基于FPGA的电液位置伺服控制器设计与研究

摘要

电液位置伺服控制系统具有能够准确、快速、自动地复现输入量变化规律的优良性能，被广泛应用于国防工业和民用工业等领域，在科学技术的发展过程中起着不可替代的作用。近年来，对系统的动态特性、稳态特性、频带宽度、准确性等性能提出了更高的要求，作为系统核心之一的控制器，其性能的优劣成为了设计的关键。
　　FPGA（Field Programmable Gate Array）因其具有设计周期短、片内资源丰富、能无限次加载、现场编程等特点，被广泛应用于汽车导航、移动通信、军事雷达等领域，在工业自动化控制领域的应用也正在不间断的拓展深入。基于FPGA的控制系统可以克服PLC和单片机控制系统功能不足以及PC机控制系统非实时性的缺点，能满足电液位置伺服控制系统对可靠性、实时性、快速性等控制性能的要求，拥有良好的应用空间和发展前景。
　　本文以某公司的电液位置伺服控制系统为对象，在全面分析伺服系统液压部分工作原理的同时，根据系统的控制要求，完成了液压部分各个模块的性能分析和器件选型，并提出以Cyclone IV FPGA为核心的控制器方案。在系统控制器的开发设计中，以FPGA为中心，通过对AD/DA转换电路、DI/DO接口电路以及串行接口电路等模块的扩展，使得系统控制器具有丰富的硬件资源，并设计了相应的信号调理电路，其能使被控对象、传感器等与控制器各相应模块之间的信号标准相匹配。此外，以Quartus II和Modelsim为开发环境和仿真平台，用Verilog HDL语言完成了AD/DA接口模块、DI/DO接口模块等的程序编写、编译、仿真以及调试等。在对控制系统数学建模和仿真分析验证中，为了使控制器具有良好的控制特性，采用了带动压反馈的PID控制策略，详细阐述了其在FPGA中的实现方法，并做了相应的仿真测试。最后，在现场实验过程中，上位机通过RS-232串口与控制器通信，实现数据的实时交互，并将处理结果以曲线的形式展示，以供数据分析处理并进行参数调整。结果证明，该控制器能够满足控制系统提出的总体任务要求，达到了预期的设计效果。

目录

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 电液伺服控制系统的研究现状和发展趋势

1.3 FPGA的发展及应用概况

1.4 本文主要研究内容

第2章 电液伺服系统方案设计与建模仿真

2.1 主要任务与要求

2.2 电液伺服系统方案设计

2.3 电液伺服系统建模

2.4 带动压反馈的PID控制策略

第3章 伺服控制器硬件设计与实现

3.1 控制器核心电路设计

3.2 控制器外围电路设计

3.3 信号调理电路

3.4 伺服电机控制电路

第4章 伺服控制器软件设计与实现

4.1 系统软件设计方案

4.2 FPGA开发流程及工具

4.3 PID算法的软件实现

4.4 FPGA接口模块的实现

第5章 实验

5.1 位置控制实验

5.2 速度控制实验

第6章 总结与展望

参考文献

致谢