基于 SOPC 技术和模糊控制理论的数控机床控制系统的设计
2018-5-23 来源： 柳州铁道职业技术学院 作者：覃莉莉
[摘要]本文提出了一种基于 SOPC 技术和模糊控制理论的数控机床 XY 工作台控制系统解决方案，通过Quartus II、Nios II IDE 和 SOPC Builder 等整套开发工具完成了 SOPC 系统的开发。
[关键词]数控机床；控制系统；模糊控制理论；SOPC；Nios II
SOPC（System On a Programmable Chip），是在一块硅片上利用可编程逻辑控制技术集成整个系统的一项技术。SOPC 可以用来进行电子信息处理和嵌入式系统的设计。本文设计的数控机床控制系统中是基于 FPGA嵌入 IP 软核的应用。
一、SOPC 系统的设计
SOPC（System On a Programmable Chip）利用一个芯片就可以完成全部的逻辑处理，其硬件采用 FPGA。这种微处理器系统采用嵌入式的结构设计。
建立在 SOPC 技术基础上的 Nios II 处理器是一种 32 位的 RISC 处理器软内核。可以完成 SOPC 系统开发的整套工具，目前市场上主要有 Nios II IDE、SOPC Builder 以及
Quartus II等。典型的 Nios II 的微控制器包含 Avalon 总线、I/O 控制器、微处理器内核、定时器、存储器控制单元和必要的外围控制部分。
图 1 所示的 SOPC 系统架构是基于数控机床控制系统的要求而设计的.
二、定制 Nios II 微控制器软核
根据数控系统的控制要求，本文对 Nios II 微控制器软核进行了配置。这个配置包括：中央处理器模块、SDRAM控制模块、UART 控制模块、EPCS 控制模块、反馈模块，频率发生控制器、RAM 写入模块以及电机控制模块。其定制过程如下：
（1）构建系统软核在 SOPC Builder 界面中，根据 SOPC 系统架构构建系统软核，设定系统时钟频率为 50MHz。本系统对要求具备高速的响应速度，因此在 NiosⅡ CPU 的三种类型中选择快速型 NiosⅡ/f 的软核类型。JATG 调试模块在系统运行的过程中将占用较多的系统资源，为了确保系统调试能顺利地加入 JATG，减少系统所占用的软硬件资源，需要在完成系统的调试之后，把 debugging level 设置为 No Debugger。
（2）建立 SDRAM 模块SDRAM 诸如刷新 、初始化等逻辑控制由 SDRAM 控制器来实现。物理层面上 FPGA 跟 SDRAM是连接在一起的，SDRAM 控制器的参数设定如下：行地址（
Row address）12 位，列地址（Column address ）8位，数据位宽（Data width）16 位。通过 SDRAM 控制器将 SDRAM 用作大容量存储器。
（3）建立 EPCS 控制器：EPCS用于存储 FPGA 配置数据和 Nios II程序代码。
（4）建立 JTAG UART 控制器：JTAG UART 用于Nios II 应用程序的调试。
（5）建立 UART 控制器：RS232的时序议利用异步收发器（UART）控制器来实现。其功能在于提供波特率，且波特率可以根据需要进行调节。访问 UART 模块，在 Nios II
系统中，利用 Avalon 总线可以很容易实现，Avalon 总线允许 Avalon 主外设（例如 Nios II 处理器）通过简单的读和写控制寄存器以及数据寄存器与该 UART 核实现通信。
设置串口通信波特率为 19200，停止位 1 位，数据位8 位，没有奇偶性的检验。
（6）建立系统 ID 外设：生成 Nios II 系统时，会配置唯一的 ID 号，并存入 System ID 寄存器，用以鉴定 NiosII 程序是否与系统匹配。如不匹配，程序将无法下载到
Nios II 系统。
（7）添加 PIO 接口，所添加的 PIO 接口主要包括：RAM写PIO、反馈 PIO、行程开关 PIO、加入电机运行参数 PIO（输出类型）、基准频率控制 PIO、开始控制 PIO。最后生成 Nios II 系统。
三、系统核外逻辑的设计与构建
（1）锁相环 PLL 模块的建立锁相环的功能在于解决系统各种设备间的时钟同步问题。它可以实现延时的功能，调节时钟信号。锁相环的设计对于整个系统而言，意义重大。本设计中为 Nois II 软核提供时钟的是 20MHz 的有源晶振，这个晶振外接在 FPGA 上。把有源晶振的倍频设定在 100MHz（c0）。为 SDRAM 提供同样频率时钟的是图 2 中所设计的 PLL 的 c1。其频率的设定跟有源晶振的频率一致，偏移量取-75deg。
（2）电机控制模块电机控制模块主要由 PWM 发生模块、计数模块和电机选择模块构成，如图 3 为其结构框图。
四、相关硬件电路设计
1.电源模块电源模块是保证嵌入式系统工作的前提条件之一,在本系统中，电源模块主要负责给 FPGA 以及后续的电路供电，使用 LM1085_3.3V 来实现从 5V 转到 3.3V，并且在输入端和输出端加滤波电容，保证供电稳定。图 4 为电源模块电路图。
2.速度检测反馈电路
光电编码盘角度检测传感器是一种广泛应用的编码式数字传感器，它将测得的角度位移转换为脉冲形式的数字信号输出。其电路原理图见图 5 所示。
3.电机驱动电路
驱动电路开关管选用绝缘栅型功率管 IGBT。本系统 选 用 美 国 SGS 公 司 生 产 的 专 用 集 成 驱 动 芯 片PBL3717。该芯片构建的电路，不同于传统分离元件组成的电路，避免了工作电路复杂、使用元件多、开启和关断时间长等缺点。PBL3717 栅极驱动器能够在驱动一个高压侧的同时，驱动一个低压侧的功率 MOSFET，能够在一个高性能的封装里实现大部分的功能。
在设计时，只需要添加一路控制电源和少量分立元件即可。PBL3717 芯片即可采用自举自容实现 MOSFET 的驱动。其导通/关断时间为120/94ns，驱动能力为 I0+/-=3A/3A，偏值电压可达500V，开关频率可以从数十赫兹达数百千赫兹，同时PBL3717还具有欠压告警、欠压封锁、过流保护之功能等比较完善的保护功能。所以驱动电路选用 2 片 PBL3717 驱动两个 H 桥。
4.系统复位电路
根据数控系统的控制需求，本设计需要把处理器嵌入到 FPGA 内部。而 FPGA 在每次配置的加载都会被复位，这样的复位自动进行。基于这样的情况，需要设计一个系统的复位电路，把 FPGA 内部的状态初始化。
在本设计中，人为地干预系统的运行，必要时，重新输入参数是必需的要求。为实现这样的要求，必须设计一个复位电路，这个复位电路可以通过手动的方式实现控制。按照低电平有效抗干扰能力更强的原则，如图 6 所本文设计了一个常态为高电平（3.3V），通过按键来拉低信号复位电路.
五、自整定模糊 PID 控制器设计
输入误差 e 以及误差的变化 ec，来构建自整定模糊PID 控制器。通过算法，设计模糊控制的规则，修改 PID参数，原理如图 7 所示.
从系统响应速度、稳定与否、稳定精度如何以及超调量等方面来考虑，Kp′，Ki′，Kd′的作用为：
（1）响应速度慢，调节精度低，系统稳态、动态特性差。通常的原因是 Kp值取得过小。增大 Kp的取值可以解决上述问题。
（2）Ki能够消除系统稳态误差。Ki越大，则系统静态误差越快消除。这个参数取得过大，容易产生响应初期积分饱和的现象，从而造成响应过程的较大超调；但取得过小，系统静态误差难以消除，对系统调节精度产生不利的影响。
（3）要想获得良好的系统动态特性，可以取较大的Kd值。但是 Kd过大，会造成调节时间的延长。发生响应过程的提前制动，对于系统额抗干扰性能也会造成不利的影响。
这个参数的作用在于使系统得到较好的动态特性，对响应中偏差变化的任意性进行抑制，还可以对偏差变化的方向进行预报。综合对系统输出产生影响的三大参数参数 Kp、Ki和 Kd，不难归纳出，在不同的 e 和 ec 下，受控参数 Kp、Ki 和 Kd 的自整定要求，得出模糊控制规则的语言描述:
PID 控制器参数 Kp，Ki，Kd 的整定要求因偏差 e 和偏差变化率 ec 的不同而异，分述如下：
（1）当 e 较大时，取较大的 Kp，可以提高系统相应速度；需要注意的是，微分饱和的最直接原因是开偏差 e 在开始的瞬间变大。微分饱和所带来的影响会造成控制作用超出许可的范围。此时，可以选选取较小的 Kd。积分饱和是控制系统所不希望出现的结果，为了避免这种情况的产生，可以取 Ki=0 限制积分的作用。
（2）e 处于中等大小时，Kp 取得小些，容易获得系统响应较小的超调性。这个时候，应该取适当的 Ki 值。此时，对系统影响较大的是 Kd 的取值，为保证系统的响应速度，这个参数取值要适中。
（3）偏差 e 接近设定值，数值较小时，为了获得系统良好的稳定特性，需要增加 Kp 和 Ki 的取值。震荡的产生容易出现在在系统设定值附近。为了减少这个问题带来的不利影响，需要增强系统的抗干扰性能。当 ec 较大时，Kd 应取小些；当 ec 较小时，Kd 可取值大些。
图 8 为隶属度函数曲线。
图 9 所示为使用 Matlab 进行仿真所得到的自整定模糊 PID 控制系统响应曲线。仿真的结果表明，采用自整定模糊 PID 控制，系统的稳态性能好，调节精度提高，响应速度快，且没有超振荡和超调。
现代社会经济和技术发展迅速，各种装备都在不断进行升级，因而对于设备的要求也在不断提高，研究数控机床的相关控制技术有着非常重要的意义。基于SOPC 技术和模糊控制理论的数控机床控制系统，开发周期短，成本低廉，是一个值得深入探讨的研究方向。
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