基于FPGA的交叉耦合控制器的设计与实现.pdf

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1、2011年第3期现代制造工程(ModemManufacturingEngineering)设备设计／诊断维修／再制造基于FPGA的交叉耦合控制器的设计与实现+张团善，潘铜，叶小荣，张娜(西安工程大学电子信息学院，西安710048)摘要：针对运动控制系统多轴联动的协同问题，分析轮廓误差产生机理和交叉耦合控制算法。利用现场可编程门阵列(Field．ProgrammableGateArray，FPGA)内部丰富的查找表资源，结合模糊自整定PID控制算法的特点，通过MATLAB软件的Fuzzy工具箱完成模糊逻辑策略的建立，利用离线计算、在

2、线查表的方法设计出一种基于FPGA的交叉耦合控制器。最终通过QuartusII软件完成整个系统的分析、综合和功能仿真，并利用LinkforModelsim软件实现对硬件设计电路的验证。仿真结果表明该方法可以有效地减少轮廓误差，提高运动控制系统的调节和跟踪性能。关键词：交叉耦合；轮廓误差；可编程门阵列；模糊自整定PID中图分类号：TM57文献标志码：A文章编号：1671---3133(2011)03----0108---06Designandimplementationofcross-coupledcontrollerbasedon

3、FPGA．ZHANGTuan-shah，PANTong，YEXiao-tong，ZHANGNa(ElectronicInformationCollege，Xi’anPolytechnicUniversity，Xi’an710048，China)Abstract：Inordertosolvethecollaborativeproblemofmulti·axismotioncontrolsystem，thecontourerrorandcross-couplingcontrolalgorithma聆analysed．Usingther

4、ichlre柏urceoflookuptableinFPGAandthecharacteristicsoffuzzyself-tuningPIDcontrolalgorithm，FPGA—basederots-couplingcontrollerisdesignedbythemethodofoff-linecomputing，onlinelook-uptable，whichusestheFuzzytoolboxofMATLABtOcompletetheestablishmentoffuzzylogicalstrategies．Fi

5、nally，theanalysis，synthesisandfunctionalsimulationofthewholesystemarecompletedbyQumusII，andtheverificationofhardwarecircuitdesignisreal—izedbyLinkforModelsim．Simulationresultsshowthatthismethodcaneffectivelyimprovethemotioncontrolsystem'sregulatingandtrackingperforman

6、ce．Keywords：crofscoupledcontrol；contourerror；FPGA；fuzzyself-tuningPID0引言运动控制系统通常有多个轴需要伺服，多轴联动必然引起较大的轮廓误差，如何减少轮廓误差提高轮廓轨迹的控制精度，是实现多轴同步控制的关键问题。传统的解决方法是通过减小相应轴的跟随误差来间接达到减少多轴协同运动轮廓误差，但是大量实验和文献表明：提高单轴伺服系统的动态性能可以减小单轴跟踪误差，却不一定能减小轮廓控制的轮廓误差。Yeh等学者提出一种基于交叉耦合控制的控制策略⋯，即：在不改变各个轴位置控

7、制环的前提下，根据·西安工程大学研究生创新基金资助项目(chxl00813)108单轴的跟踪误差来向各轴提供附加轮廓误差补偿，以减小轮廓误差，进而提高轮廓精度。随着现场可编程门阵列(FPGA)技术的发展，在FPGA上实现智能算法以及单芯片控制技术的研究得到广泛地发展。本文充分利用其内部丰富的逻辑资源及快速、实时的并行运算能力，以双轴运动控制器为例，设计出一种基于FPGA的交叉耦合控制器。1轮廓误差产生机理和交叉耦合控制算法1．1轮廓误差产生机理运动控制系统中的多轴完全同步几乎不可能，每张团善，等：基于FPGA的交叉耦合控制器的设计

8、与实现2011年第3期个轴都存在一定的跟踪误差；各个单轴的跟踪误差不协调一定会反映到轨迹曲线轮廓上，再加上机械和控制因素的制约，两轴联动必然要产生轮廓误差。下面就双轴运动控制系统中的两种误差进行分析。在运动轨迹为直线的情况下，跟踪误差和轮廓误差如图