基于FPGA的电动舵机滑模控制系统

电动舵机是现代无人机飞控系统的关键组成部分。针对传统电动舵机系统抑制干扰能力差、跟踪精度低、响应速度慢的问题,提出一种改进优化的自适应滑模控制(SMC)算法。首先,在进行系统建模和实验平台搭建时考虑了外界扰动和摩擦间隙等非线性问题,以此为基础设计了新的滑模面函数;其次,通过重新设计切换控制函数,使舵面偏转角度更加准确,有效的提高了系统的跟踪精度;最后,在系统中引入一阶低通滤波器,有效的消除了控制量抖振问题。并通过FPGA芯片实现了该算法,设计实验加以验证。实验结果表明,与传统PID算法相比,改进的滑模控制算法具有较强的抑制干扰能力和较快的动态响应速度,跟踪误差也有明显的下降。由此可见该算法在解决电动舵机的非线性问题方面具有较强的优势,基本满足舵面偏转的精准控制需求,在无人机产品的生产实践中具有较强的实际应用价值。

基于DSP+FPGA的旋转平台自抗扰控制方法

旋转平台在低速运转过程中易产生非线性摩擦,由于非线性因素的影响,传统PID算法的控制效果远不能满足超精密运动平台定位精度高、响应快速等要求。因此,设计了基于DSP+FPGA的旋转平台自抗扰控制算法(active disturbance rejection control,ADRC),利用扩张状态观测器(extend states observer,ESO)对系统内外部未知扰动进行实时估计并予以补偿,提升系统响应速度,增强鲁棒性与抗干扰能力。最后,通过正弦扫描实验进行验证,PID对正弦输入信号无法及时响应,超调明显;ADRC响应迅速,稳态误差波动小。相比PID,ADRC最大跟踪误差降低79.5%,跟踪误差平均值降低65.4%。

基于FPGA的终端一体化1553B总线协议测试系统

MIL-STD-1553B(以下简称“1553B”)总线在飞机的航电系统中作用重要。为了摆脱对国外1553B协议芯片的依赖,研究设计了1款基于FPGA的终端一体化1553B总线协议测试系统。系统采用模块化的设计方法,使用Verilog语言进行代码编写,设计实现了4路1553B总线,每路实现了BC、RT、BM终端一体化,完整地实现了1553B协议的功能,并且实现了10种类型的故障注入。通过上位机测试对该系统进行了板级验证,测试结果表明:本设计实现了预期功能,相对于功能单一的1553B协议芯片,该系统极大提高了应用场景的灵活性和可靠性。

基于FPGA的锻锤安全控制模块设计

近年来,随着工业化进程的发展,工业控制系统对安全操作的需求也随之提升。FPGA以响应时间短、功耗低、安全可靠等特点得到广泛应用。基于FPGA设计了一种锻锤操作的安全控制模块,可以同时对锻锤设备的多个控制信号进行实时监测,在设备发生故障时及时提醒工作人员停止操作,避免生产事故的发生。

基于FPGA+SDRAM图像传输控制系统

为了解决高帧率图像采集系统中各个模块间传输速率不同而出现数据丢失的问题,论文采用FPGA+SDRAM来实现图像传输的方案。文中以光栅衍射效应测量入射激光方位角、俯仰角和波长等特征参数为需求背景,采用CMOS探测器、FPGA、SDRAM、USB等构成的小型硬件架构,并在此基础上,对SDRAM控制方式进行了优化,通过对乒乓模式提出改进,传输标志位控制地址指针指向,实现图像的完整采集。在激光高警系统应用中,使用FPGA+SDRAM的方式实现硬件采存,使用USB接口将数据传输到上位机,利用Matlab对各点在XY轴上的座标进行求解,最后通过光学知识计算出激光波长方位角等特征参数的方式验证系统的实用性。本试验采用850 nm波段的激光进行了检测,其波长测量精度在9 nm以内。

基于FPGA的大动态范围数据采集系统设计

针对传统数据采集系统受动态范围限制,进行测量时对大信号易过载、小信号易丢失等问题,设计了一种基于FPGA的大动态范围多通道数据采集系统,讨论了噪声相关性与放大器增益对动态范围的影响。该系统采用一种分立式架构的双ADC同步采集单元,结合FPGA高速并行处理的特点进行数据融合,对前端可变增益放大电路实时控制,实现多通道数据采集系统对微小信号采集时的高分辨率以及对大信号采集时的高容差。对采用动态范围最大为108 dB的AD7768芯片研制的实验样机进行测试,结果表明其在64 kHz的采样频率下可达到160 dB以上的动态范围,系统采样精度达到0.1%,线性度优于0.005%,通道间相位精度达到±0.05°。

基于FPGA的有限转角力矩电机伺服阀控制器设计

介绍了有限转角力矩电机在伺服阀中的应用,给出了有限转角力矩电机控制器的总体设计方案,提出基于FPGA的位置环、速度环、电流环三闭环的控制策略,论述了数字PID控制算法和控制器的软硬件设计,采用MATLAB对控制策略进行仿真分析,并利用样机进行试验验证。结果表明,控制器性能与仿真分析结果一致,具有响应速度快、无超调等优点,达到了设计目标,满足任务需求。

基于FPGA误差可控的浮点运算加速器研究

浮点运算是高性能计算(HPC)领域的基础运算。在大数据与云计算的背景下,高性能计算平台需要处理的数据量与日俱增,而且浮点数的舍入误差在大规模、长时程的运算中会产生累积,因此,在提升浮点运算性能的同时保证计算结果的可靠性非常重要。利用现场可编程门阵列(FPGA)可编程、低功耗、灵活性强的特点,针对含复杂单项运算的浮点多项式设计一种浮点运算加速器。基于无误差变换的思想,通过计算得出舍入误差值,将其补偿到浮点数值上,从而实现误差可控。采用异步并行的方式实现运算加速,并通过构建CPU-FPGA平台最大化地利用计算资源,保证计算任务执行的高效性。数据测试结果表明:在不限制对称性下的数值相对论模拟运算中,该加速器在200 MHz的主频下可达到91.85 MFLOPs的峰值性能;与Intel i76700K CPU运行最大线程数的性能相比,该加速器实现了50.54的加速比,并在该条件下获得了平均53.6%的精确结果百分比以及更低的相对误差,表明其具备较高的可靠性。

相控阵快速波束控制算法设计与FPGA实现

相控阵天线的电扫描特性使其具有扫描灵活、指向精确、可靠性高和抗干扰能力强等特点,其实现波束快速扫描、波束形状快速变化、同时多波束快速形成能力的关键技术之一是波束控制技术。针对多波束多阵元波束控制快速响应的需求,对常规单波束控制算法进行分解和优化,提出单波束内基于截断归一化的流水线设计算法、多波束并行计算方法,来进行移相控制码计算。该算法完成单波束内N个阵元的移相码计算仅需(N+12)T(其中T为系统工作时钟的周期,典型值为8 ns),可快速计算各天线阵元所需移相控制码。所提方法较传统单波束移相控制码计算方法时间缩短一个数量级以上,并已在FPGA上得到实际验证与应用。

基于FPGA控制和Cirrus Logic采集的煤矿用瑞利波探测仪设计

瑞利波探测是通过弹性波中的面波来探测前方地质结构,其探测响应快、分辨率高、仪器操作简便,在探测巷道前方地质异常和工作面内部断层及陷落柱等方面得到广泛使用。目前现有的瑞利波探测仪普遍存在动态范围窄、功耗高、探测距离较小等缺点,严重影响了瑞利波探测仪的发展和煤矿井下地质构造的探查。基于FPGA控制和Cirrus Logic套片采集,实现了芯片配置和控制,数据采集、传输及存储的要求。重点介绍了控制和采集的工作原理,描述了瑞利波探测仪硬件电路及软件程序设计。通过测试数据试验结果分析,基于FPGA的瑞利波探测仪动态范围宽、探测分辨率高、探测距离大,能够满足煤矿井下超前探、巷道侧帮、顶底板等构造探测应用。

基于RFID技术和FPGA主控模块的智能图书测距系统设计

为了提高用户在书架中搜索、获取目标图书的效率,设计一款基于RFID技术和FPGA主控模块的智能图书测距系统。设计的智能图书测距系统的整体架构由RFID系统、FPGA主控模块和显示模块等3部分组成。重点对RFID系统的组成进行剖析并深度分析,设计出智能图书测距系统的通信框架,并对图书相位差测距原理流程、最小二乘拟合算法和系统测距方法进行阐述。设计智能图书测距系统的指令流程,并采用MATLAB的Simulink进行高度拟合和可视化仿真测试。经过测试得知,系统运行流畅,电子标签测距误差范围较小,为0.1~5.0 cm,能够满足在书架中精确测距、快速发现和获取指定图书的系统设计要求。

基于FPGA的主动隔振载荷检测系统的设计与实现

随着空间精密载荷对星上振动要求的提高,主动隔振载荷在对敏感载荷进行微振动抑制方面的重要性逐渐凸显。为实现低频、小振幅微振动的采集和抑制功能,以满足载荷所需的振动环境要求,本文设计了一个基于FPGA主控板卡和Qt上位机软件的检测系统。通过FPGA控制多路Δ-Σ模数转换器完成微振动信号的同步采集、指令协议的解析、PID控制算法的实现以及驱动控制信号的输出,同时设计了上位机软件实现对遥测信号的实时数显和频谱分析。系统经过集成联调,对主动隔振载荷的实时遥测功能和隔振控制性能进行了测试。结果表明,加速度幅度谱密度积分从1.73×10^(-6) g降至1.41×10^(-7) g,隔振抑制比达到-25 dB,实现了良好的微振动抑制效果,验证了本系统能够满足主动隔振载荷的微振动抑制需求。

基于FPGA的访问控制列表并行查找设计与实现

在高安全要求的网络环境中,多种类型的网络设备均需要部署基于规则的访问控制功能。访问控制列表通过五元组进行规则匹配,实现对网络报文的筛选、过滤、处理、控制等操作。如何利用有限的资源实现更高查表性能、更多规则数量的访问控制列表,是相关设备的关键技术之一。通过分析网络通信设备中访问控制列表的一般工作流程,文章提出了一种改进的基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现的访问控制列表并行查找设计方法,并详细阐述了具体模块的实现方案。实验结果表明,该方案可以充分利用FPGA的存储与逻辑资源,实现较大规模的支持范围匹配的规则表项,并可以支持10 Gpbs速率等级网络通信的查表需求。

基于FPGA的液体火箭发动机控制监测系统研制

随着液体火箭发动机内部结构日益复杂,传统的控制遥测模式难以满足测控需求;针对液体火箭发动机的智能化需求,为实现高效的发动机状态管理和运行参数的实时监测,研制了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的控制监测系统;该系统拥有24路发动机驱动控制能力,具备32路信号同步采集、实时处理与存储能力,能够实现同步RS422总线通讯,并具有HDLC(High-Level Data Link Control)协议数据的编解码能力;实验结果表明,该系统能够对发动机阀门进行驱动控制及发动机状态参数的实时采集,实现基于HDLC协议的数据通讯;以硬件为核心的控制监测系统提高了发动机电器系统的集成性,提升了系统可靠性,为发动机健康管理、故障诊断算法的搭载奠定硬件基础。

基于FPGA的远程直流电机控制系统研究

针对外场试验中运动控制系统实时性与准确性问题,提出了以FPGA为核心的以太网传输电机运动控制系统方案;通过上位机完成对多个直流电机方向、速度、位置等的远程控制,实现了软硬件相结合;采用YT8511/H芯片、RGMII接口和Altera官方IP核搭建了FPGA的高速以太网通信接口,运用三段式状态机实现了UDP通信协议,通过增量式光电编码器完成电机位置反馈,以Verilog硬件描述语言为基础,编写了电机驱动程序和编码器信号处理程序,对系统的通信、输出脉冲以及编码器信号处理进行了实验和仿真;结果表明,系统满足远距离控制需求,定位精度可达0.09°,有较好的移植性。

基于FPGA的时间域航空电磁多波脉冲发射电路控制设计

时间域航空电磁法是航空地球物理领域重要的技术方法,具有大深度探测能力,为实现大探测深度兼顾浅层分辨能力,需要研发一种多波脉冲发射装置,能够同时发射大电流半正弦波和快速关断小峰值电流梯形波。该文利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作为硬件平台,采用硬件描述语言(Verilog),通过脉冲频率调制或脉宽调制方式来精确控制发射电流的波形、频率和脉宽,从而实现数字化控制,产生精度高、可控性强的多路数字驱动信号。与传统的半正弦波发射电路相比,其主波发射脉冲由两个1/4正弦波组成,上升沿和下降沿的时长和陡度可以通过程序独立调节,副波发射脉冲为快速关断沿的小幅值梯形脉冲,通过实测试验验证了该文方法的可行性,能够满足深地与近地表探测的要求。

基于FPGA的矿井瓦斯抽放远程控制系统设计

煤层中含有大量的瓦斯,不仅对煤炭开采造成了巨大的安全隐患,同时直接排放也造成了能源浪费。对A煤矿开采层和采空区的瓦斯吸附常数进行了测定,对A煤矿设立远程瓦斯抽放控制系统的必要性进行了分析,在此基础上提出以FPGA EP3C25为控制核心的系统整体框架,对系统的硬件进行了详细设计,包括FGPA电路、传感器信号电路、采集FLASH存储电路等。最后对系统的远程控制进行了软件设计,并给出了煤矿瓦斯抽放的远程控制界面,提升瓦斯抽放远程控制系统的实时性能。

驱控一体化多轴伺服系统的FPGA设计与实现

传统多轴运动控制系统通常由一个运动控制器加多个伺服驱动器组成,存在占用空间大、信号传输易受干扰、成本高等问题。开发一种以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array:FPGA)和智能功率模块(Intelligent Power Module:IPM)为核心的六轴控制驱动系统。系统驱动模块功能由FPGA和IPM完成,主要包括编码器数据采集、电流采样、矢量控制运算和脉宽调制(Pulse Width Modulation:PWM)信号生成等模块。FPGA中使用硬件描述语言模块化设计系统各模块,并对各模块集成的片上可编程系统(System-on-a-Programmable-Chip:SOPC)中的Nios II软核进行软件编程,结合电机驱动部分实现对六个永磁同步电机的同时驱动控制。最后给出了系统PWM波生成模块、速度环、电流环的实验结果,证明了系统的可行性和实用性。

面向FPGA便捷部署的智能模型预测控制

现场可编程逻辑门阵列(FPGA)具有可编程、易并行化的独特优势,是实现一体化感知、决策、控制最具前景的人工智能芯片之一,但其硬件描述语言(HDL)不易掌握.本文提出了一种基于神经网络的智能MPC及其FPGA便捷部署方法,使用高层次综合(HLS)生成HDL代码,并通过MATLAB-Modelsim联合仿真验证代码功能,可克服人工编写HDL代码的困难,提高控制算法的部署效率.该方法利用了深度神经网络的结构特点和FPGA的并行计算优势,离线训练神经网络在线仅需硬件化正向传播,在低资源占用的同时具有严格计算时间保证.将所提方法分别应用于高速、高维控制系统中,FPGA在环测试验证了其有效性.

基于FPGA的固态硬盘的设计与实现

文中基于FPGA芯片对特殊接口固态硬盘进行设计。在详细介绍固态硬盘控制器硬件设计的基础上,重点介绍固态硬盘控制器的软件设计。在固态硬盘闪存转换层中的地址映射算法中引入哈希表格,并提出一种综合块的有效页数、擦除次数和特殊性的磨损均衡算法,以减少逻辑地址到物理地址的转换时间和磨损均衡过程中有效数据的搬移量。同时,根据流水线的思想,将固态硬盘的读写过程划分为多个子操作,通过不同子操作间的并行处理,改善固态硬盘的读写性能。硬件测试结果表明,哈希表和磨损均衡算法的使用可以显著改善固态硬盘的性能。