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1、分类号密级数控机床自适应模糊控制伺服系统研究研究生姓名：黎敦科指导教师姓名、职称：谭会生教授学科专业：电气工程研究方向：现代电力电子技术及系统湖南工业大学二〇一八年六月十日摘要一台数控机床的先进程度衡量着一个国家制造业的先进水平，而数控机床最核心的部分就是数控机床控制系统。近年出现的ARM嵌入式系统具有硬件资源丰富、性能好、成本低和功耗低等优点，FPGA技术具有可重复编程、在线升级、实时性好、可靠性高等优点。为了克服传统的数控机床成本高、控制精度低、实时性差、可靠性低等缺点，研究基于ARM+FPGA架构的新型数
2、控机床系统，具有重要的社会经济意义和重大的经济价值。本文以数控机床为工程背景，以伺服电机PMSM为具体对象，以ARM+FPGA作为数控系统的实现平台，从提高伺服系统位置环控制的自适应能力，提高位置环、速度环和电流环等复杂运算的处理速度，提高系统管理与控制程序开发的简单性、界面的美观性等方面开展了深入的研究。其主要研究工作和结论如下：（1）在对比分析了几种控制系统架构基础上，提出了一种基于ARM+FPGA的数控机床自适应模糊控制伺服系统的设计方案。该系统采用以ARM作为系统主控与运动轨迹计算芯片，FPGA作为伺服
3、系统运动控制芯片，而其中的FPGA运动控制系统包括自适应位置控制模块、速度控制模块、电流变换模块三大部分。（2）针对提出的ARM+FPGA的数控机床自适应模糊控制伺服系统的设计方案，进行了有关数学模型的建立与推导，并借助MATLAB工具建立系统仿真模型进行仿真。系统仿真结果表明，该系统位置响应超调量小，响应时间短，系统性能优越。（3）为了提高运动控制的实时性、可靠性、灵活度，根据运动控制系统的模型，提出了一种FPGA实现的运行控制系统的结构，并详细进行了自适应位置控制模块、速度控制模块、电流变换模块等内部各模块
4、的设计，之后利用VHDL进行了有关模块的程序设计和FPGA实现仿真。（4）针对基于ARM微处理器的主控与运动轨迹计算系统，进行了系统控制界面的设计，FPGA与ARM芯片、FPGA与上位机等通信程序设计，进行了运动控制中加减速、插补方法的分析与设计。关键字：数控机床；永磁同步电机；自适应模糊控制；ARM；FPGAIABSTRACTTheadvancedlevelofaCNCmachinetoolmeasurestheadvancedlevelofacountry'smanufacturingindustry,an
5、dthemostimportantpartoftheCNCmachinetoolistheCNCmachinetoolcontrolsystem.Inrecentyears,ARMembeddedsystemshavetheadvantagesofrichhardwareresources,goodperformance,lowcostandlowpowerconsumption.FPGAtechnologyhastheadvantagesofrepeatableprogramming,onlineupgrad
6、e,real-timeperformance,andhighreliability.InordertoovercomethedisadvantagesoftraditionalCNCmachinetoolssuchashighcost,lowcontrolaccuracy,poorreal-timeperformance,andlowreliability,theresearchonanewtypeofCNCmachinetoolsystembasedonARM+FPGAarchitecturehasimpor
7、tantsocialandeconomicsignificanceandsignificanteconomicvalue.ThispapertakestheCNCmachinetoolastheengineeringbackground,theservomotorPMSMasthespecificobject,theARM+FPGAastherealizationplatformoftheCNCsystem,andimprovestheself-adaptiveabilityofthepositionloopc
8、ontroloftheservosystemtoimprovethepositionloop,speedloop,currentloop,etc.Thein-depthresearchhasbeenconductedontheprocessingspeedofcomplexoperations,thesimplicityofsystemmanagementandcontrolprogr
