CN104201946A - 基于fpga的无刷直流电动机模糊pi控制器 - Google Patents

Abstract

基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器，属于电机控制技术领域。本发明是为了解决现有无刷直流电机采用模糊自适应PID算法进行电机控制，由于PID算法执行速度慢，造成对电机的控制滞后的问题。它的滤波模块对霍尔位置信号进行滤波后传递给转速计算模块；转速计算模块实时计算获得电机转速反馈信号，转速模糊PI调节模块计算获得电流调节给定信号；电流PI调节模块采用传统PI算法对电动机的电流进行调制，获得PWM调制信号，并传递给PWM调制及换相模块；PWM调制及换相模块将换相信号和PWM调制信号传递给功率及驱动模块，实现对无刷直流电动机的驱动。本发明用于无刷直流电动机的控制。

Description

基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器

技术领域

本发明涉及基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器，属于电机控制技术领域。

背景技术

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。一直以来无刷直流电机以其结构简单、机械特性好及调速特性好等优点广泛应用于汽车、电动车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等领域。传统的无刷直流电机控制器多以单片机或DSP为主控芯片，其软件实现的特点带来了诸多缺陷：

(1)在实际生产中，电机控制系统中往往会出现尖峰脉冲，使软件控制器，如DSP或单片机受到干扰，出现程序跑飞的现象，直接影响系统的可靠性。

(2)由于软件控制器顺序执行的特点，其执行速度不够理想，导致系统的控制精度有限。

(3)传统控制器使用较多主控芯片之外的分立元件，导致系统集成度较低，使控制器体积较大，导致应用受限。

(4)传统的软件控制器可拓展性较差，很难实现电机的并行控制。

随着电子设计自动化EDA技术的不断发展，FPGA也越来越多的应用到工业控制领域中。相比于DSP和单片机，FPGA有着诸多优势：

(1)FPGA运行速度快。FPGA内部集成锁相环，可以把外部时钟倍频，核心频率可以到几百M，而单片机运行速度低的多。在高速场合，单片机无法代替FPGA。

(2)FPGA管脚多，容易实现大规模系统。单片机IO口有限，而FPGA动辄数百IO，可以方便连接外设。比如一个系统有多路AD/DA，单片机要进行仔细的资源分配，总线隔离，而FPGA由于丰富的IO资源，可以很容易用不同IO连接各外设。

(3)FPGA内部程序并行运行，有处理更复杂功能的能力。单片机程序是串行执行的，执行完一条才能执行下一条，在处理突发事件时只能调用有限的中断资源；而FPGA不同逻辑可以并行执行，可以同时处理不同任务，这就使FPGA工作更有效率。

(4)FPGA有大量软核，可以方便进行二次开发。FPGA甚至包含单片机和DSP软核，并且IO数仅受FPGA自身IO限制。所以，FPGA又是单片机和DSP的超集，也就是说，单片机和DSP能实现的功能，FPGA一般都能实现。

由于无刷直流电机非线性强耦合的特点，在实际应用中，采用传统PID算法进行控制，因传统PID算法的响应速度慢及动态特性较差，使得很难达到预期的控制效果，因此采用模糊自适应PID算法来解决这个问题。目前，关于模糊自适应PID的研究大多是基于软件实现的，软件实现方式的算法执行速度较慢，造成对电机的控制滞后。

发明内容

本发明目的是为了解决现有无刷直流电机采用模糊自适应PID算法进行电机控制，由于PID算法执行速度慢，造成对电机的控制滞后的问题，提供了一种基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器。

本发明所述基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器，它包FPGA主控模块、功率及驱动模块、电流采集模块、AD转换模块和人机交互模块，

FPGA主控模块包括滤波模块、ADC接口、转速计算模块、转速模糊PI调节模块、电流PI调节模块、PWM调制及换相模块和人机交互接口，

滤波模块用于对霍尔位置信号进行滤波后，将滤波后的霍尔位置信号传递给转速计算模块；所述霍尔位置信号由无刷直流电动机转子的霍尔位置传感器采集获得；

转速计算模块根据滤波后的霍尔位置信号的周期性变化实时计算获得电机转速反馈信号，并传递给转速模糊PI调节模块；

转速模糊PI调节模块根据电机转速反馈信号与电机转速给定信号的比较值，采用模糊PI算法对电动机转速进行调制，获得电流调节给定信号，并传递给电流PI调节模块；

电流PI调节模块根据电流调节给定信号与电流调节反馈信号的比较值，采用传统PI算法对电动机的电流进行调制，获得PWM调制信号，并传递给PWM调制及换相模块；电流调节反馈信号的获得为：通过电流采集模块采集功率及驱动模块输出给无刷直流电动机的电流信号，该电流信号经AD转换模块转换为数字信号后，再经ADC接口传递给电流PI调节模块；

PWM调制及换相模块根据转子磁极位置信息获得换相信号，并传递给功率及驱动模块，同时将PWM调制信号传递给功率及驱动模块；所述转子磁极位置信息由无刷直流电动机转子的霍尔位置传感器获得；

人机交互接口用于提供人机交互模块与FPGA主控模块的接口；

功率及驱动模块根据换相信号及PWM调制信号实现对无刷直流电动机的驱动；

人机交互模块用于对电机转速给定信号的设定和显示。

所述功率及驱动模块包括三相全桥逆变模块、IR2136驱动模块、功率变换模块、霍尔信号采集模块和供电电源模块。

本发明的优点：本发明基于FPGA内部模块，实现对无刷直流电机的控制，具备运行可靠、抗干扰能力强，控制精度高，系统集成度高，可拓展性强的优点。它同时具备算法执行速度快的优势，能够实现对电机的实时、在线控制。

本发明基于FPGA的全硬件实现，在传统PI控制算法的基础上上提出了硬件实现的模糊自适应PI算法，通过实验分析，本发明所述控制器在电机各转速区间都有着很好的动静态性能，调速范围可达到1～3000rpm。与传统控制器相比，本发明所述控制器鲁棒性强，从根本上解决了软件控制器抗干扰能力差的问题。

附图说明

图1是本发明所述基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器的原理框图；

图2是模糊PI算法的示意图；

图3是模糊系统输入输出变量的隶属函数曲线；

图4是△k_p的输出空间曲面；

图5是△k_i的输出空间曲面；

图6是模糊PI逻辑模块结构图；

图7是模糊逻辑模块结构图；

图8是PI逻辑模块结构图；

图9是电机空载给定转速2000-1500rpm之间突变的仿真转速曲线；

图10是电机空载给定转速1000-500rpm之间突变的实测转速曲线；图中PI为传统PI控制下的电机实测转速曲线，Fuzzy PI为模糊PI控制下的电机实测转速曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器，它包FPGA主控模块1、功率及驱动模块2、电流采集模块3、AD转换模块4和人机交互模块5，

FPGA主控模块1包括滤波模块1-1、ADC接口1-2、转速计算模块1-3、转速模糊PI调节模块1-4、电流PI调节模块1-5、PWM调制及换相模块1-6和人机交互接口1-7，

滤波模块1-1用于对霍尔位置信号进行滤波后，将滤波后的霍尔位置信号传递给转速计算模块1-3；所述霍尔位置信号由无刷直流电动机转子的霍尔位置传感器采集获得；

转速计算模块1-3根据滤波后的霍尔位置信号的周期性变化实时计算获得电机转速反馈信号，并传递给转速模糊PI调节模块1-4；

转速模糊PI调节模块1-4根据电机转速反馈信号与电机转速给定信号的比较值，采用模糊PI算法对电动机转速进行调制，获得电流调节给定信号，并传递给电流PI调节模块1-5；

电流PI调节模块1-5根据电流调节给定信号与电流调节反馈信号的比较值，采用传统PI算法对电动机的电流进行调制，获得PWM调制信号，并传递给PWM调制及换相模块1-6；电流调节反馈信号的获得为：通过电流采集模块3采集功率及驱动模块2输出给无刷直流电动机的电流信号，该电流信号经AD转换模块4转换为数字信号后，再经ADC接口1-2传递给电流PI调节模块1-5；

PWM调制及换相模块1-6根据转子磁极位置信息获得换相信号，并传递给功率及驱动模块2，同时将PWM调制信号传递给功率及驱动模块2；所述转子磁极位置信息由无刷直流电动机转子的霍尔位置传感器获得；

人机交互接口1-7用于提供人机交互模块5与FPGA主控模块1的接口；

功率及驱动模块2根据换相信号及PWM调制信号实现对无刷直流电动机的驱动；

人机交互模块5用于对电机转速给定信号的设定和显示。

本实施方式中，FPGA主控模块1是控制器的核心控制部分，人机交互模块5包括按键及显示模块。其中电流PI调节模块1-5采用传统PI算法对电机的电流进行调制，转速模糊PI调节模块1-4采用模糊PI算法对电机转速进行调制。因此，电流调节模块包含传统PI算法模块，转速调节模块包含模糊PI算法模块。转速模糊PI调节模块1-4包括模糊逻辑模块和传统PI算法模块。

图2所示，传统PI算法的数字表达式为：

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)---1$

其中：u(k)为控制器输出，e(k)为误差，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k为采样序列。模糊算法的核心即根据误差和误差变化率，利用模糊推理对k_p和k_i进行在线整定。

模糊逻辑选取输入变量为转速误差E和误差变化EC，输出变量为k_p的变化△k_p和k_i的变化△k_i。它们的模糊论域均为[-6,6]，量化等级都为13级，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}。取输入输出语言变量的模糊子集为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，分别用NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB表示。4个输入输出变量选取相同的隶属函数。

根据现场试验和专家经验，本模糊PI系统的模糊控制规则主要依据以下几点：

(1)误差E较大时，为尽快消除误差，提高响应速度，k_p取大值，k_i取较小值或零；误差E较小时，为继续消除误差，及防止超调过大而产生振荡，k_p值要减小，k_i取小值，在误差E很小时，为消除静差，避免系统在设定值附近产生振荡使系统尽快稳定，k_p值继续减小，k_i值不变或稍取大一点。

(2)当E与EC同号时，被控量向偏离给定值方向变化，应加强控制作用，使误差朝减小方向变化，应取较小k_i；当E与EC异号时，被控量向接近给定值方向变化，因此在误差E较大时，取较小的k_p值或零以加快控制的动态过程。

(3)EC越大，k_p取值越小，k_i取值越大。

根据上述模糊规则及选取的模糊变量和模糊论域，利用Matlab中的模糊逻辑工具箱，选择适当的隶属函数及算法得出△k_p和△k_i的输出并用于构建FPGA的模糊PI模块。

下面结合附图进一步阐述本发明：

图1中虚线框内为FPGA实现的各个功能模块。根据转子的霍尔位置传感器所表示的转子磁极位置信息确定换相时刻进行换相，同时根据霍尔位置信号的周期性变化实时计算出电机转速反馈给转速调节器作为转速反馈信号，转速调节器输出作为电流调节器给定值，检测到的电流信号经过AD转换作为电流调节器的反馈，电流调节器的输出作为PWM的调制信号，从而由驱动电路驱动电机。

FPGA主控模块1采用Altera公司CycolneⅣ系列产品。FPGA系统采用模块化及自顶向下的设计理念，根据控制器所要实现的功能设计划分如下几个模块：用于对外部霍尔信号进行滤波的滤波模块、电机转速计算模块、为外部AD转换芯片提供时序的ADC接口模块、用于转速调节的模糊自适应PI模块、用于电流调节的传统PI模块、PWM及换相模块、用于人机交互的显示及按键接口模块。其中模糊自适应PI模块又由模糊控制模块和传统PI模块构成。FPGA内部所有模块均由verilog HDL硬件描述语言构建，实现控制器的全数字硬件化，从而大大提高运算速度，提升控制精度，并根本地解决软件控制器易受干扰的问题。

如图2所示，模糊PI系统是将误差和误差的变化率做为系统的输入变量，经模糊逻辑系统的运算输出△k_p和△k_i用于PI调节。

如图3所示，为模糊系统的输入输出变量选取适当的隶属函数很重要。

从图4、5中可以看出，输出的空间曲面较平滑，即较接近连续。

在图6中，PI模块完成传统PI算法的运算，模糊模块实现对PI调节参数的整定。

如图7所示，在模糊逻辑模块中，把△k_p和△k_i的模糊规则制表并写成Quartus Ⅱ的.mif文件，存入Altera公司提供的宏模块ROM中，通过模糊化子模块将输入的误差E和误差变化EC进行清晰域到模糊域的转化，将E和EC的模糊值作为事先存好的ROM的查找地址，输出△k_p和△k_i的模糊值，再通过清晰化子模块将△k_p和△k_i的模糊值转化为清晰值作为模糊逻辑模块的输出。

在图8中，PI算法模块根据式(1)进行构建，所用到的乘法和除法均用verilog HDL语言编写并独立成功能模块，在保证执行速度的情况下节约内部乘除法器资源。整个算法模块均用verilog HDL硬件描述语言构建而成，充分利用了硬件并行执行速度快和抗干扰性强的优势。同时，整个算法的构建采用模块化设计思想，功能划分清晰，具有很强的逻辑性和灵活性。

最后，对所设计的控制器进行实验并采集数据拟合成转速曲线如图9、10所示。图9中，在1s时，给定转速由2000rpm突变为1500rpm，并在1.96s时突变回到2000rpm。最终，传统PI控制器在1.48s和2.16s重新回到稳态，而模糊PI控制器在1.36s和2.08s重新回到稳态。图10中，在1.44s时，给定转速由1000rpm突变为500rpm，并在2.88s时突变回到1000rpm。最终，传统PI控制器在2.52s和3.24s重新回到稳态，而模糊PI控制器在2.28s和3.12s重新回到稳态。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述功率及驱动模块2包括三相全桥逆变模块、IR2136驱动模块、功率变换模块、霍尔信号采集模块和供电电源模块。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器，其特征在于，它包FPGA主控模块(1)、功率及驱动模块(2)、电流采集模块(3)、AD转换模块(4)和人机交互模块(5)，

FPGA主控模块(1)包括滤波模块(1-1)、ADC接口(1-2)、转速计算模块(1-3)、转速模糊PI调节模块(1-4)、电流PI调节模块(1-5)、PWM调制及换相模块(1-6)和人机交互接口(1-7)，

滤波模块(1-1)用于对霍尔位置信号进行滤波后，将滤波后的霍尔位置信号传递给转速计算模块(1-3)；所述霍尔位置信号由无刷直流电动机转子的霍尔位置传感器采集获得；

转速计算模块(1-3)根据滤波后的霍尔位置信号的周期性变化实时计算获得电机转速反馈信号，并传递给转速模糊PI调节模块(1-4)；

转速模糊PI调节模块(1-4)根据电机转速反馈信号与电机转速给定信号的比较值，采用模糊PI算法对电动机转速进行调制，获得电流调节给定信号，并传递给电流PI调节模块(1-5)；

电流PI调节模块(1-5)根据电流调节给定信号与电流调节反馈信号的比较值，采用传统PI算法对电动机的电流进行调制，获得PWM调制信号，并传递给PWM调制及换相模块(1-6)；电流调节反馈信号的获得为：通过电流采集模块(3)采集功率及驱动模块(2)输出给无刷直流电动机的电流信号，该电流信号经AD转换模块(4)转换为数字信号后，再经ADC接口(1-2)传递给电流PI调节模块(1-5)；

PWM调制及换相模块(1-6)根据转子磁极位置信息获得换相信号，并传递给功率及驱动模块(2)，同时将PWM调制信号传递给功率及驱动模块(2)；所述转子磁极位置信息由无刷直流电动机转子的霍尔位置传感器获得；

人机交互接口(1-7)用于提供人机交互模块(5)与FPGA主控模块(1)的接口；

功率及驱动模块(2)根据换相信号及PWM调制信号实现对无刷直流电动机的驱动；

人机交互模块(5)用于对电机转速给定信号的设定和显示。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器，其特征在于，所述功率及驱动模块(2)包括三相全桥逆变模块、IR2136驱动模块、功率变换模块、霍尔信号采集模块和供电电源模块。