟硬件設(shè)計流程，采用自頂向下（Top to Down）的開發(fā)方法，如圖1-1所示，劃分氣動控制單元組成為傳感器信號調(diào)理、開關(guān)閥PWM驅(qū)動、增量式PID控制等功能模塊及相應(yīng)的子模塊，并采用Altera公司Quartus II EDA軟件平臺進行邏輯設(shè)計和驗證。圖1-1 氣動控制單元自頂向下設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.1-1 Top-down design of pneumatic control unit對于FPGA片內(nèi)邏輯

35、設(shè)計主要研究內(nèi)容有：1.研究高速開關(guān)電磁閥的驅(qū)動機理及PWM的產(chǎn)生方式。通過FPGA的可擴展性和靈活定制性設(shè)計PWM信號產(chǎn)生模塊用于驅(qū)動高速開關(guān)電磁閥，進而控制氣缸的位移、速度及加速度。并采用Verilog HDL語言和Block圖設(shè)計相結(jié)合等方式設(shè)計并仿真單路PWM驅(qū)動模塊。2.對于SMC的CE1系列氣缸自帶的磁阻位移傳感器，創(chuàng)新的采用了硬件細分技術(shù)，采用邏輯設(shè)計方法，通過FPGA硬件互聯(lián)進行實現(xiàn)，從而在傳統(tǒng)的磁阻位移傳感器原有的測量精度上提高4倍，并在Quartus II軟件平臺上進行波形驗證。3.研究氣動PID控制原理并通過數(shù)字邏輯電路中的加法器和乘法器設(shè)計一個并行處理的硬件PID控制模

36、塊。在模塊設(shè)計中采用并行架構(gòu)、流水線設(shè)計等方式，使設(shè)計出來的PID控制模塊具有硬件資源開銷小，運行速度快等優(yōu)點。第2章 基于FPGA氣動伺服的研究2.1氣動伺服的組成及原理2.1.1 氣動伺服工作原理氣動系統(tǒng)相比其他傳動方式具有高功率質(zhì)量比、柔性好、噪聲小和清潔無污染等顯著優(yōu)點。由于其傳動介質(zhì)為空氣，因此具有較大的壓縮比；氣缸內(nèi)可變的摩擦力，使得定位控制具有很強的非線性等特點13。如圖2-1所示，氣動伺服配置兩個二位三通開關(guān)電磁閥，通過對兩個高速開關(guān)閥的電磁線圈進行通電和斷電達到開和關(guān)的目的，進而對氣缸左右兩個內(nèi)腔進行充氣和放氣。與帶回位彈簧的氣缸的單電磁閥控制相比，其前后運動驅(qū)動力更加均勻運

37、動方式較為線性。圖2-1 氣動伺服系統(tǒng)原理框圖Fig.2-1 Block diagram of pneumatic servo system為保證輸入氣缸的空氣介質(zhì)清潔干凈，穩(wěn)定缸內(nèi)氣壓在安全工作壓力值范圍內(nèi)，選用集成氣動三件套等氣動輔助元件做濾清和穩(wěn)壓作用。氣動并聯(lián)機構(gòu)控制需要6個相對獨立的控制單元，每個控制單元負責(zé)每個氣缸的位移信號處理和閉環(huán)控制，信號采集電路采集位移傳感器的位移量信號作為FPGA控制電路的反饋輸入，控制電路通過CPU或硬件邏輯實現(xiàn)的控制算法產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路的功率放大從而驅(qū)動2個高速開關(guān)電磁閥，精確的控制氣缸的位移。2.1.2 氣動元器件選型本項目采用的氣動執(zhí)行

38、器為SMC生產(chǎn)的CE1系列單桿雙作用行程可讀氣缸，如圖2-2所示，其最高使用壓力可達1.0MPa，運動行程可達到150mm。傳感器電源為10.826.4V直流電壓，消耗電流為50mA，其寬電壓和低功耗適合于12V、24V等控制電路進行供電。行程分辨率為0.04mm，在四倍頻電路下可達0.01mm。其輸出信號方式為A、B相集電極開路方式，適合MOS和TTL信號電平。圖2-2 CE1系列可讀數(shù)氣缸Fig.2-2 CE1 stroke reading cylinder series電磁閥選用SMC生產(chǎn)的VQ110系列三通直動式電磁閥，其閥體厚度小，流量大。響應(yīng)時間為通3.5ms、斷：2ms。采用12

39、V、24V直流電壓作為驅(qū)動電壓。正常工作壓力范圍為00.7MPa。消耗功率為1W，其低功耗，低價格和小體積適合應(yīng)用于氣動并聯(lián)機構(gòu)。可選用插頭引線式集裝板，在多個電磁閥的應(yīng)用中可結(jié)構(gòu)緊湊，減少體積。a) 單電磁閥 b) 集成安裝形式圖2-3 VQ110系列電磁閥Fig.2-3 VQ110 solenoid valve series2.2 FPGA的架構(gòu)及其優(yōu)點2.2.1 可編程邏輯器件的發(fā)展及應(yīng)用復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device）簡稱CPLD，現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array）簡稱FPGA。前者具有

40、低成本適合于組合邏輯電路的設(shè)計；后者具有高性能及豐富的硬件資源適合于時序邏輯的設(shè)計驗證和并行數(shù)字信號處理算法的實現(xiàn)等。但其在設(shè)計開發(fā)流程及應(yīng)用領(lǐng)域基本一致。CPLD最早由Altera公司推出的MAX系列產(chǎn)品，其多為Flash、EEPROM的架構(gòu)或乘積項（Product Term）架構(gòu)的PLD。FPGA則最早由Xilinx公司推出的，采用SRAM或查表（Look Up Table）的硬件架構(gòu)，運行速度更高但不具有掉電存儲能力，在板級設(shè)計時需要配置EEPROM、Flash等芯片存儲數(shù)據(jù)及硬件互連信息。隨著亞微米，深亞微米至納米級CMOS電路制造工藝的成熟和完善，使FPGA的門電路的集成度從數(shù)十萬門

41、級到四百多萬門級不斷增大，器件的速度也從MHz級到GHz級，同時器件的功耗也越來越低，價格也在不斷下降。其靈活定制性，低功耗，豐富的可供開銷的硬件資源，在高性能實時信號處理（DSP）以及多軸運動控制方面，在各個工程領(lǐng)域被逐漸廣泛采用。目前全球知名的半導(dǎo)體公司，如Xilinx、Altera、Lattice和Atmel等公司均不斷提供和完善自有的FPGA產(chǎn)品14。在氣動控制、電機控制和液壓伺服方面，憑借FPGA高速的時鐘頻率，超大規(guī)模的邏輯陣列，豐富的IO接口，其應(yīng)用前景十分廣闊。與采用單片機或ARM做實時操作系統(tǒng)和人機界面、DSP做運動控制算法的雙芯片架構(gòu)相比，F(xiàn)PGA的優(yōu)點在于高性能，低價格，

42、板級電路設(shè)計相對簡單，無需改動硬件電路，通過軟件實現(xiàn)方式可應(yīng)用于其他的電液氣控制平臺的開發(fā)。由此產(chǎn)生的SOPC技術(shù)，可以在FPGA內(nèi)嵌8051、NIOS、ARM等8/16/32位軟核處理器作人機交互，通訊和控制信號輸出等功能，并采用通用DSP、FFT和FIR等數(shù)字信號處理的IP核實現(xiàn)算法控制?？梢圆捎眠壿嬙韴D方式對系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)進行設(shè)計和分析?？梢赃\用VHDL、 Verilog HDL等硬件描述語言，編寫高效率的算法程序，直接綜合成門級電路，從而跨過常規(guī)的CPU處理方式，其并行處理能力大大的提高，在智能控制，自適應(yīng)控制等方面具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＭㄟ^EDA軟件平臺進行編譯仿真和綜合，在軟件層面

43、對所設(shè)計的硬件功能進行驗證。2.2.2 FPGA的內(nèi)部架構(gòu)CPLD/FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)各有特點，不同廠家的CPLD/FPGA是實現(xiàn)方式和制造工藝也有所區(qū)別，其主要由三個部分構(gòu)成：二維的邏輯單元(LE)，LE作為實現(xiàn)硬件互連實現(xiàn)的基本單元，是FPGA/CPLD器件邏輯組成的核心。不同的廠家的邏輯單元結(jié)構(gòu)不同，根據(jù)定義分為LE(Logic Element)、MC(MacroCell)、CLB(Carry Logic Block)、Slices等等。每個單元既有組合邏輯電路也有時序邏輯電路；輸入/輸出塊，作為在板級系統(tǒng)方面與其他電路的接口，F(xiàn)PGA配置有一百多甚至幾百的IO接口，方便大型電路的應(yīng)用；

44、連接邏輯單元的互連資源，是邏輯單元之間，邏輯單元與輸入/輸出之間的連接，是通過硬件描述語言在片內(nèi)實現(xiàn)不同功能電路的橋梁。圖2-4 Cyclone II芯片布局Fig.2-4 Block diagram of Cyclone II device如圖2-4所示為Altera的Cyclone II系列FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其主要由邏輯陣列塊LAB（Logic Array Block）、輸入輸出單元IOEs（Input Output Elements）、嵌入式乘法器（Embeded Multiplier）、鎖相環(huán)（PLL）以及4K位存儲器（M4K Blocks）組成。每個邏輯陣列由16個邏輯單元（L

45、E）構(gòu)成。以行列形式在FPGA芯片上排列。邏輯單元作為FPGA的基本單元，其數(shù)量決定著FPGA可以利用的硬件資源。圖2-5 邏輯單元(LE)結(jié)構(gòu)（普通工作模式）Fig.2-5 Logic element(LE) structure in normal form如圖2-5所示，每個邏輯單元包括4輸入端口的查找表（LUT）、可編程D觸發(fā)器及其互聯(lián)邏輯所組成。查找表（LUT）作為FPGA與CPLD的工作方式最主要的區(qū)別，其本質(zhì)是4位地址線的隨機存儲器。通過原理圖或HDL 語言完成一個功能模塊的邏輯電路描述，EDA軟件會計算邏輯電路的所有可能的結(jié)果并通過JTAG接口下載到串行配置芯片，系統(tǒng)上電后串行配

46、置芯片將結(jié)果寫入FPGA的LUT單元，這樣每個輸入信號的邏輯運算相當(dāng)于輸入一個地址進行查表，根據(jù)該地址得到相應(yīng)的內(nèi)容并進行輸出15。表2-1 Cyclone II系列FPGA內(nèi)部資源Table 2-1 Internal resources of Cyclone II series特性EP2C5EP2C8EP2C15EP2C20EP2C35EP2C50EP2C70LEs460882561444818752332165052868416M4K RAM26365252105129250RAM bits1198081658882396162396164838405944321152000乘法器2318

47、26263586150鎖相環(huán)2244444用戶I/O數(shù)158182315315475450622表2-1為Altera公司Cyclone II系列FPGA內(nèi)部硬件資源參數(shù)。其邏輯單元數(shù)從4608到68416不等，可以適合不同硬件規(guī)模的需求。Cyclone II系列FPGA內(nèi)部帶有2-4個鎖相環(huán)(PLL)，高達16個全局時鐘線提供的時鐘網(wǎng)絡(luò)為FPGA的各個模塊及I/O單元提供時鐘。使用數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)可實現(xiàn)FPGA片內(nèi)時鐘倍頻、分頻、移相以及高速差分信號輸出（LVDS）。嵌入式乘法器是實現(xiàn)并行算法處理的主要單元，每個乘法器可配置成一個1818或兩個99的乘法器，通過PLL將外部晶振時鐘倍頻，

48、其處理速度可達250MHz。嵌入式存儲器由帶校驗的4K位雙口RAM組成，具有最高達到36位的位寬，高達270MHz存取速度。輸出輸出單元IOEs分配在外圍部分，可以提供MOS和TTL類型的單端及差分邏輯I/O。2.2.3 FPGA系統(tǒng)設(shè)計流程FPGA的開發(fā)流程包括硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩個部分。硬件開發(fā)也稱作板級設(shè)計，主要包括對FPGA供電的電源電路、存儲和運行程序的Flash和SDRAM電路、采用晶振實現(xiàn)的時鐘電路和各種通訊總線接口以及其它外接設(shè)備等，其設(shè)計軟件主要采用Protel、Orcad、PADS及Cadence等軟件。軟件開發(fā)包括采用HDL語言實現(xiàn)的數(shù)字電路功能、算法以及結(jié)合軟核CPU構(gòu)

49、建SOPC平臺，其設(shè)計軟件主要采用Altera的Quartus II、Xilinx的ISE Design Suit等EDA平臺?，F(xiàn)如今隨著微電子工藝的發(fā)展，F(xiàn)PGA的生產(chǎn)制造成本不斷的下降，器件運行速度不斷的上升，其在各個領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛，并在某些場合逐漸替代了傳統(tǒng)的16/32位的單片機及DSP。目前微電子技術(shù)以發(fā)展到SOC（System On Chip）階段，相對傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計思想上有了巨大的變化。SOC是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，旨在將傳統(tǒng)板級系統(tǒng)設(shè)計的CPU，存儲器，接口電路等等集合在單芯片上，由此可以帶來制造成本的降低，產(chǎn)品的輕量化，延長使用壽命等等優(yōu)點。其設(shè)計方法則采用自頂向下的設(shè)計方式，

50、將系統(tǒng)級設(shè)計劃分為各個功能模塊的軟硬件協(xié)同設(shè)計。FPGA的設(shè)計正是引入了這種方式，其開發(fā)流程如圖2-6所示，主要有系統(tǒng)劃分、HDL輸入、編譯綜合、時序仿真、適配實現(xiàn)等等。系統(tǒng)劃分：主要采用自頂而下設(shè)計方法，將FPGA片內(nèi)系統(tǒng)分為各個功能模塊，包括配置軟核CPU、通訊接口、AD/DA調(diào)理電路、人機接口電路以及數(shù)據(jù)緩沖等等模塊。系統(tǒng)劃分作為FPGA開發(fā)的第一步，規(guī)劃了系統(tǒng)的架構(gòu)，關(guān)系到整個系統(tǒng)是否能完成預(yù)期的功能即實現(xiàn)效率。HDL代碼和原理圖輸入：HDL代碼用于大型系統(tǒng)中替代原理圖輸入繁瑣等局限性，目前主流HDL語言主要有VHDL和Verilog HDL，為美國電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)標準

51、。其語言描述無需關(guān)聯(lián)芯片工藝，因此用HDL語言編寫的模塊可以在不同的FPGA芯片上進行移植，提高了模塊的可復(fù)用性。HDL不僅具有很強的邏輯描述能力用來進行邏輯設(shè)計，也可以進行仿真測試中測試文本(Test Bench)的編寫，提高系統(tǒng)的驗證及仿真能力。原理圖輸入作為對電路最直接的描述方式，將需要的邏輯器件直接中原理圖庫調(diào)用，畫出原理圖，主要應(yīng)用于中小規(guī)模的邏輯設(shè)計。目前設(shè)計方法主要才用HDL和原理圖混合設(shè)計方式，將原理圖庫中沒有的功能器件用HDL編寫、編譯和綜合，滿足功能需求后生成IP核直接在原理圖設(shè)計上調(diào)用。圖2-6 FPGA開發(fā)流程Fig.2-6 FPGA development flow編

52、譯綜合：對于原理圖和HDL語言描述完成后，需要對其進行編譯綜合以便進行仿真及下載。綜合(Synthesis)旨在將HDL描述的設(shè)計輸入通過EDA軟件編譯為各種邏輯門、觸發(fā)器和寄存器單元等基本邏輯單元組成的邏輯連接網(wǎng)表16。根據(jù)模型的抽象程度，綜合可以劃分為門級綜合、RTL級綜合和行為級綜合。目前Quartus II和ISE Design Suit都集成編譯器和綜合器，都支持門級和RTL級綜合。也可以選擇第三方公司的綜合器，如Synplify等。仿真：仿真分為前仿真和后仿真。前仿真又稱功能仿真，旨在編譯前對電路的邏輯功能進行仿真，不包含F(xiàn)PGA內(nèi)部電路時序延遲等信息。仿真前需要輸入用波形編輯器或

53、硬件描述語言編寫的測試文本作為信號激勵。通過仿真生成輸出信號波形圖，可以驗證所設(shè)計的電路功能是否符合需求。后仿真也稱為時序仿真，主要是檢測編譯綜合后的門電路的時序延遲時候符合要求，優(yōu)化時鐘樹等等。目前Quartus II和ISE Design Suit都有各自的仿真器。如果需要更高級功能，可使用Modelsim、VCS等第三方仿真器。適配：適配也稱布局布線，主要利用EDA軟件將綜合出來的邏輯功能映射到FPGA芯片的內(nèi)部資源中，并產(chǎn)生相應(yīng)的配置文件和報告，通過JTAG接口將16進制配置文件下載到FPGA的配置芯片中，便可以在板級通過FPGA實現(xiàn)所設(shè)計的功能。由于布局布線涉及到FPGA芯片的物理內(nèi)

54、部結(jié)構(gòu)及制造工藝，因此必須采用相應(yīng)芯片開發(fā)商提供的工具。2.3 本章小結(jié)本章主要簡述了氣動伺服系統(tǒng)的組成和FPGA的芯片架構(gòu)以及開發(fā)方法。對于單路氣缸的控制器件和執(zhí)行器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為后期的器件傳感及驅(qū)動提供一個平臺。通過對FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解和開發(fā)流程的詳細認識，為FPGA邏輯設(shè)計和以及氣動控制系統(tǒng)的模塊化劃分提供了理論基礎(chǔ)。- PAGE 27-第3章 氣動控制系統(tǒng)總體設(shè)計如圖3-1所示，氣動控制系統(tǒng)的硬件電路主要有五個部分組成：傳感器采集電路：采集磁阻位移傳感器位移信號及提供12V-24V電源。電磁閥驅(qū)動電路：由于FPGA核心板的IO接口輸出的是3.3V電平信號，而電磁閥驅(qū)動則需要12

55、V-24V的電壓。因此需要設(shè)計一個驅(qū)動電路驅(qū)動電磁閥和感性負載與FPGA的IO之間進行隔離保護。電源模塊：對于氣動伺服采用24V開關(guān)電源供電，而電路中需要3.3V、5V及24V的電壓，因此設(shè)計一電源電路進行多電壓管理。通訊電路：設(shè)計USB及RS232串行通訊接口與PC、工控機等上位機通訊，方便后期數(shù)據(jù)的采集及運動算法的開發(fā)。FPGA核心板：作為氣動伺服的核心，采用Altera的Cyclone II系列FPGA芯片，內(nèi)置串行配置芯片、Flash和SDRAM；配合EP2C8豐富的邏輯單元資源，可以進行更高級的控制算法的開發(fā)。圖3-1 氣動控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.3-1 Hardware archi

56、tecture of pneumatic control system3.1 位移傳感器信號采集氣動六自由度并聯(lián)平臺通常采用位移和壓力傳感信號作為反饋進行閉環(huán)控制，其中位移的檢測通常采用磁阻位移傳感器，磁性伸縮位移傳感器，光柵尺位移傳感器，光電編碼盤。光電編碼盤必須采用蝸輪蝸桿等降速機構(gòu)將角位移轉(zhuǎn)換為直線位移，其機構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，精度很難保證17。而光柵尺位移傳感器精度極高，不過造價高，對于六自由度平臺六個分支機構(gòu)的位移實時測量過于價格過于高昂。磁性伸縮位移傳感器測量精度高，行程長，其測量兩個脈沖信號的時間差來測定其位移，因此需要的處理電路較為復(fù)雜18。磁阻位移傳感器是一種新型檢測位移的元

57、件，它利用磁阻效應(yīng)原理測量絕對位移，不僅可以用來測量物體運動的直線位移，還可以給出運動速度的信號，具有精度高，動態(tài)特性好，價格適中等優(yōu)點。在國內(nèi)外的六自由度氣動和電液驅(qū)動平臺上的測量，控制和檢測具有廣泛的應(yīng)用。3.1.1 磁阻效應(yīng)原理磁阻效應(yīng)是基于霍爾效應(yīng)的延伸，如圖3-2展示霍爾效應(yīng)的原理，當(dāng)載流子導(dǎo)體或半導(dǎo)體上有電流經(jīng)過時，其上面自由電子的運動速度為；在其垂直方向施加一磁場，其運動的自由電子受到洛倫茲力，該力與自由電子速度和磁場大小成正比；由右手定則可以判定受洛侖茲力的電荷的運動方向，因此，電荷逐漸在長為寬為的半導(dǎo)體兩側(cè)積累，形成場強逐漸增大的霍爾電場。產(chǎn)生電動勢?；魻栯妶鲇謱﹄娮赢a(chǎn)生了電

58、場力。當(dāng)電場強度大到與相等時，這時候電子受力平衡，不再往兩個側(cè)電極積累，其響應(yīng)的電動勢恒定，稱為霍爾電勢19。因此磁場強度的改變將會影響霍爾電勢的大小。依據(jù)原理可制造角速度傳感器和行程開關(guān)等，廣泛應(yīng)用于汽車傳感器及自動化設(shè)備。圖3-2 霍爾效應(yīng)原理Fig.3-2 The principle of Hall-Effect在霍爾效應(yīng)中，假定的是載流子的運動速度為恒定值。實際上，流經(jīng)該半導(dǎo)體的載流子速度不同。在洛侖茲力作用下一些速度大的載流子受力不平衡仍會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，打到半導(dǎo)體兩側(cè)，因此該半導(dǎo)體內(nèi)部的電流是不均勻的，改變磁場的強弱則會改變電流的密度，表現(xiàn)為該材料電阻的變化，因此稱之為磁阻效應(yīng)。由于各向

59、異性磁阻效應(yīng)(Anisotropic Magnetoresistive, AMR)的存在20。當(dāng)外加磁場平行磁體內(nèi)部的磁化方向時，電阻不隨外加磁場的變化。當(dāng)兩者方向發(fā)生偏離時，此類金屬的電阻可變化23%。3.1.2 位移傳感器工作原理磁阻位移傳感器利用了AMR效應(yīng)，將四個磁阻元件附在磁性元件上面，由此等效為4個可變電阻，并連接成惠斯通電橋，可以用來精確測量微小電阻值的變化。圖3-3 惠斯通電橋電路Fig.3-3 The circuit of Wheatstone bridge如圖3-3所示的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，通過四個可變電阻構(gòu)成的全橋電路，可以很好的補償電橋的非線性輸出特性，提高了電橋的檢測靈敏

60、度。其橋路輸出為： (3-1)對于單電橋電路，由于受溫度的影響變化比較大，需要溫度補償電路。因此位移傳感器采用雙電橋電路對其進行補償。采用雙電橋設(shè)計，還可同時輸出A、B兩路傳感信號，即達到判別氣缸運動方向的功能，又能進行四倍頻處理，提高測量精度。如圖3-4所示的磁阻傳感器的工作原理，在活塞桿車制的螺紋上面附加磁性材料，由此產(chǎn)生了磁性截面和非磁性截面構(gòu)成了外部磁場，根據(jù)AMR效應(yīng)，當(dāng)磁阻元件到達磁性截面，其磁性元件產(chǎn)生的內(nèi)部磁場和外部磁場平行時，電阻不變。當(dāng)不平行時，電阻發(fā)生變化引起電壓發(fā)生變化，該過程在每個螺紋上面交替產(chǎn)生，因此生成了兩路正弦波形，經(jīng)過計數(shù)器或斯密特觸發(fā)器，便可以產(chǎn)生A、B兩路