基于FPGA的高速PID控制器設(shè)計(jì)與仿真

　　在CNC(電腦數(shù)控)加工、激光切割、自動(dòng)化磨輥弧焊系統(tǒng)、步進(jìn)/伺服電機(jī)控制及其他由電機(jī)控制的機(jī)械組裝定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般控制的要求。

　　此類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量常為速度、角度等模擬量，被控量與設(shè)定值之間的誤差值經(jīng)離散化處理后，可由數(shù)字PID控制器實(shí)現(xiàn)的控制算法加以運(yùn)算，最后再轉(zhuǎn)換為模擬量反饋給被控對(duì)象，這就是PID控制中常用的近似逼近原理。

　　采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，其性能只能與原連續(xù)控制系統(tǒng)性能接近而不會(huì)超過(guò)，逼近的精度與被變換的連續(xù)數(shù)學(xué)模型大小及采樣周期長(zhǎng)短有關(guān) [1]。特別是在高速運(yùn)動(dòng)控制的情況下，采樣周期的影響更大，采樣周期相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)，逼近程度才較好，但是對(duì)PID控制算法的運(yùn)算速度及回路的調(diào)節(jié)時(shí)間等也 提出了更高的要求。

　　可編程邏輯器件FPGA的邏輯門數(shù)為5000～200萬(wàn)個(gè)，屬于大規(guī)模甚至超大規(guī)模邏輯器件，其工作頻率最高可達(dá)250MHz。因此，無(wú)論從編程規(guī)模還是工作速度上，完全可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)高速PID控制器。本設(shè)計(jì)使用Altera公司的Cyclone系列FPGA器件EP1C3作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制中常用的增量式數(shù)字PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化處理，提高了運(yùn)算速度和回路的調(diào)節(jié)時(shí)間。

　　1 增量式數(shù)字PID控制算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　經(jīng)典PID控制方程為：

　　式中，KP為比例放大系數(shù);K1為積分時(shí)間常數(shù);KD為微分時(shí)間常數(shù)。數(shù)字PID控制算法的實(shí)現(xiàn)，必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)一時(shí)間PID算法的微分方程離散化、差分、歸并處理后可得：

　　從(2)式可以看出，增量式數(shù)字PID算法，只要儲(chǔ)存最近的三個(gè)誤差采樣值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足夠了。實(shí)現(xiàn)此增量式數(shù)字PID控制算法的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　圖1中虛線框以內(nèi)的結(jié)構(gòu)是三個(gè)具有移位功能的乘法器，可以使用Altera公司提供的經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試和優(yōu)化處理的宏功能模塊 LPM_MULT(M0～M2)實(shí)現(xiàn)。LPM_MULT是一個(gè)可定制位寬的加法/乘法器，在此，定制誤差輸入值e(k)的位寬為8bit，另一常量乘數(shù) q0、q1、q2為整定后的PID控制器的控制參數(shù)，位寬為6bit，乘法器輸出結(jié)果位寬為14bit。QuartusII中的原理圖如圖2所示。

　　LPM_MULT宏功能模塊還可以定制運(yùn)算結(jié)果輸出時(shí)等待同步脈沖(clock)的個(gè)數(shù)，這就是LPM_MULT的流水線輸出功能。圖2中指定 lpm_mult0、lpm_multl、：lpm_mult2的等待時(shí)間依次為1、2、3個(gè)同步脈沖，這種設(shè)計(jì)自然地實(shí)現(xiàn)了移位相乘操作;同時(shí)利用乘法 器的流水線功能，提高了乘法運(yùn)算的速度。優(yōu)化后的功能仿真波形如圖3所示。

　　由圖2、圖3可見(jiàn)，在第K個(gè)流水線推進(jìn)時(shí)鐘信號(hào)clk的上跳沿，lpm_mult0輸出當(dāng)前時(shí)刻下的乘積運(yùn)算結(jié)果 steplout，lpm_multl輸出K一1時(shí)刻下的乘積結(jié)果step2out，lpm_mult2輸出K-2時(shí)刻下的乘積結(jié)果step3out，并 行加法運(yùn)算部件parallel_add的輸出值為result=steplout+step2out+step3out。

　　2 通用模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與仿真

　　為了不失系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性，參照ADI公司8bit、半閃爍型A/D轉(zhuǎn)換器AD7822的時(shí)序圖，設(shè)計(jì)了通用A/D轉(zhuǎn)換部件 typical_ADC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換仿真功能。typical_adc部件是一個(gè)理想化的A/D轉(zhuǎn)換芯片，主要由一個(gè)8位地址計(jì)數(shù)器和一個(gè)存放正 弦數(shù)據(jù)的ROM構(gòu)成，它模擬正弦信號(hào)的采樣、量化過(guò)程，采樣周期只與系統(tǒng)的工作時(shí)鐘有關(guān)[2]。

　　相對(duì)于模/數(shù)轉(zhuǎn)換而言，數(shù)/模轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)要少一些，時(shí)序要求更簡(jiǎn)單。參照TI公司14位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC8806的功能表，設(shè)計(jì)了一個(gè) 通用D/A轉(zhuǎn)換部件typical_dac實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換仿真功能。為了形式化地表示系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程，typical_dac只是對(duì)PID算 法的輸出量△u(k)做了一個(gè)奇偶校驗(yàn)運(yùn)算，VHDL語(yǔ)言描述如下：

　　ARCHITECTURE behav OF typical_dac IS

　　BEGIN-當(dāng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)wr為低電平時(shí)輸出各位異或值，否則輸出高阻態(tài)

　　uout<=(datain(0)XOR datain(1)XOR datain(2)XOR datain(3)XOR datain(4)XOR datain(5)XORdatain(6) XOR datain(7)X0R datain(8)XOR datain(9)：XOR datain(10)XOR datain(11)XOR datain(12)XOR datain (13)XOR`1`)WHEN wr=`0`ELSE`z`;END behav;;