基于fpga的高速pid控御器设计与仿真new

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1、万方数据基于FPGA的高速PID控御器设计与仿真付学志，姚旺生，苟伟，谭斌(海军工程大学电子工程学院计算机工程系，湖北武汉430033)摘要：采用流水线和状态机设计方法对增量式数字PID控制算法进行了优化设计，给出了优化后的FPGA实现方法，对完整的PID控制系统进行了软件仿真。关键词：运动控制FPGAPID控制器流水线状态机在CNC(电脑数控)加工、激光切割、自动化磨辊弧焊系统、步进／伺服电机控制及其他由电机控制的机械组装定位运动控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整

2、定方便，结构更改灵活，能满足一般控制的要求。此类运动控制系统的被控量常为速度、角度等模拟量，被控量与设定值之间的误差值经离散化处理后，可由数字PID控制器实现的控制算法加以运算，最后再转换为模拟量反馈给被控对象，这就是PID控制中常用的近似逼近原理。采用这种结构设计的控制系统，其性能只能与原连续控制系统性能接近而不会超过，逼近的精度与被变换的连续数学模型大小及采样周期长短有关【l】。特别是在高速运动控制的情况下，采样周期的影响更大，采样周期相对较长时，逼近程度才较好，但是对HD控制算法的运算速度及回路的调节时间等也提出

3、了更高的要求。可编程逻辑器件FPGA的逻辑门数为5000～200万个，属于大规模甚至超大规模逻辑器件，其工作频率最高可达250MHz。因此，无论从编程规模还是工作速度上，完全可以用来实现高速PID控制器。本设计使用Altem公司的Cyclone系列FPGA器件EPlC3作为硬件开发平台，对运动控制中常用的增量式数字PID控制算法进行优化处理，提高了运算速度和回路的调节时间。1增量式数宇PID控制算法的FPGA实现经典PID控制方程为：，，I，、u(￡)=岛[e(￡)+古I。e(r)打+‰号导】(1)J1』’。m式中，岛

4、为比例放大系数；蜀为积分时间常数；岛为微分时间常数。数字PID控制算法的实现，必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续一时间PID算法的微分方程离散化、差分、归并处理后可得：△u(矗)=g妒(七)+gle(七一1)+q2e(尼一2)(2)(2)式中：《电子技术应用》2007年第1期舻娜噜噜】ql_一坼[1+2孚】92=郧罟从(2)式可以看出，增量式数字PID算法，只要储存最近的三个误差采样值e(七)、e(后一1)、e(后一2)就足够了。实现此增量式数字PI

5、D控制算法的结构图如图1所示。◆j一』图1中虚线框以内的结构是三个具有移位功能的乘法器，可以使用mtem公司提供的经过严格测试和优化处理的宏功能模块LPM—MULT(脚一胞)实现。LPM—MULT是一个可定制位宽的加法／乘法器，在此，定制误差输入值e(后)的位宽为8bit，另一常量乘数q0、q1、q2为整定后的PID控制器的控制参数，位宽为6bit，乘法器输出结果位宽为14bit。QuaItusII中的原理图如图2所示。LPM—MULT宏功能模块还可以定制运算结果输出时等待同步脉冲(c10ck)的个数，这就是LPM—M

6、ULT的流水线输出功能。图2中指定lpmmult0、lpmjnultl、1p瑚mult2的等待时间依次为1、2、3个同步脉冲，这种设计自然地实现了移位相乘操作；同时利用乘法器的流水线功能，提高了乘法运算的速度。优化后的功能仿真波形如图3所示。由图2、图3可见，在第K个流水线推进时钟信号clk的上跳沿，lpmmult0输出当前时刻下的乘积运算结本刊邮箱：eta@ncse．com．cn87万方数据图2增量式数字PID控制算法原理图datain(3)XORdatain(4)XORdatain(5)x0Rdatain(6)x0

7、Rdatain(7)xORdatain(8)XORdatain(9)XORdatain(10)x0Rdatain(11)x0Rd砒ain(12)x0Rdatain(13)XOR’l’)WHENwr=’O’ELSE’Z’；ENDbehav；；3工作控制状态机的设计典型的数字PID控制系统由A／D转换、PID控制算法和D／A转换三个关键环节构成。为了协调三个环(PID控制参数q024、q12—5、q226)节之间的工作流程，系统工作控制部件必不可少。纯硬件图3增量式P1D控制算法仿真波形图数字系统的顺序控制有多种方案可选，

8、如单片机辅助控制、果steplout，1pmmuhl输出K一1时刻下的乘积结果嵌入式CPU软核控制、脉冲计数控制等等，但都难以兼顾st印20ut，lpIn_muh2输出K一2时刻下的乘积结果step30ut，系统的高速控制和灵活扩展。在高速运算和控制方面，有并行加法运算部件p剃leLadd的输出值为result=，限状态机具有以上