基于SOPC技术和模糊控制理论的数控机床控制系统的设计

覃莉莉

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州545007）

［工业技术与创新］

基于SOPC技术和模糊控制理论的数控机床控制系统的设计

覃莉莉

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州545007）

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SOPCBuilder等整套开发工具完成了SOPC系统的开发。

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。

图1　SOPC系统架构

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NiosⅡCPU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（Rowaddress）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的时序协议利用异步收发器（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Nios II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。

图2　PLL模块图形符号

图3　电机控制模块结构框图

图4　电源模块电路图

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所示，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。

找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系即能实现PID参数的模糊自整定。为满足不同的时刻偏差以及偏差的变化对PID参数整定的要求，使被控制的对象具备良好的静态和动态特性，必须通过不断检测e和 ec，在运行中以PID参数的修正量为输出的方式来实现。最终确定PID控制器的三个参数，其中为预整定值

图5　光电速度检测原理图

图6　FPGA复位模块的电路图

图7　自整定模糊PID控制器的原理

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：

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8 隶属函数曲线

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。

图9　自整定模糊PID控制系统的响应曲线

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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G718.5

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1673-0046（2016）7-0173-04

2015年广西高校科研项目“基于SOPC技术和模糊控制理论的数控机床控制系统的设计”（编号：KY2015LX741）