韓團(tuán)軍

摘 要： 為了解決無(wú)刷直流電機(jī)控制準(zhǔn)確性低和不穩(wěn)定性問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高精度無(wú)刷直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)，以FPGA作為設(shè)計(jì)的硬件處理平臺(tái)。硬件電路設(shè)計(jì)主要有FPGA外圍電路、驅(qū)動(dòng)電路和位置檢測(cè)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(dòng)態(tài)特性。通過(guò)硬件平臺(tái)驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈沖，同時(shí)縮短了控制時(shí)間，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該設(shè)計(jì)具有一定的工程參考及應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 無(wú)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(lèi)號(hào)： TN710?34; TP237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(wú)刷直流電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制時(shí)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(shí)，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(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高精度無(wú)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(dòng)隨系統(tǒng)狀態(tài)變化而變化的PID算法。運(yùn)用硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)了控制中需要的各個(gè)模塊，在Quartus Ⅱ軟件下對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行驗(yàn)證，最后應(yīng)用FPGA硬件平臺(tái)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)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(shí)縮短了控制時(shí)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(hào)的方式為PWM，此PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)三相全橋式逆變驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)相。三閉環(huán)PID模塊中的位置檢測(cè)信號(hào)通過(guò)間接的計(jì)算可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)電流檢測(cè)和位置檢測(cè)信號(hào)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(guò)串口讀取實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，并與上位機(jī)相連。

2 控制算法的設(shè)計(jì)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(jì)中采用速度檢測(cè)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(xiàn)性調(diào)節(jié)參量。這樣可以使輸出的動(dòng)態(tài)性能提高，同時(shí)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(duì)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(guò)這個(gè)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(shuō)明[7?9]。

三個(gè)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(jì)

設(shè)計(jì)中首先實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的PID控制方法，在其基礎(chǔ)上對(duì)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(guò)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(jì)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(jì)數(shù)模塊、換相模塊等組成。相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)流程如下：

啟動(dòng)程序時(shí)，各模塊先初始化，接著根據(jù)霍爾信號(hào)電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)測(cè)量電流和位置信號(hào);電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，把計(jì)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(jì)算模塊和模塊反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速的電流值通過(guò)速度、電流調(diào)節(jié)器計(jì)算得到;PWM產(chǎn)生頻率一定但是占空比不同的控制量來(lái)控制電機(jī);控制量經(jīng)過(guò)換相模塊產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。設(shè)計(jì)中還設(shè)計(jì)了故障報(bào)警模塊，當(dāng)遇到電源不穩(wěn)定系統(tǒng)則自動(dòng)關(guān)閉。

5 仿真及硬件結(jié)果分析

5.1 仿真驗(yàn)證

設(shè)計(jì)中利用硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)了三環(huán)控制模塊中的位置調(diào)節(jié)模塊以及檢測(cè)模塊，最后對(duì)整體PID模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)生成了PWM模塊。

通過(guò)Quartus Ⅱ軟件可以對(duì)以上各個(gè)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(cè)模塊的仿真波形。

5.2 編程下載硬件分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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(yǔ)言對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行硬件測(cè)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(guò)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?xún)?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(jì)要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了一種高精度無(wú)刷直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)，以FPGA作為設(shè)計(jì)的硬件處理平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)算法進(jìn)行硬件驗(yàn)證，通過(guò)硬件PC口得到的數(shù)據(jù)分析誤差維持在2%以?xún)?nèi)。對(duì)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(guò)程中沒(méi)有明顯的超調(diào)量產(chǎn)生，從圖形可以說(shuō)明設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)效果比較好。同時(shí)，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(dòng)態(tài)特性。該系統(tǒng)具有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

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