Введение к работе
Актуальность. В последние годы программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) находит все более широкое применение в устройствах управления, в частности, в робототехнических и мехатронных системах. По мере повышения степени автономности таких систем возрастает сложность задач и объем вычислений на верхних уровнях иерархии управления (тактическом и стратегическом) и, соответственно, возникает необходимость перераспределения ресурсов или уменьшения ресурсоемкости нижнего (исполнительного) уровня. В данной работе предлагается новый подход к построению устройств управления исполнительными подсистемами на базе ПЛИС, основанный на применении сигма-дельта модуляции (СДМ).
На сегодняшний день известно несколько подходов к сокращению ресурсоемкости аппаратно-программного обеспечения (АПО) ПЛИС: алгоритмическая оптимизация (применение алгоритмов, более эффективных с точки зрения цифровой реализации), повторное использование вычислительных модулей и уменьшение разрядности операндов математических операций.
Первый метод является неуниверсальным и требует индивидуального подхода к решению каждой задачи, а второй приводит к увеличению транспортных задержек внутри ПЛИС и не позволяет достигнуть параллелизма вычислений, что снижает быстродействие.
В 1972 г. Локхарт (Lockhart) предложил подход к эффективной аппаратной реализации вычислений на основе частотных методов, использующий представление сигналов в форме сигма-дельта модуляции. Существенный вклад в развитие данной технологии внесли работы Н. Коувараса (Kouvaras) и его коллег. В 1978 г. они предложили полностью цифровую схему сумматора для сигма-дельта модулированных сигналов и показали эффективность его аппаратной реализации. В период 80-х и 90-х годов были опубликованы работы, посвящённые реализации операций непосредственно над сигналами с импульсной модуляцией (сигма-дельта, ЧИМ, ШИМ) для решения задач создания искусственных нейронных сетей и цифровой фильтрации аудиосигналов.
В начале XXI века появляются работы, посвящённые использованию сигма-дельта модуляции для организации вычислений
на базе ПЛИС. В них обоснована эффективность аппаратной реализации вычислений на основе сигма-дельта модуляции за счет уменьшения разрядности операндов. Кроме того, отмечены преимущества, связанные с малыми транспортными задержками. Эти работы показали перспективность использования сигма-дельта модуляции для сокращения ресурсоемкости математических операций при реализации их на ПЛИС, а, следовательно, возможность реализации ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами.
Известным ограничением применения методов организации вычислений, основанных на частотном представлении сигналов, является необходимость последующей низкочастотной фильтрации импульсных потоков (ИП) для получения результата в форме импульсно-кодово-модулированных сигналов. При использовании сигма-дельта модуляции в устройствах управления приводами мехатронных систем это ограничение не является существенным, так как результат вычислений управляющего сигнала, в конечном счёте, поступает на вход исполнительного двигателя, который, как правило, является фильтром низких частот.
Предметом исследования данной работы являются сигма-дельта модулированные информационные потоки, схемотехнические решения, обеспечение точности выполнения импульсных математических операций, обоснование возможности создания ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами в архитектуре ПЛИС.
Объектом исследования являются устройства управления исполнительного уровня мехатронно-модульных систем на базе ПЛИС.
Целью работы является разработка новой технологии проектирования с использованием сигма-дельта модуляции, обеспечивающей уменьшение ресурсоемкости аппаратно-программного обеспечения устройств управления, реализуемых в архитектуре ПЛИС.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
разработать подходы к реализации различных математических операций на основе сигма-дельта модуляции;
-
определить структуры и параметры сигма-дельта модуляторов, наиболее эффективных для реализации блоков,
выполняющих математические операции сложения, умножения, возведения в квадрат, интегрирования, нахождения синуса и косинуса и т.п.;
-
исследовать точность представления и преобразования сигма-дельта модулированных сигналов при реализации математических операций;
-
разработать методику проектирования в архитектуре ПЛИС устройств управления на основе сигма-дельта модуляции, обеспечивающую уменьшение ресурсоемкости АПО ПЛИС;
-
реализовать на базе предложенных схемотехнических решений и методики проектирования на базе ПЛИС устройство управления прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа.
Методы исследования: математический анализ, теория автоматического управления, математическое моделирование, статистический анализ, компьютерное моделирование, синтез аппаратно-программного обеспечения ПЛИС.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
обоснование перспективности реализации математических операций на основе применения сигма-дельта модуляции операндов;
-
теоретическое обоснование выбора параметров сигма-дельта модуляции, обеспечивающих выполнение математических операций с заданной точностью;
-
схемотехническая реализация блоков математических операций с сигма-дельта модулированными сигналами в ПЛИС;
-
методика проектирования в архитектуре ПЛИС устройств управления на основе сигма-дельта модуляции, обеспечивающая уменьшение ресурсоемкости АПО ПЛИС;
-
реализация системы управления прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа на базе технологии сигма-дельта модуляции, предложенных схемотехнических решений и методики проектирования в архитектуре ПЛИС.
Научная новизна результатов:
1. исследованы особенности реализации блоков математических операции на базе сигма-дельта модуляции и обоснована их структура, доказана возможность настройки параметров сигма-дельта модуляторов, обеспечивающих выполнение математических операций с заданной точностью;
-
получены аналитические зависимости точности реализации нелинейных математических операций (умножения, извлечения квадратного корня, синусно-косинусного преобразования) от параметров демодуляции входных операндов;
-
предложены критерии обоснованного выбора частоты, разрядности и способа кодирования импульсных потоков, участвующих в реализации математических операций;
-
предложены схемотехнические решения сигма-дельта модуляторов, цифровых демодуляторов, блоков математических операций: сложения, умножения на константу и интегрирования, обеспечивающих уменьшение ресурсоемкости при реализации устройств управления на ПЛИС.
Работоспособность и эффективность предложенных решений подтверждена результатами компьютерного моделирования и экспериментальных исследований на макетном образце системы управления прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства наведения телескопа.
Достоверность исследования подтверждается использованием апробированного математического аппарата; результатами математического и компьютерного моделирования в пакете MATLAB; экспериментальными результатами, полученными на реальных образцах устройств управления мехатронных модулей.
Практическая значимость диссертации:
-
предложены способ кодирования СДМ сигналов и принципы проектирования HDL-модулей АПО ПЛИС системы управления, обеспечивающие унификацию и удобную взаимную коммутацию блоков импульсных математических операций над сигма-дельта модулированными импульсными потоками различной разрядности, а также возможность на этапе отладки повышать точность вычислений без изменения HDL-кода;
-
разработана методика проектирования в архитектуре ПЛИС устройств управления на основе сигма-дельта модуляции, которая обеспечивает уменьшение ресурсоемкости АПО ПЛИС;
-
разработаны высокоэффективные с точки зрения ресурсоемкости схемотехнические решения основных элементов, необходимых для реализации на базе ПЛИС систем управления исполнительного уровня. Использование технологии сигма-дельта модуляции в устройствах управления, позволило добиться не только уменьшения ресурсоемкости АПО ПЛИС на 35% - 93%, но и
сокращения транспортных задержек, обеспечив потенциальную возможность увеличения частоты работы ПЛИС в 1.2-18.9 раз;
4. на основе предложенных схемотехнических решений и методики проектирования АПО ПЛИС разработано, исследовано и внедрено устройство управления исполнительного уровня прецизионной мехатронно-модульной опорно-поворотной системы наведения телескопа. Использование сигма-дельта модуляции и соответствующих структурных изменений в системе управления, реализованной на ПЛИС Xilinx Spartan 3E, позволило увеличить скорость, ускорение и динамическую точность слежения опорно-поворотного устройства телескопа в 2 раза без изменения аппаратных средств стойки управления.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены:
-
при разработке прецизионного двух-координатного электропривода опорно-поворотного устройства телескопа в рамках НИР ОКБ МГТУ МИРЭА;
-
в учебный процесс на кафедре «Проблемы управления» МГТУ МИРЭА при создании лабораторного практикума по курсам «Электрический привод мехатронных систем» и «Микропроцессорные устройства управления роботов и их программное обеспечение и микропроцессорная техника».
Соответствующие акты о внедрении приведены в Приложении.
Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях: «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 2007 г.; «Научно-техническая конференция МИРЭА», Москва 2008 г.; «Перспективные системы и задачи управления», Домбай 2009 г.; «Инновационные подходы к развитию вооружения, военной и специальной техники», Москва 2010 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных работах, в том числе в 4 статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.
Структура и объем диссертации.
