基于FPGA控制的懸掛運動(dòng)控制系統設計

引 言
在現代的工業(yè)控制、車(chē)輛運動(dòng)和醫療設備等系統中，懸掛運動(dòng)系統的應用越來(lái)越多，在這些系統中懸掛運動(dòng)部件通常是具體的執行機構，因而懸掛部件的運動(dòng)精確性是整個(gè)系統工作效能的決定因素，而在實(shí)際中實(shí)現懸掛運動(dòng)控制系統的精確控制是非常困難的?？扛淖儜覓毂豢貙ο蟮睦K索長(cháng)短來(lái)控制被控對象運動(dòng)軌跡的懸掛運動(dòng)控制系統，在生產(chǎn)控制等領(lǐng)域有很廣的應用范圍，但受技術(shù)上的制約，使用也有一定限制。傳統的懸掛控制系統設計是采用單片機作為系統控制器，通過(guò)軟件編程實(shí)現各種算法和邏輯控制，但由于其芯片資源有限，運算速率慢和易受干擾等因素，因而在較大系統的開(kāi)發(fā)上受到限制。FPGA可實(shí)現各種復雜的邏輯功能，密度高，體積小，穩定性高，運算速度快，還可進(jìn)行軟件仿真和調試，適合作為大規模實(shí)時(shí)系統的控制核心。本文采用Verilog FPGA設計懸掛運動(dòng)控制系統的控制器，通過(guò)輸入模塊傳送控制參數，采用HDL語(yǔ)言編程實(shí)現的控制算法，驅動(dòng)步進(jìn)電機，對懸掛運動(dòng)物體進(jìn)行精確的控制。

1 系統設計方案
本設計具體設計目標為控制系統能夠通過(guò)鍵盤(pán)或其他方式任意設定物體坐標點(diǎn)參數，且物體在80 cm×100 cm的范圍內做自行設定的運動(dòng)，運動(dòng)軌跡既有曲線(xiàn)(圓)，也有直線(xiàn)(任意兩點(diǎn)和定點(diǎn))，物體在運動(dòng)時(shí)能夠在板上畫(huà)出運動(dòng)軌跡，限制在一定的時(shí)間內完成。根據設計指標，需要實(shí)現勾畫(huà)設定軌跡和對設定軌跡的搜尋功能，并能實(shí)時(shí)地顯示物體中畫(huà)筆所在位置坐標。其系統方案框圖如圖1所示。

控制模塊是整個(gè)系統的核心，鍵盤(pán)輸入模塊產(chǎn)生按鍵信號，按鍵信號送人FPGA對物體進(jìn)行設置校正以及軌跡參數設定，FPGA對送來(lái)的信號進(jìn)行分析、運算、處理，將控制信號輸送到電機驅動(dòng)模塊，控制電動(dòng)機的轉速，使物體的運動(dòng)軌跡得以控制，同時(shí)由顯示模塊顯示物體中畫(huà)筆的坐標。

2 系統各模塊的設計與實(shí)現
2．1 控制模塊
系統結構圖如圖2所示。其中，控制模塊是系統設計的核心，由FPGA實(shí)現。此模塊是通過(guò)HDL硬件描述語(yǔ)言，在智能型可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)試驗系統KH- 310的硬件平臺來(lái)控制設計的，利用FPGA芯片可實(shí)現對步進(jìn)電機的控制功能。功能包括：步進(jìn)電機的正轉、反轉、定位功能及調速等功能。FPGA由輸入的數據來(lái)計算物體要移動(dòng)的距離，直接發(fā)出控制脈沖控制電機的轉動(dòng)，進(jìn)而控制物體的運動(dòng)方向。由于少了反饋電路，系統的精度只與FPGA采用的算法準確性有關(guān)，此種方式電路結構簡(jiǎn)單，成本低且易于調整和維護，是一種較理想的方式。

2．2 鍵盤(pán)模塊
鍵盤(pán)是實(shí)現人機交流的一種裝置。在本系統中，采用4×4矩陣式鍵盤(pán)共陽(yáng)極接法。鍵盤(pán)上的每一個(gè)按鍵其實(shí)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，當某鍵被按下時(shí)，該按鍵的接點(diǎn)會(huì )呈現0的狀態(tài)設置鍵；反之，未被按下時(shí)則呈現邏輯1的狀態(tài)。鍵盤(pán)各鍵布局及功能介紹如圖3所示。