基于FPGA的柔性机械臂多路无刷直流电机控制系统设计

针对柔性机械臂一般为超冗余机械臂，需要多个无刷直流电机驱动各个关节的运动，传统的数字信号处理（DSP）芯片、单片机用户接口有限，无法同时驱动十几个无刷直流电机运动，并且采用传统的PID算法控制精度较低，不适应于高精度柔性负载的控制。本文提出采用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）芯片实现柔性机械臂多路无刷直流电机的控制，设计出改进型神经元自适应PID控制器，有效提高各关节电机的位置跟踪精度和抗柔性负载扰动能力，同时完成了规划位置的直线插补、多路电机母线电流采集、多路电机旋变位置信号采集处理。并在柔性机械臂原理样机中进行了验证，设计的驱动控制器能使得每个关节电机定位精度优于0.2°，各关节的无刷直流电机同步性、协调性良好。     

永磁无刷直流陀螺电机锁相稳速控制研究

为满足航天液浮陀螺用无位置传感器永磁无刷直流电机作为驱动电机的新需求,提出一种新的基于可编程逻辑器件和专用驱动芯片ML4411的永磁无刷直流陀螺电机稳速控制系统.采用芯片ML4411实现陀螺电机控制系统的反电势检测、换相和功率驱动,并使用复杂可编程逻辑器件作为控制处理器,实现电机的启动、转速给定.为保证系统稳定可靠,设计了两级锁相环路控制方案.该控制系统在陀螺电机调速控制试验中满足了陀螺的性能要求,为液浮陀螺性能的提高提供了一种有效手段.     

工业以太网EtherCAT冗余和热插拔技术

EtherCAT是一种实时工业以太网协议,使用冗余技术是实现热插拔和提高通信可靠性的重要手段.首先介绍了实时工业以太网EtherCAT的组成、工作原理和报文结构,研究了使用环型网络拓扑结构实现基于EtherCAT的工业自动化控制系统故障容错及热插拔技术,分别规划了在网口故障、链路故障和节点故障时冗余帧传播机制、故障点定位和恢复策略.开发了链路冗余EtherCAT主站驱动程序,将常规EtherCAT主站驱动程序做了修改,加入链路冗余机制,对上层应用屏蔽了冗余信息和操作.最后完成了冗余和热插拔的性能测试实验,结果表明系统性能优越,运行稳定.     

基于PI控制的直流电机调速控制系统的研制

为解决直流电机速度控制问题,采用增量式PI控制方法,设计了无刷直流电机速度控制器。对模拟调节器进行了离散化处理,每隔10ms用编码器测速一次,并进行适当的软件滤波,用计算出速度差作为控制量,用离散的差分方程代替连续的微分方程,用软件实现了PI控制算法。搭建了基于STM32的实验平台,给出了P和I参数整定方法,并通过大量实验得到了合适的P和I的系数,验证了该增量式PI控制方法的正确性。研究结果表明:该PI控制算法能够实现对速度的恒定控制,响应速度快、抗干扰能力强。为PID控制提供了实验的方法和步骤。     

基于XML的EtherCAT工业以太网协议解析技术

重点研究了基于可扩展标记语言(XML,eXtensible Markup Language)的EtherCAT工业以太网协议解析器技术和实现方法.介绍了EtherCAT协议报文格式和特点,分析了以太网数据侦听器和协议解析器的结构,针对通用以太网解析器在工业以太网领域应用的局限性,提出使用XML语言描述协议报文的方法,在此基础上开发出一种开放式、可重构的EtherCAT协议解析器.实验结果表明基于XML的协议报文描述方法及解析器能够有效地描述和解析EtherCAT协议报文,使用者可以根据解析对象格式使用XML语言自定义、修改和扩展协议解析规则,获得清晰、直观的解析结果.      

基于灰度预测的无刷直流电机控制

针对传统PID控制器抗干扰能力差，参数调节繁琐等问题，提出了灰度预测控制器。对灰度预测算法进行了详细的理论分析和数学建模，利用最速梯度法对控制器参数进行调整，设计了参数自适应调整的控制器；对飞轮使用的无刷直流电机进行了较为准确的模型建立，并在此基础上设计了基于灰度预测控制器的电机控制仿真模型。通过仿真分析了两种控制器在正常加速和受到干扰两种情况下的不同表现，验证了灰度预测控制器在调节效果和稳定性等方面的优越性。     

功率级无刷直流电动机四象限运行模拟器设计

针对无刷直流电动机（BLDCM）驱动控制器在研发过程中全工况测试困难、测试成本高和研发周期长的问题，提出了一种采用分区间采样和解算方法的、具有四象限运行能力的功率级（PHIL）无刷直流电动机模拟器，替代实物电动机和机械负载装置完成对两两导通控制方式下无刷直流电动机驱动控制器的各项性能测试与可靠性试验。该模拟器由实时仿真器、电动机模拟变换器和多级式双向变换器3部分组成，实时仿真器负责采集被测电动机驱动控制器输出的PWM电压，实时解算电动机模型得到三相电流指令，控制电动机模拟变换器生成三相电流，多级式双向变换器负责维持模拟器输入、输出间的能量平衡关系，从而实现对四象限运行时无刷直流电动机的功率级模拟。实验结果表明:所提出的功率级无刷直流电动机模拟器模拟精度高、实时性好、测试灵活，能够有效替代实物电动机和机械负载装置，满足电动机驱动控制器的测试需求。      

一种改进的定频数字滞环电流控制策略

针对机载电动静液作动器(EHA)用20 k W级大功率无刷直流电机,提出了一种改进的定频数字滞环电流控制策略(HCCS)。在此控制策略中,通过对PWM_ON调制模式下相电流数学模型的构建以及相应电流环控制模式的分析,对一种综合三角载波控制和滞环电流控制的混合滞环电流控制进行改进,设计了一种实现简单、控制稳定、具有过流保护功能以及功率元件开关频率有条件固定的改进的准定频滞环电流控制策略,并通过数字化处理,引入数字化规则,实现完全的定频控制。仿真和实验结果表明,此控制策略能够实现大功率无刷直流电机控制时固定的功率元件开关频率以及高频率响应,将为高性能大功率无刷直流电机高效的电流控制提供一条新路径。     

单片机控制无刷直流电动机速度伺服系统

介绍了一种稀土永磁无刷直流方波电动机速度伺服系统，该系统以８０９８单片机为核心，外加ＧＡＬ芯片构成控制器，主回路开关器件采用ＩＧＢＴ，用ＥＸＢ８４０驱动，组成功率变换电路，实现了ＰＷＭ波单极半调制方式的电机伺服控制。     

无刷直流电机的锁相控制(空间相位锁定)

本文介绍了无刷直流电机空间相位锁定技术。这一锁相技术的特点是利用无刷直流电机特有的换向信号作速度反馈,使用最简单的脉冲控制方式实现低速大惯量系统的相位锁定。作者针对两种用途作了功能和精度试验。试验结果是令人满意的。捕获时间1～2分钟,稳态相位抖动均方根值σ_φ<0.15°,空间指向精度Δ0<0.25°。     

一种能量色散X荧光光谱仪核心控制系统设计

针对能量色散X荧光光谱仪对通讯、控制及测量的特殊要求,设计一种以ARM处理器STM32F103RBT6为核心的能量色散X荧光光谱仪硬件平台与上位机结合的核心控制系统。该硬件平台集成了USB-HUB功能,采用专门的步进电机驱动芯片简化电路设计,节省了开发周期。通过增加瞬态二极管保护电路提高电路的抗雷击浪涌能力,同时具备安全的互锁功能。实验表明,系统运行安全可靠,具有良好的应用前景。     

基于以太网器件的高性能工业现场总线FED

研究一种采用通用以太网物理层元件和FPGA器件构成的现场总线FED(Fieldbus based on Ethernet Devices),在片上系统(SOC,System On Chip)上开发出实用的现场总线通信装置.FED不需要复杂的驱动程序就可以实现链路层通信,在链路层基础上可以根据控制需要设计应用层通信协议.FED采用基于带飞读写功能的集总帧结构,使用主从式通讯.FED系统由1个主站和最多255个从站组成,实现了100 Mbit/s的高速实时通信.建立了实验系统,验证了FED总线可以满足数控机床等工业自动化设备的控制需求.     

实时工业以太网EtherCAT时序特性分析系统

分析了实时工业以太网的特点,提出一种时序特性分析系统,该系统硬件部分包括数据侦听器和监听计算机;软件部分是安装在监听计算机上的时序分析仪.数据侦听器是以现场可编程门阵列(FPGA,Field-Programmable Gate Array)为核心的硬件单元,主要功能是捕捉被监听链路上的数据帧,提取并封装原始帧的信息生成一个Probe帧,随后转发原始帧和Probe帧到监听计算机.Probe帧是提出的一种专门用于实时工业以太网时序和功能分析的以太网数据帧.时序分析仪解析Probe帧中封装的信息,按照用户设置进行计算统计后,以图形化的方式显示分析结果.最后,构建基于实时工业以太网EtherCAT的实验系统进行功能验证.实验结果表明,时序特性分析系统能够完成对实时工业以太网数据的在线捕捉和离线分析,并能清晰、直观的显示被监听链路和器件时序特性的解析结果.     

基于协议变换的图像采集系统设计

介绍了一个基于高速协议变换的实时图像采集系统,该系统实现了从IEEE1394协议到千兆以太网协议的实时变换,将基于IEEE 1394协议的数字相机发出的图像数据转发到以太网上.系统设计使用了SOPC(System On a Programmable Chip)技术,通过Avalon总线将Nios Ⅱ处理器,千兆网MAC核和自定义的1394芯片接口逻辑等IP组件连接在一起形成主要的硬件电路,结合系统软件设计实现了对高速图像数据的实时转发.系统达到了较好的性能,同时具有集成度高,结构简单和扩展性好的特点,展示了利用SOPC技术解决此类问题的优势.     

基于STM32的可重复使用运载器闭环仿真系统

针对验证可重复使用运载器关键控制技术的需求,提出了一套基于STM32的可重复使用运载器闭环仿真系统。基于该套平台,对系统的总体方案、硬件平台设计、软件开发及设计进行了重点论述,实现了箭上测量单元、计算机单元、执行单元及地面测发控单元的模拟。通过仿真试验验证,完成了可重复使用运载器制导、导航及姿控算法等关键控制技术的验证。结果表明：所开发的闭环仿真系统设计合理,系统实时性好,可靠性高。可为可重复使用运载器大型试验奠定基础,缩短研制周期。     

基于ASIC技术的1553B IP核的设计

针对卫星轻小型化的应用需求和现有1553B总线接口设计存在缺陷的问题,提出一种面向航天器综合电子的1553B总线协议ASIC芯片设计方案,并介绍了自主研发的1553B协议IP核设计. 1553B IP核采用自顶向下的设计方法,使用Verilog硬件设计语言进行编程,实现了1553B总线中的总线控制器BC和远程终端RT功能. 分别从1553B IP核总体框架、BC/RT共享模块、BC功能模块和RT功能模块详细介绍了IP核的设计.1553B IP核设计完成模块仿真验证、ASIC芯片系统仿真验证和FPGA验证,通过DDC的1553B板卡对设计进行验证,误码率小于10-9. 实验结果表明,本IP核设计具有可靠性高、可移植性强、资源占用少、实时性好的特点.      

并行双单片机式工业控制机

本文针对普通控制机性能上的限制,阻碍了现代控制算法在工业控制过程中的应用,提出了一种双单片机并行处理控制机的实施方案,通过对控制任务的适当划分,两处理机协同工作,使控制机的性能大为提高,从而达到多种复杂控制算法在工业控制系统中应用的目的。我们在这个系统中实现了极点配置自校正算法。实践证明,它比一般的控制机有更强的实时处理能力。本系统是以MCS-51系列单片机为基础的。