基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器制造技术

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。本发明专利技术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。本发明专利技术用于无刷直流电动机的控制。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器，属于电机控制
。本专利技术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。本专利技术用于无刷直流电动机的控制。【专利说明】基于FPGA的无刷直流电动机模糊Pl控制器
本专利技术涉及基于FPGA的无刷直流电动机模糊PI控制器，属于电机控制
。
技术介绍
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: (I)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: (I)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1 口有限，而FPGA动辄数百10，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1资源，可以很容易用不同1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1数仅受FPGA自身1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。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术所述基于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。 本专利技术的优点:本专利技术基于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。 本专利技术基于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，本专利技术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I?3000rpm。与传统控制器相比，本专利技术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。 【专利附图】【附图说明】 图1是本专利技术所述基于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Δ kp的输出空间曲面； 图5是Aki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I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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：温嘉斌，麻宸伟，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23