基于模型的控制系统开发验证平台设计

摘要

本文分析了现代控制系统的设计方法,针对如何利用FPGA提升实时仿真系统在高速仿真领域的性能,以及如何建立通用型设计验证平台等问题,根据基于模型的设计流程,提出了FPGA作为副处理器的实时仿真系统架构,该方法很大程度上提升了实时仿真系统在高速控制系统仿真中的表现。为了实现这种基于模型的设计开发方式,我们开发了一套基于模型的控制系统开发验证平台。在实时仿真系统的基础上融入FPGA开发技术,并通过全新设计的插件式软件将Matlab/Simulink和FPGA板卡无缝连接,简单快捷地调试控制器模型,并利用FPGA板卡上的电路接口进行半实物仿真。
　　平台基于新型高性能实时仿真机HiGale设计,在HiGale系统中插入一个或多个扩展功能的FPGA板卡模块,此模块以3U CPCI板卡形式设计,板载一枚Xilinx的Sparten-6系列FPGA用于运行高速控制模型,可以直接安装在HiGale机箱中用于控制系统仿真测试。同时,结合Matlab HDL coder工具设计一款FPGA自动代码下载软件——HAC,可以将控制系统模型和板卡接口驱动模型快速便捷地下载到FPGA板卡,并能与实时仿真软件无缝连接。
　　最后,以当前应用较广泛的电机控制系统为应用对象,搭建一套电机HIL仿真平台,对比传统的控制方式10us以上的控制速度,此平台绕过了CPU和PCI并行总线,将电机模型放在FPGA中运行,大大提高了实时仿真技术在高速电机领域的应用。一方面用于测试电机应用的控制算法,另一方面验证了基于模型的控制系统开发验证平台的应用优势。

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缩写与术语

第一章 概述

1.1 控制系统的设计流程

1.2 相关技术的发展

1.3 控制系统开发在高速化和产业化发展过程中遭遇的瓶颈

1.4 本课题的研究背景和目的

1.5 本课题研究的内容

1.6 论文结构

第二章 平台硬件设计方案

2.1 平台工作环境搭建

2.2 基于FPGA的硬件板卡设计方案

2.3 硬件设计中的关键问题及其解决措施

2.4 本章小结

第三章HDL Auto Coding(HAC)软件设计方案

3.1 HAC软件总体需求

3.2 HAC软件实现原理

3.3 HAC软件系统组成

3.4 HAC具体操作流程

3.5 软件设计中的关键问题及其解决办法

3.6 本章总结

第四章 平台应用于电机控制器的设计与仿真

4.1 电机控制系统开发现状分析

4.2 实时仿真系统应用于电机控制器开发

4.3 本章总结

第五章 结束语

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文