基于FPGA-的电子齿轮控制技术及其误差研究.doc

摘 要 由于电气化的日益普及以及对运动控制系统的精度要求越来越苛刻，用电气传动控制机构代替机械传动控制机构来实现性能更加优越的运动控制日益成为当下的一种研究趋势。由于电子齿轮可将指令控制器输入指令1个脉冲的工件移动量设定为任意值，即匹配电机发出的脉冲数与机械的最小移动量，使其在传动系统由机械化到电气化的转变方面起到重要的推动作用，而且随着相关研究的进一步深入，一定会在不久的将来在传动和运动控制领域发挥更广泛的作用。 通过在电路设计中使用FPGA芯片，可以极大减少分立元件的使用，除了少数接口电路外，大多数逻辑都可在片内实现。由于可以在系统编程，即随时根据用户的需要更改配置，因此它具有灵活的仿真和硬件电路验证手段，为运动控制领域的研究提供了一种新思路和新方法。本文利用Altera公司的CycloneII系列EP2C8Q208C8型号FPGA芯片，结合其集成开发环境QuartusII，对电子齿轮控制系统中的关键技术进行了研究并最终完成了仿真实验，本文开展了如下几个方面的研究工作： （1）阐述了电子齿轮控制技术及其特点，介绍了FPGA芯片原理、相关的开发工具、语言和基本开发流程。 （2）根据实现结构的不同，把应用电子齿轮的数控系统分为主从式和并列式两种，前者建立在从属关系上，而后者建立在常值控制的基础上。 （3）重点研究了电子齿轮控制系统的传动精度误差的产生原理，给出了适合电子齿轮控制系统的PID控制策略并进行了一定的分析。 （4）总结了锁相环技术在电子齿轮控制系统中的应用和价值，对电子齿轮控制关键技术—脉冲分、倍频技术进行了深层次的研究和剖析；利用Altera公司的QuartusII开发环境和FPGA开发板，完成了基于FPGA的参数化通用分频器的设计和实现，并取得了理想的仿真效果。 （5）完成了对电子齿轮控制系统中的典型模块A/D转换模块和D/A转换模块的建模和实验分析。 （6）总结了研究过程中的得与失，并对将来的工作进行了展望。 关键词： Abstract Due to the increasing popularity of electrification as well as more and more demanding of precision on motion control systems, using electric drive and control institutions to replace mechanical transmission control mechanism in order to achieve superior performance of motion control is increasingly becoming a kind of contemporary research trend. As electronic gear can set the input command pulse volume of workpiece movement to an arbitrary value, that matches the pulse issued by motor and the smallest amount of mechanical movement, making it plays an important role in promoting the transmission system from mechanization to electrification. With the further in-depth research, it will certainly play a broader role in the field of transmission and motion control in the near future. We can greatly reduce the use of discrete components based on FPGA. Apart from a few interface circuits, most of the logic can be achieved in the chip. As it can be programmed in the system, namely that the configurations can be changed at any time based on the needs of users, so it has a flexible circuit simulation and hardware verification tools, provideing a