基于FPGA和DMC算法的無葉風扇的設計

黃鶯，陶漢卿

(柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545007)

0 引言

隨著我國城市居民生活水平的不斷提高，人們對風扇的消費需求也發生了明顯的變化。無葉風扇也叫空氣增倍機，它能產生自然持續的涼風，無葉片，不會覆蓋塵土或傷到好奇兒童手指。在無葉風扇的基座中帶有一個40 W直流電機驅動的渦輪風扇，每秒鐘可以將33 L的空氣吸入風扇基座內部，經渦輪風扇增壓后進入風扇上部的環形流道，從1.3 mm寬的切口吹出。由于環形流道獨特的弧度設計，風量被放大15倍左右，無葉風扇可以向前送出大約500 L/s的風量。無葉風扇在多項方面都優于傳統的葉片風扇，而價格卻幾乎與傳統風扇相近，遠遠低于空調的費用，并且以安全、環保、健康、創意、省電、方便、理想、舒適和價廉等優點，占領了市場，成為了人們的首選。

1 電路總體設計

系統可以通過無葉風扇控制器前面板的按鍵，實現無葉風扇的氣壓(風量)大小設定和起動停止控制功能，按“上升鍵”或“下降鍵”可以設定無葉風扇氣壓的大小，設定值在數碼管上顯示，每按一次按鍵，增加或減小10 Pa氣壓值，設定范圍從0 Pa到400 Pa;按“啟動鍵”可實現無葉風扇的起動功能，“停止鍵”可實現無葉風扇的停止功能。無葉風扇運行時實際輸出的氣壓實行閉環控制，跟隨設定的氣壓。實際的氣壓值在數碼管上顯示。按停止鍵后無葉風扇停止運行，氣壓設定值保持不變。

根據系統任務的要求，無葉風扇控制器由氣壓傳感器、信號放大電路、AD轉換電路、FPGA控制電路、數碼顯示與鍵盤電路和電機驅動電路等組成。氣壓檢測采用MPXV7002集成硅壓傳感器、FPGA控制部分采用Xinlinx公司的XC6SLX9－TQG144為主控芯片，AD轉換采用I2C通訊接口的4路12位轉換芯片AD7991，數碼管顯示和鍵盤由FPGA直接控制，電機驅動采用脈寬調制控制。具體的電路框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 硬件設計

2.1 處理器

系統中的FPGA控制部分采用Xinlinx公司的XC6SLX9－TQG144。該芯片是Xilinx(賽靈思)Spartan系列產品之一，具有低成本、低風險、低功耗以及高性能的特點。Spartan－6 FPGA系列的高效雙寄存器6輸入LUT(查找表)邏輯結構利用了可靠成熟的Virtex架構，支持跨平臺兼容性以及優化系統性能，具有豐富的內建系統級模塊，包括DSP邏輯片、高速收發器以及PCI Express?接口內核，提供更高程度的系統級集成，使得設計非常簡單和直接。

2.2 顯示電路

雖然由于單片機等CPU的數據/地址/控制總線端口都有一定的負載能力，如果負載超過其負載能力，一般應加驅動器。74HC245是一款高速CMOS器件，可充當一個8輸出多路分配器，可應用于要求傳輸延遲時間短的數據傳輸系統和高性能存貯器系統中，提高譯碼系統的效率。具體顯示電路如圖2所示。

圖2 數碼管顯示電路圖

2.3 按鍵電路

根據題目的需要，需要設置四個按鍵，其作用分別為“上升鍵”、“下降鍵”、“啟動鍵”和“停止鍵”。按鍵采用的是獨立式的按鍵輸入，電路簡單，實現方便。具體電路如圖3所示。

2.4 氣壓電路

傳感器采用摩托羅拉公司的高性能擴散硅壓力傳感器MPXV7200DP，并通過專門的保護支座安裝在線路板上。處理電路采用由運算放大器構成的兩級放大電路實現對信號的調整、放大。該模塊可用DC 12 V供電，輸出為模擬量信號，然后接入AD轉換進行轉換。具體電路如圖4所示。

圖3 按鍵電路圖

圖4 氣壓傳感器電路處理圖

2.5 AD轉換電路

AD7991是12位、低功耗、轉換速度快、4個模擬輸入通道的AD轉換器，工作電壓2.7 V～5.5 V，提供2線串行接口，兼容I2C接口。AD7991芯片的I2C必須接上位電阻，每通道輸入電壓范圍0～VDD。具體電路如圖5所示。

2.6 電機電路

TLP521是可控制的光電藕合器件，主要是應用電路之間的信號傳輸，使之前端與負載完全隔離，增加安全性，減小電路干擾，簡化電路設計。D3和D5主要是起到保護的作用。具體電路如圖6所示。

3 軟件設計

3.1 控制策略算法

無葉風扇運行時實際輸出的氣壓應閉環控制，能隨設定的氣壓變化而變化。采用DMC算法能更好實現氣壓的控制，此算法具有良好的跟蹤性能和較強的魯棒性［1］，近年來在工業過程控制領域中得到廣泛重視和應用的一類預測控制算法［2－3］。DMC算法是基于被控對象單位階躍響應非參數模型的預測控制算法。通過反饋校正和滾動優化當前和未來時刻的控制量，使得輸出響應符合預先設定的軌跡。DMC算法包括3個部分:預測模型、滾動優化、反饋校正［4］。在實際過程中，根據控制要求的側重點，選擇合適參數向量，兼顧魯棒性和抗干擾性的要求［5］。DMC算法容易由高級語言實現［6］。DMC算法的FPGA實現過程如下:

第一步:初始化參數，比如采樣時間周期Ts，預測步長P，控制步長M，截斷步長N，控制量最大值umax，參考軌跡參數a，誤差加權矩陣Q，調整控制加權矩陣系數、輸出預測值Yr。

第二步:對被測的電壓進行測定，將采樣的電壓送入預測模型參數Yr，計算期望的輸出值。

第三步:計算偏移控制量Δu(k)，不斷地疊加到系統中，用于校正輸出值，使系統在未來P個時刻的輸出值盡可能接近期望值。

第四步:把檢測氣壓的實際值與模型預測輸出值進行比較，計算誤差值e(k+1)，使用對e(k+1)加偏移的方式進行修正，構成了閉環優化。

第五步:輸出期望值。然后跳轉第二步，依次循環，直到符合要求。

3.2 氣壓與電壓關系

本設計中采用的是無葉風扇的套件。由于風速與氣壓存在一定關系，風速大，氣壓就大，反之，風速小，氣壓就小。在無葉風扇的環形流道上增加了氣壓監測孔，連接氣壓傳感器和U型壓力計，氣壓傳感器用于氣壓反饋，在使用過程中使用U型壓力計用于氣壓標定。氣壓傳感器輸出的是電壓信號。因此，檢測出電壓值就可根據關系曲線求出氣壓。使用氣壓傳感器檢測氣壓，通過由運放構成的兩級放大電路實現對信號的放大、調理，送入FPGA進行處理。通過測定氣壓與電壓關系如公式(1)所示:

公式中，取Vs=5 V，取放大倍數為8，經過差分放大后，輸出電壓與壓強關系:當Kpa=500 Pa時，Vout=4 V。

4 系統程序流程

系統軟件采用結構化模塊設計。主程序包括初始化、按鍵輸入檢測程序、數碼管顯示程序和電壓的采集和處理程序等。具體流程如圖7所示。

5 產品調試

5.1 算法仿真測試

使用MATLAB軟件對算法的效果進行仿真。MATLAB軟件提供了一系列的函數，比如模型預測控制器設計仿真工具、模型建立和轉換等，可以很容易對已知被控參數進行預測分析和研究。本系統中，經反復驗證修改，取采樣時間周期Ts=1 s，預測步長P=20，控制步長M=4，截斷步長N=100，控制量最大值umax=400，參考軌跡參數a=0.4，誤差加權矩陣為單位矩陣，調整控制加權矩陣系數。

具體的實驗數據波形如圖8和圖9所示。圖8是設置輸入氣壓為300 Pa時輸出氣壓與時間關系曲線，圖9是設置輸入氣壓為100 Pa時輸出氣壓與時間關系曲線。氣壓跟蹤過程迅速穩定，定點量準確，說明DMC算法對快速跟蹤設置的氣壓，可獲得良好的控制效果和性能。

圖7 控制系統軟件流程圖

圖8 輸入氣壓=300 Pa，輸出氣壓與時間關系曲線

圖9 輸入氣壓=100 Pa，輸出氣壓與時間關系曲線

5.2 無葉風扇成品的測試

產品焊接調試好后，檢查連線無誤，接上電源，對產品進行了實驗。按下“啟動鍵”可以啟動無葉風扇，按下“停止鍵”可以實現無葉風扇的停止。通過“上升鍵”和“下降鍵”可以調整輸出無葉風扇的氣壓，同時在數碼管上可以正常顯示調整的氣壓。通過“上升鍵”把設定值設置為100 Pa和300 Pa，通過觀察數碼管可以顯示實際的氣壓值，記下從開始到輸出設定值所需要的時間大概是6～7 s，然后數值一直保持在設置值，直到新的設定值被重新設置。通過“上升鍵”和“下降鍵”把氣壓設置為0～400 Pa范圍，輸出氣壓都能跟隨設定的氣壓變化，所需時間都在8 s以內。測試結果說明，氣壓跟蹤過程迅速穩定，定點準確快速，使用DMC算法可獲得良好的控制效果和性能。

6 總結

針對現在市場上流行的無葉風扇，本文介紹了無葉風扇的硬件和軟件設計，并闡述DMC算法在無葉風扇中對風速的控制。風扇風速能快速跟蹤設置的風速，具有較好的穩定性和準確性。此方法也可以加以修改應用于其它類似的產品中去。今后的工作，要對DMC算法進一步改進，或者編寫自己的算法，通過對多參數的共同控制，達到快速控制輸出氣壓的效果。

［1］吳夏來，戴文戰.一種改進的廣義預測算法及其在三容液位控制中的應用［J］.浙江理工大學學報，2010，27(5):729－732.

［2］馬文學，鐘漢樞.動態矩陣控制研究進展及其應用現狀［J］.重慶工業高等?？茖W校學報，2005，20(1):49－52.

［3］周福恩，畢效輝.動態矩陣預測控制算法在過程控制中的應用研究［J］.南通航運職業技術學院學報，2005，4(1):43－45.

［4］潘春月，余劍敏.動態矩陣控制算法的電磁振動定量給料控制系統［J］.輕工機械，2008，26(2):102－104.

［5］劉桂英，杭進.動態矩陣控制在電阻爐溫度控制系統中的應用［J］.北華大學學報(自然科學版)，2009，10(3):285－288.

［6］楊俊，馬姝姝.基于PLC的動態矩陣控制算法實現［J］.工業儀表與自動化裝置，2008(4):68－70.