高精度無刷直流電機模糊控制系統的研究及FPGA實現

韓團軍

摘 要： 為了解決無刷直流電機控制準確性低和不穩定性問題，設計實現了一種高精度無刷直流電機模糊控制系統，以FPGA作為設計的硬件處理平臺。硬件電路設計主要有FPGA外圍電路、驅動電路和位置檢測電路。實現了一種新的參數自適應模糊PID控制算法的閉環控制系統的硬件，該算法能有效提高電機的控制能力和增強其動態特性。通過硬件平臺驗證該系統能夠有效地抑制轉矩脈沖，同時縮短了控制時間，提高了系統的穩定性。該設計具有一定的工程參考及應用價值。

關鍵詞： 無刷直流電機; 模糊控制; FPGA; 模糊PID; 閉環控制; 轉矩脈沖抑制

中圖分類號： TN710?34; TP237 文獻標識碼： 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

隨著工業技術的不斷發展，無刷直流電機在工業中的應用越來越廣泛，人們對無刷直流電機的控制時間和精度提出了更高的要求。傳統的直流電機控制系統集成度低、硬件資源消耗較大，而且易受外界環境影響，難以實現復雜的算法。同時，常規的PID控制算法參數比較固定、控制精度也不高[1?3]。

根據現代工業的需要，本文設計實現了一種高精度無刷直流電機模糊控制系統，控制器采用體積小而且能實現復雜算法的FPGA芯片，控制算法采用一種新的參數自動隨系統狀態變化而變化的PID算法。運用硬件語言設計了控制中需要的各個模塊，在Quartus Ⅱ軟件下對各個模塊進行驗證，最后應用FPGA硬件平臺對無刷直流電機模糊控制系統進行驗證。通過實驗數據分析，該系統能夠有效地抑制轉矩脈沖，同時縮短了控制時間，提高了系統的穩定性[4]。

1 直流電機硬件控制系統結構

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

圖1中FPGA控制器輸出控制信號的方式為PWM，此PWM信號驅動三相全橋式逆變驅動電路控制電機的轉相。三閉環PID模塊中的位置檢測信號通過間接的計算可以得到電機的轉速。通過電流檢測和位置檢測信號以負反饋的方式接入去控制PWM的占空比，實現直流電機轉速的精確控制。通信模塊通過串口讀取實際電機轉動參數，并與上位機相連。

2 控制算法的設計與選擇

根據相關原理分析傳統控制算法的缺點，設計中采用速度檢測電路雙閉環的反饋控制系統。算法上采用模糊自定義PID。這種控制方法是把常規PID算法和智能模糊控制算法相結合的一種全新算法[5?6]。系統可以智能地線性調節參量。這樣可以使輸出的動態性能提高，同時可以增強抗干擾能力。

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的穩定性和靈敏度提高，模糊控制規則表在文獻[1]中已經有詳細的說明[7?9]。

三個參量決定的PID輸出公式為：

3 參數自定義模糊自適應PID的軟件設計

設計中首先實現傳統的PID控制方法，在其基礎上對參數進行模糊化，最終模糊自整定PID參數，[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]參數值進行相加即可得到實際需要控制的PID參數，自定義模糊自適應PID軟件流程圖如圖3所示。

4 系統的FPGA設計與實現

根據直流電機系統分析，基于FPGA控制系統的總體結構采用模塊化編程。整體模塊主要由PWM生成模塊、PID模塊、A/D采樣模塊、轉速計數模塊、換相模塊等組成。相應的硬件設計流程如下：

啟動程序時，各模塊先初始化，接著根據霍爾信號電機啟動，同時測量電流和位置信號;電機轉動時，轉速計算模塊對電機的速度進行實時計算，把計算結果送入雙閉環控制回路;控制模塊的控制量是由接收轉速計算模塊和模塊反饋的電機轉速的電流值通過速度、電流調節器計算得到;PWM產生頻率一定但是占空比不同的控制量來控制電機;控制量經過換相模塊產生控制信號驅動電機旋轉，達到對電機的閉環控制。設計中還設計了故障報警模塊，當遇到電源不穩定系統則自動關閉。

5 仿真及硬件結果分析

5.1 仿真驗證

設計中利用硬件語言設計了三環控制模塊中的位置調節模塊以及檢測模塊，最后對整體PID模塊進行設計，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

系統設計中控制芯片選用Altera的CycloneIIIEP3C55F484C8可編程邏輯器件作為核心處理芯片，這個芯片內部資源比較大，可以實現復制算法控制系統，在軟件工具QuartusⅡ環境下應用VHDL語言對各個模塊進行設計實現。

對整個系統設計進行硬件測試，得到不同轉速下的PWM波形如圖6，圖7所示，可以看出輸出結果比較穩定。

通過數據與圖形分析得到，自定義算法在電機控制中輸出在0.2以內可以達到穩定輸出而且超調量和誤差輸出較小，系統有很好的電機轉速控制功能，達到了工業設計要求。

6 結 語

本文實現了一種高精度無刷直流電機模糊控制系統，以FPGA作為設計的硬件處理平臺對系統算法進行硬件驗證，通過硬件PC口得到的數據分析誤差維持在2%以內。對PC口的數據進行圖形分析可以直觀地看到系統在控制過程中沒有明顯的超調量產生，從圖形可以說明設計的控制系統效果比較好。同時，驗證了自定義算法提高了控制器的控制能力，增強了系統的抗干擾能力和動態特性。該系統具有一定的工業應用價值。

參考文獻

[1] 徐林，關天一，劉少華.基于FPGA的仿真與控制一體化實驗系統[J].控制工程，2013，20（4）：726?729.

XU Lin， GUAN Tianyi， LIU Shaohua. Design of the integrated simulation and control experimental system based on FPGA [J]. Control engineering， 2013， 20（4）： 726?729.

[2] 張春杰，譚振偉，李娜.基于FPGA的快速中頻自動增益控制系統[J].控制工程，2013，20（5）：966?969.

ZHANG Chunjie， TAN Zhenwei， LI Na. Fast IF automatic gain control system based on FPGA [J]. Control engineering， 2013， 20（5）： 966?969.

[3] 桂春勝，陳萬米，劉軍江，等.基于Nios Ⅱ的直流電機控制系統設計[J].計算機技術與發展，2011，21（8）：157?160.

GUI Chunsheng， CHEN Wanmi， LIU Junjiang， et al. Designing of DC motor control system based on Nios Ⅱ [J]. Computer technology and development， 2011， 21（8）： 157?160.

[4] 黃慶，黃守道，陳澤遠，等.不對稱電壓下PWM整流器的變結構自抗擾控制[J].電機與控制學報，2014，18（1）：50?55.

HUANG Qing， HUANG Shoudao， CHEN Zeyuan， et al. Variable structure ADRC control of pulse width modulation rectifier under asymmetrical input voltages [J]. Electric machines and control， 2014， 18（1）： 50?55.

[5] 虎恩典，胡時高，劉勇，等.模糊PID控制在鎂粉壓制系統中的應用[J].控制工程，2014，21（3）：361?364.

HU Endian， HU Shigao， LIU Yong， et al. Application of fuzzy PID control in the magnesium powder pressing [J]. Control engineering， 2014， 21（3）： 361?364.

[6] 薛萍，王海超，侯娟娟.基于FPGA的無刷直流電機控制系統的研究[J].控制工程，2012，19（z1）：26?30.

XUE Ping， WANG Haichao， HOU Juanjuan. Brushless DC motor control system based on FPGA research [J]. Control engineering， 2012， 19（S1）： 26?30.

[7] 張志剛，黃守道，任光法.多電源輸出發電機系統中PWM整流控制策略研究[J].電機與控制學報，2005（4）：387?391.

ZHANG Zhigang， HUANG Shoudao， REN Guangfa. The research on PWM rectifier control strategy in multi?power [J]. Electric machines and control， 2005（4）： 387?391.

[8] 殷帥，呂彩琴，馬鐵華.抑制無刷直流電機換相轉矩脈動的新型電流控制[J].電機與控制學報，2015，19（8）：47?52.

YIN Shuai， L? Caiqin， MA Tiehua. A novel control scheme to suppress the commutation torque ripple in BLDCM [J]. Electric machines and control， 2015， 19（8）： 47?52.

[9] 李自成，尹周平，熊有倫.無刷直流電機換相轉矩脈動分析及抑制[J].華中科技大學學報（自然科學版），2012，40（z2）：74?78.

LI Zicheng， YIN Zhouping， XIONG Youlun. Analysis and reduction of torque ripple in brushless DC motors [J]. Journal of Huazhong University of Science & Technology （natural science edition）， 2012， 40（S2）： 74?78.