数控机床系统设计方案论文提纲

论文题目：数控机床自适应模糊控制伺服系统研究

摘要：一台数控机床的先进程度衡量着一个国家制造业的先进水平,而数控机床最核心的部分就是数控机床控制系统。近年出现的ARM嵌入式系统具有硬件资源丰富、性能好、成本低和功耗低等优点,FPGA技术具有可重复编程、在线升级、实时性好、可靠性高等优点。为了克服传统的数控机床成本高、控制精度低、实时性差、可靠性低等缺点,研究基于ARM+FPGA架构的新型数控机床系统,具有重要的社会经济意义和重大的经济价值。本文以数控机床为工程背景,以伺服电机PMSM为具体对象,以ARM+FPGA作为数控系统的实现平台,从提高伺服系统位置环控制的自适应能力,提高位置环、速度环和电流环等复杂运算的处理速度,提高系统管理与控制程序开发的简单性、界面的美观性等方面开展了深入的研究。其主要研究工作和结论如下:（1）在对比分析了几种控制系统架构基础上,提出了一种基于ARM+FPGA的数控机床自适应模糊控制伺服系统的设计方案。该系统采用以ARM作为系统主控与运动轨迹计算芯片,FPGA作为伺服系统运动控制芯片,而其中的FPGA运动控制系统包括自适应位置控制模块、速度控制模块、电流变换模块三大部分。（2）针对提出的ARM+FPGA的数控机床自适应模糊控制伺服系统的设计方案,进行了有关数学模型的建立与推导,并借助MATLAB工具建立系统仿真模型进行仿真。系统仿真结果表明,该系统位置响应超调量小,响应时间短,系统性能优越。（3）为了提高运动控制的实时性、可靠性、灵活度,根据运动控制系统的模型,提出了一种FPGA实现的运行控制系统的结构,并详细进行了自适应位置控制模块、速度控制模块、电流变换模块等内部各模块的设计,之后利用VHDL进行了有关模块的程序设计和FPGA实现仿真。（4）针对基于ARM微处理器的主控与运动轨迹计算系统,进行了系统控制界面的设计,FPGA与ARM芯片、FPGA与上位机等通信程序设计,进行了运动控制中加减速、插补方法的分析与设计。

关键词：数控机床;永磁同步电机;自适应模糊控制;ARM;FPGA

学科专业：电气工程

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外数控机床背景与发展现状

1.2.1 传统PLC数控机床研究的背景与发展现状

1.2.2 嵌入式数控机床研究的背景与发展现状

1.3 ARM与FPGA联合控制的技术概述

1.4 研究意义

1.5 论文的主要研究工作及其结构

第二章 控制系统整体方案设计

2.1 几种运动控制方案比较

2.2 系统总体设计方案

2.2.1 伺服控制系统结构设计

2.2.2 PMSM自适应模糊控制器结构设计

2.3 本章小结

第三章 PMSM自适应模糊控制器模型及仿真

3.1 模糊PI控制概述

3.1.1 模糊PI控制系统

3.1.2 模糊算法的步骤

3.2 自适应模糊控制结构

3.2.1 模糊控制(FC)的步骤

3.2.2 参考模块RM

3.2.3 参数调整装置

3.2.4 自适应模糊控制仿真模块

3.3 矢量坐标变换

3.3.1 坐标变换仿真模块

3.4 SVPWM模块设计与实现

3.4.1 电压空间脉宽矢量(SVPWM)

3.5 自适应模糊控制系统仿真模型

3.5.1 PMSM自适应模糊控制系统仿真

3.5.2 自适应模糊控制器频率响应仿真分析

3.6 本章小结

第四章 PMSM自适应模糊控制器的FPGA实现

4.1 FPGA设计流程

4.2 自适应模糊控制器模块的设计与实现

4.2.1 自适应模糊控制器的结构设计

4.3 坐标变换模块的FPGA设计

4.3.1 CLARK变换设计

4.3.2 PARK变换设计

4.3.3 PARK反变换设计

4.3.4 坐标变换模块整体图

4.4 转子速度与位置检测模块的设计

4.4.1 光电编码器

4.4.2 正交编码器的解码计数器

4.4.3 SVPWM结构图及时序仿真

4.5 伺服控制RTL图

4.6 本章小结

第五章 ARM微处理器管控系统设计

5.1 控制系统QT界面设计

5.2 ARM与FPGA接口设计

5.3 加减速模块的设计

5.3.1 S形曲线加减速模块

5.4 插补模块的设计

5.4.1 数字积分法插补原理

5.4.2 数字积分法直线插补

5.4.3 数字积分法圆弧插补

5.4.4 插补实验结果分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢