Развитие технологии сигма-дельта модуляции для создания в архитектуре ПЛИС ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами

• Автор: Романов, Алексей Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 234 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Системы управления мехатронных модулей на базе ПЛИС
1.1. ПЛИС, как базовый элемент устройств управления мехатронно-модульных систем
1.2. Анализ подходов к оптимизации аппаратно-программного обеспечения устройств управления на базе ПЛИС
1.3. Предварительная оценка перспективности применения сигма-дельта модуляции в устройствах управления на базе ПЛИС
1.4. Задачи диссертационной работы
Выводы по главе
2. Структурная реализация математических операций с сигма-дельта модулированными импульсными потоками
2.1. Кодирование и восстановление информации в сигма-дельта модулированных импульсных потоках
2.2. Исследование особенностей структурной реализации математических операций с сигма-дельта модулированными импульсными потоками
2.2.1. Оценка точности выполнения линейных импульсных математических операций
2.2.2. Особенности реализации и оценка точности выполнения нелинейных импульсных математических операций
2.2.3. Особенности формирования сигма-дельта модулированных импульсных потоков с заданными характеристиками
2.3. Оценка погрешностей, вносимых сигма-дельта модулятором
Выводы по главе
3. Аппаратная реализация импульсных математических операций на
базе сигма-дельта модуляции в архитектуре ПЛИС

3.1. Обеспечение возможности оптимизации аппаратно-программного обеспечения ПЛИС
3.2. Обоснование выбора параметров сигма-дельта модулированных импульсных потоков
3.3. Схемотехнические решения блоков импульсных математических операций с сигма-дельта модулированными потоками
3.3.1. Модуляторы
3.3.2. Базовые математические операции с сигма-дельта модулированными импульсными потоками
3.3.3. Демодуляторы
3.3.4. Сопряжение тракта вычисления импульсных математических операций с объектом управления
3.3.5. Рекомендации по созданию специализированных модулей импульсных математических операций
3.4 Оценка перспективности применения сигма-дельта модуляции в
устройствах управления на базе ПЛИС
Выводы по главе
4. Устройство управления на базе ПЛИС прецизионного
мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа
4.1. Система управления исполнительного уровня прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа
4.2. Методика проектирования в архитектуре ПЛИС устройств
управления на основе сигма-дельта модуляции
4.3. Экспериментальные исследования
Выводы по главе
Заключение
Список сокращений
Список литературы
Приложение

Введение
На сегодняшний день создание устройств управления (УУ) мехатронных систем на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) получило широкое развитие [24, 34, 43, 51]. Технология ПЛИС позволяет реализовать все основные функции системы управления при помощи одной микросхемы. Такой подход обеспечивает существенное улучшение качественных характеристик конечного устройства, добившись уменьшения массогабаритных размеров и снижения энергопотребления. Сокращение числа компонентов на печатной плате в результате использования ПЛИС приводит к увеличению надежности УУ.
Ключевой особенностью микросхем ПЛИС является возможность обновления аппаратного обеспечения путем перепрограммирования на этапе эксплуатации устройств управления (УУ). Это сокращает сроки выхода на рынок новых устройств за счет возможности исправления аппаратных ошибок на поздних этапах проектирования. Возможность реконфигурации аппаратных средств позволяет использовать для реализации различных УУ мехатронных модулей унифицированные печатные платы, что является важным аспектом с точки зрения технологии серийного производства.
Уменьшение ресурсоемкости аппаратно-программного обеспечения (АПО) ПЛИС является одним из важнейших направлений в ходе разработки УУ мехатронных модулей, поскольку позволяет не только сократить энергопотребление и тепловыделение, но и снизить стоимость элементной базы.
На сегодняшний день известно несколько подходов к сокращению ресурсоемкости АПО ПЛИС: алгоритмическая оптимизация (применение
алгоритмов, более эффективных с точки зрения цифровой реализации), повторное использование вычислительных модулей и уменьшение разрядности операндов при реализации математических операций.

и 1/К

Рис. 11. Структурная схема двигателя постоянного тока
Если выходным сигналом является скорость вращения ротора со, то демодулятором является двигатель целиком, как апериодическое звено второго порядка с передаточной функцией:
Если выходным сигналом является ток, то демодулятором является звено имеющее следующую передаточную функцию:
Из приведенного примера видно, что в зависимости от поставленной задачи, даже в рамках одного и того же исполнительного элемента в качестве демодулятора могут выступать фильтры с различными характеристиками, естественно, что и качество выделения информации из ИП в процессе демодуляции также будет разным. Таким образом, корректное сравнение точности работы различных ИМО, которое будет проведено ниже, возможно только при использовании одного и того же демодулятора.