高精度無刷直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的研究及FPGA實(shí)現(xiàn)

韓團(tuán)軍

摘 要： 為了解決無刷直流電機(jī)控制準(zhǔn)確性低和不穩(wěn)定性問題，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種高精度無刷直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)，以FPGA作為設(shè)計的硬件處理平臺。硬件電路設(shè)計主要有FPGA外圍電路、驅(qū)動電路和位置檢測電路。實(shí)現(xiàn)了一種新的參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制算法的閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件，該算法能有效提高電機(jī)的控制能力和增強(qiáng)其動態(tài)特性。通過硬件平臺驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈沖，同時縮短了控制時間，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該設(shè)計具有一定的工程參考及應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 無刷直流電機(jī); 模糊控制; FPGA; 模糊PID; 閉環(huán)控制; 轉(zhuǎn)矩脈沖抑制

中圖分類號： TN710?34; TP237 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0175?04

Abstract： In order to improve control accuracy and stability of the brushless DC motor， a high?precision fuzzy control system of brushless DC motor was designed， in which FPGA is taken as the hardware processing platform. The hardware circuits including the FPGA peripheral circuit， driving circuit and position detection circuit were designed. The hardware of the closed?loop control system of the new parameter adaptive fuzzy PID control algorithm was implemented. The algorithm can improve the control ability and dynamic characteristic of the motor effectively. The verification results of hardware platform show that the system can suppress the torque pulses effectively， shorten the control time， and improve the system stability. The design has a certain engineering reference and application value.

Keywords： brushless DC motor; fuzzy control; FPGA; fuzzy PID; closed?loop control; torque pulse restraint

0 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，無刷直流電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，人們對無刷直流電機(jī)的控制時間和精度提出了更高的要求。傳統(tǒng)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)集成度低、硬件資源消耗較大，而且易受外界環(huán)境影響，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。同時，常規(guī)的PID控制算法參數(shù)比較固定、控制精度也不高[1?3]。

根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)的需要，本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種高精度無刷直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)，控制器采用體積小而且能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的FPGA芯片，控制算法采用一種新的參數(shù)自動隨系統(tǒng)狀態(tài)變化而變化的PID算法。運(yùn)用硬件語言設(shè)計了控制中需要的各個模塊，在Quartus Ⅱ軟件下對各個模塊進(jìn)行驗(yàn)證，最后應(yīng)用FPGA硬件平臺對無刷直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)能夠有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈沖，同時縮短了控制時間，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

1 直流電機(jī)硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該直流電機(jī)硬件控制電路主要由FPGA控制器、通信模塊、逆變模塊、三閉環(huán)控制模塊等電路組成。整體的硬件系統(tǒng)如圖1所示。

圖1中FPGA控制器輸出控制信號的方式為PWM，此PWM信號驅(qū)動三相全橋式逆變驅(qū)動電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)相。三閉環(huán)PID模塊中的位置檢測信號通過間接的計算可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過電流檢測和位置檢測信號以負(fù)反饋的方式接入去控制PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。通信模塊通過串口讀取實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)動參數(shù)，并與上位機(jī)相連。

2 控制算法的設(shè)計與選擇

根據(jù)相關(guān)原理分析傳統(tǒng)控制算法的缺點(diǎn)，設(shè)計中采用速度檢測電路雙閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)。算法上采用模糊自定義PID。這種控制方法是把常規(guī)PID算法和智能模糊控制算法相結(jié)合的一種全新算法[5?6]。系統(tǒng)可以智能地線性調(diào)節(jié)參量。這樣可以使輸出的動態(tài)性能提高，同時可以增強(qiáng)抗干擾能力。

自定義模糊算法的PID模式框圖如圖2所示。

模糊自定義PID采用的模式為兩輸入三輸出，輸入為誤差變化率[ec]和誤差[e，]輸出為[Δkd，Δki，Δkp。]采用重心法可以對輸出參量進(jìn)行模糊化處理，重心法可以使微小的輸入變化都可在輸出有較大變化，通過這個變化可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度提高，模糊控制規(guī)則表在文獻(xiàn)[1]中已經(jīng)有詳細(xì)的說明[7?9]。

三個參量決定的PID輸出公式為：

3 參數(shù)自定義模糊自適應(yīng)PID的軟件設(shè)計

設(shè)計中首先實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的PID控制方法，在其基礎(chǔ)上對參數(shù)進(jìn)行模糊化，最終模糊自整定PID參數(shù)，[Δkp，][Δki，Δkd]通過查表法獲得，把查表得到的值與上一次的[kp，ki，kd]參數(shù)值進(jìn)行相加即可得到實(shí)際需要控制的PID參數(shù)，自定義模糊自適應(yīng)PID軟件流程圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)的FPGA設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)直流電機(jī)系統(tǒng)分析，基于FPGA控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)采用模塊化編程。整體模塊主要由PWM生成模塊、PID模塊、A/D采樣模塊、轉(zhuǎn)速計數(shù)模塊、換相模塊等組成。相應(yīng)的硬件設(shè)計流程如下：

啟動程序時，各模塊先初始化，接著根據(jù)霍爾信號電機(jī)啟動，同時測量電流和位置信號;電機(jī)轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)速計算模塊對電機(jī)的速度進(jìn)行實(shí)時計算，把計算結(jié)果送入雙閉環(huán)控制回路;控制模塊的控制量是由接收轉(zhuǎn)速計算模塊和模塊反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速的電流值通過速度、電流調(diào)節(jié)器計算得到;PWM產(chǎn)生頻率一定但是占空比不同的控制量來控制電機(jī);控制量經(jīng)過換相模塊產(chǎn)生控制信號驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到對電機(jī)的閉環(huán)控制。設(shè)計中還設(shè)計了故障報警模塊，當(dāng)遇到電源不穩(wěn)定系統(tǒng)則自動關(guān)閉。

5 仿真及硬件結(jié)果分析

5.1 仿真驗(yàn)證

設(shè)計中利用硬件語言設(shè)計了三環(huán)控制模塊中的位置調(diào)節(jié)模塊以及檢測模塊，最后對整體PID模塊進(jìn)行設(shè)計，同時生成了PWM模塊。

通過Quartus Ⅱ軟件可以對以上各個模塊進(jìn)行仿真得到不同模塊波形。圖4為位置采樣控制模塊的仿真波形，圖5為速度檢測模塊的仿真波形。

5.2 編程下載硬件分析

系統(tǒng)設(shè)計中控制芯片選用Altera的CycloneIIIEP3C55F484C8可編程邏輯器件作為核心處理芯片，這個芯片內(nèi)部資源比較大，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)制算法控制系統(tǒng)，在軟件工具QuartusⅡ環(huán)境下應(yīng)用VHDL語言對各個模塊進(jìn)行設(shè)計實(shí)現(xiàn)。

對整個系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行硬件測試，得到不同轉(zhuǎn)速下的PWM波形如圖6，圖7所示，可以看出輸出結(jié)果比較穩(wěn)定。

通過數(shù)據(jù)與圖形分析得到，自定義算法在電機(jī)控制中輸出在0.2以內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)定輸出而且超調(diào)量和誤差輸出較小，系統(tǒng)有很好的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能，達(dá)到了工業(yè)設(shè)計要求。

6 結(jié) 語

本文實(shí)現(xiàn)了一種高精度無刷直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)，以FPGA作為設(shè)計的硬件處理平臺對系統(tǒng)算法進(jìn)行硬件驗(yàn)證，通過硬件PC口得到的數(shù)據(jù)分析誤差維持在2%以內(nèi)。對PC口的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形分析可以直觀地看到系統(tǒng)在控制過程中沒有明顯的超調(diào)量產(chǎn)生，從圖形可以說明設(shè)計的控制系統(tǒng)效果比較好。同時，驗(yàn)證了自定義算法提高了控制器的控制能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和動態(tài)特性。該系統(tǒng)具有一定的工業(yè)應(yīng)用價值。

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