基于SOPC技術和模糊控制理論的數控機床控制系統的設計

覃莉莉

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州545007）

［工業技術與創新］

基于SOPC技術和模糊控制理論的數控機床控制系統的設計

覃莉莉

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州545007）

本文提出了一種基于SOPC技術和模糊控制理論的數控機床XY工作臺控制系統解決方案，通過Quartus II、Nios II IDE和SOPCBuilder等整套開發工具完成了SOPC系統的開發。

數控機床；控制系統；模糊控制理論；SOPC；Nios II

SOPC（System On a Programmable Chip），是在一塊硅片上利用可編程邏輯控制技術集成整個系統的一項技術。SOPC可以用來進行電子信息處理和嵌入式系統的設計。本文設計的數控機床控制系統中是基于FPGA嵌入IP軟核的應用。

一、SOPC系統的設計

SOPC（System On a Programmable Chip）利用一個芯片就可以完成全部的邏輯處理，其硬件采用FPGA。這種微處理器系統采用嵌入式的結構設計。建立在SOPC技術基礎上的Nios II處理器是一種32位的RISC處理器軟內核?？梢酝瓿蒘OPC系統開發的整套工具，目前市場上主要有Nios II IDE、SOPC Builder以及Quartus II等。

典型的Nios II的微控制器包含Avalon總線、I/O控制器、微處理器內核、定時器、存儲器控制單元和必要的外圍控制部分。圖1所示的SOPC系統架構是基于數控機床控制系統的要求而設計的。

圖1　SOPC系統架構

二、定制Nios II微控制器軟核

根據數控系統的控制要求，本文對Nios II微控制器軟核進行了配置。這個配置包括：中央處理器模塊、SDRAM控制模塊、UART控制模塊、EPCS控制模塊、反饋模塊，頻率發生控制器、RAM寫入模塊以及電機控制模塊。

其定制過程如下：

（1）構建系統軟核

在SOPC Builder界面中，根據SOPC系統架構構建系統軟核，設定系統時鐘頻率為50MHz。本系統對要求具備高速的響應速度，因此在NiosⅡCPU的三種類型中選擇快速型NiosⅡ/f的軟核類型。JATG調試模塊在系統運行的過程中將占用較多的系統資源，為了確保系統調試能順利地加入JATG，減少系統所占用的軟硬件資源，需要在完成系統的調試之后，把debugging level設置為No Debugger。

（2）建立SDRAM模塊

SDRAM諸如刷新、初始化等邏輯控制由SDRAM控制器來實現。物理層面上FPGA跟SDRAM是連接在一起的，SDRAM控制器的參數設定如下：行地址（Rowaddress）12位，列地址（Column address）8位，數據位寬（Data width）16位。通過SDRAM控制器將SDRAM用作大容量存儲器。

（3）建立EPCS控制器：EPCS用于存儲FPGA配置數據和Nios II程序代碼。

（4）建立JTAG UART控制器：JTAG UART用于Nios II應用程序的調試。

（5）建立UART控制器：RS232的時序協議利用異步收發器（UART）控制器來實現。其功能在于提供波特率，且波特率可以根據需要進行調節。訪問UART模塊，在Nios II系統中，利用Avalon總線可以很容易實現，Avalon總線允許Avalon主外設（例如Nios II處理器）通過簡單的讀和寫控制寄存器以及數據寄存器與該UART核實現通信。設置串口通信波特率為19200，停止位1位，數據位8位，沒有奇偶性的檢驗。

（6）建立系統ID外設：生成Nios II系統時，會配置唯一的ID號，并存入System ID寄存器，用以鑒定Nios II程序是否與系統匹配。如不匹配，程序將無法下載到Nios II系統。

（7）添加PIO接口，所添加的PIO接口主要包括：RAM 寫PIO、反饋PIO、行程開關PIO、加入電機運行參數PIO（輸出類型）、基準頻率控制PIO、開始控制PIO。

最后生成Nios II系統。

三、系統核外邏輯的設計與構建

（1）鎖相環PLL模塊的建立

鎖相環的功能在于解決系統各種設備間的時鐘同步問題。它可以實現延時的功能，調節時鐘信號。鎖相環的設計對于整個系統而言，意義重大。

本設計中為Nois II軟核提供時鐘的是20MHz的有源晶振，這個晶振外接在FPGA上。把有源晶振的倍頻設定在100MHz（c0）。為SDRAM提供同樣頻率時鐘的是圖2中所設計的PLL的c1。其頻率的設定跟有源晶振的頻率一致，偏移量取-75deg。

（2）電機控制模塊

電機控制模塊主要由PWM發生模塊、計數模塊和電機選擇模塊構成，如圖3為其結構框圖。

四、相關硬件電路設計

1.電源模塊

電源模塊是保證嵌入式系統工作的前提條件之一，在本系統中，電源模塊主要負責給FPGA以及后續的電路供電，使用LM1085_3.3V來實現從5V轉到3.3V，并且在輸入端和輸出端加濾波電容，保證供電穩定。圖4為電源模塊電路圖。

2.速度檢測反饋電路

光電編碼盤角度檢測傳感器是一種廣泛應用的編碼式數字傳感器，它將測得的角度位移轉換為脈沖形式的數字信號輸出。其電路原理圖見圖5所示。

3.電機驅動電路

驅動電路開關管選用絕緣柵型功率管IGBT。本系統選用美國SGS公司生產的專用集成驅動芯片PBL3717。該芯片構建的電路，不同于傳統分離元件組成的電路，避免了工作電路復雜、使用元件多、開啟和關斷時間長等缺點。

PBL3717柵極驅動器能夠在驅動一個高壓側的同時，驅動一個低壓側的功率MOSFET，能夠在一個高性能的封裝里實現大部分的功能。在設計時，只需要添加一路控制電源和少量分立元件即可。PBL3717芯片即可采用自舉自容實現MOSFET的驅動。其導通/關斷時間為120/94ns，驅動能力為I0+/-=3A/3A，偏值電壓可達500V，開關頻率可以從數十赫茲達數百千赫茲，同時PBL3717還具有欠壓告警、欠壓封鎖、過流保護之功能等比較完善的保護功能。所以驅動電路選用2片PBL3717驅動兩個H橋。

圖2　PLL模塊圖形符號

圖3　電機控制模塊結構框圖

圖4　電源模塊電路圖

4.系統復位電路

根據數控系統的控制需求，本設計需要把處理器嵌入到FPGA內部。而FPGA在每次配置的加載都會被復位，這樣的復位自動進行。基于這樣的情況，需要設計一個系統的復位電路，把FPGA內部的狀態初始化。

在本設計中，人為地干預系統的運行，必要時，重新輸入參數是必需的要求。為實現這樣的要求，必須設計一個復位電路，這個復位電路可以通過手動的方式實現控制。

按照低電平有效抗干擾能力更強的原則，如圖6所示，本文設計了一個常態為高電平（3.3V），通過按鍵來拉低信號復位電路。

五、自整定模糊PID控制器設計

輸入誤差e以及誤差的變化ec，來構建自整定模糊PID控制器。通過算法，設計模糊控制的規則，修改PID參數，原理如圖7所示。

找出PID三個參數與e和ec之間的模糊關系即能實現PID參數的模糊自整定。為滿足不同的時刻偏差以及偏差的變化對PID參數整定的要求，使被控制的對象具備良好的靜態和動態特性，必須通過不斷檢測e和 ec，在運行中以PID參數的修正量為輸出的方式來實現。最終確定PID控制器的三個參數，其中為預整定值

圖5　光電速度檢測原理圖

圖6　FPGA復位模塊的電路圖

圖7　自整定模糊PID控制器的原理

從系統響應速度、穩定與否、穩定精度如何以及超調量等方面來考慮，Kp′，Ki′，Kd′的作用為：

（1）響應速度慢，調節精度低，系統穩態、動態特性差。通常的原因是Kp值取得過小。增大Kp的取值可以解決上述問題。

（2）Ki能夠消除系統穩態誤差。Ki越大，則系統靜態誤差越快消除。這個參數取得過大，容易產生響應初期積分飽和的現象，從而造成響應過程的較大超調；但取得過小，系統靜態誤差難以消除，對系統調節精度產生不利的影響。

（3）要想獲得良好的系統動態特性，可以取較大的Kd值。但是Kd過大，會造成調節時間的延長。發生響應過程的提前制動，對于系統額抗干擾性能也會造成不利的影響。這個參數的作用在于使系統得到較好的動態特性，對響應中偏差變化的任意性進行抑制，還可以對偏差變化的方向進行預報。

綜合對系統輸出產生影響的三大參數參數Kp、Ki 和Kd，不難歸納出，在不同的e和ec下，受控參數Kp、Ki和Kd的自整定要求，得出模糊控制規則的語言描述：

If（e is NM）and（ec is NM）then（Kp is PM）and（Ki is PS）and（Kd is PM）；

If（e is NM）and（ec is PM）then（Kp is PM）and（Ki is PS）and（Kd is PM）；

If（e is NB）then（Kp is PB）and（Ki is ZO）and（Kd is PS）；

If（e is PS）and（ec is NS）then（Kp is PB）and（Ki is PB）and（Kd is PM）；

If（e is NS）and（ec is NS）then（Kp is PB）and（Ki is PB）and（Kd is PM）；

If（e is PM）and（ec is NM）then（Kp is PB）and（Ki is ZO）and（Kd is PS）；

If（e is NS）and（ec is PS）then（Kp is PB）and（Ki is PB）and（Kd is PM）；

If（e is PS）and（ec is PS）then（Kp is PB）and（Ki is PB）and（Kd is PM）；

If（e is PB）then（Kp is PB）and（Ki is ZO）and（Kd is PS）。

PID控制器參數Kp，Ki，Kd的整定要求因偏差e和偏差變化率ec的不同而異，分述如下：

（1）當e較大時，取較大的Kp，可以提高系統相應速度；需要注意的是，微分飽和的最直接原因是開偏差e在開始的瞬間變大。微分飽和所帶來的影響會造成控制作用超出許可的范圍。此時，可以選選取較小的Kd。積分飽和是控制系統所不希望出現的結果，為了避免這種情況的產生，可以取Ki=0限制積分的作用。

（2）e處于中等大小時，Kp取得小些，容易獲得系統響應較小的超調性。這個時候，應該取適當的Ki值。此時，對系統影響較大的是Kd的取值，為保證系統的響應速度，這個參數取值要適中。

（3）偏差e接近設定值，數值較小時，為了獲得系統良好的穩定特性，需要增加Kp和Ki的取值。震蕩的產生容易出現在在系統設定值附近。為了減少這個問題帶來的不利影響，需要增強系統的抗干擾性能。當ec較大時，Kd應取小些；當ec較小時，Kd可取值大些。圖8為隸屬度函數曲線。

圖8 隸屬函數曲線

圖9所示為使用Matlab進行仿真所得到的自整定模糊PID控制系統響應曲線。仿真的結果表明，采用自整定模糊PID控制，系統的穩態性能好，調節精度提高，響應速度快，且沒有超振蕩和超調。

圖9　自整定模糊PID控制系統的響應曲線

現代社會經濟和技術發展迅速，各種裝備都在不斷進行升級，因而對于設備的要求也在不斷提高，研究數控機床的相關控制技術有著非常重要的意義?；赟OPC技術和模糊控制理論的數控機床控制系統，開發周期短，成本低廉，是一個值得深入探討的研究方向。

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2015年廣西高?？蒲许椖俊盎赟OPC技術和模糊控制理論的數控機床控制系統的設計”（編號：KY2015LX741）