基于FPGA实现的永磁直流电机多分辨率控制器制造技术

一种基于FPGA实现的永磁直流电机多分辨率控制器，属于控制技术领域。本发明专利技术的目的是利用FPGA平台进行控制器开发，以满足电机转速的快速跟踪需求的基于FPGA实现的永磁直流电机多分辨率控制器。本发明专利技术步骤是：设计多分辨率控制器、PID控制器对偏差信号进行线性分解后，再进行加权以得到控制器控制输出、进行信号获取、信号的多频率分解与重构、结合式前面流程得到离散小波变换的滤波器。本发明专利技术不仅可以很好地解决传统PID对直流有刷电机控制精度较低，无法对误差信号进行细节分析的问题，而且充分利用了FPGA的并行计算能力，提高了控制器的实时性，克服了目前现有永磁直流电机电控系统的不足。

Multi resolution controller of permanent magnet DC motor based on FPGA

A multi resolution controller for permanent magnet DC motor based on FPGA is presented, which belongs to the field of control technology. The purpose of this paper is to develop a controller based on FPGA for the permanent magnet direct current motor multi resolution controller based on FPGA, which can be used to meet the requirement of fast tracking of motor speed. The invention comprises the following steps: Design of multi resolution controller, PID controller for the linear decomposition of the error signal, then weighted to get the controller output control, signal acquisition, multi frequency signal decomposition and reconstruction filter, combined the front process obtained discrete wavelet transform. The invention not only can solve the traditional PID brush motor control precision is low for DC well, not a detail analysis of the error signal, and makes full use of FPGA parallel computing ability, improve the real-time controller, overcomes the shortcomings of the existing permanent magnet DC motor control system.

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA实现的永磁直流电机多分辨率控制器
本专利技术属于控制

技术介绍
永磁直流力矩电机是有刷直流电机的一种，励磁磁场为永磁体，它除了具有较宽的调速范围、线性度好、刚性的机械特性以及容易控制的特点外，还具有输出转矩大、体积小、响应速度快、结构简单等优点，是一种能够带动较大负载，并且在较低转速下能够安全运行的伺服电动机。因而其在机械加工、生活办公、军事装备等领域都有较为广泛的应用。作为大部分控制系统的执行机构，电机控制在整个控制系统中发挥着至关重要的作用。但是由于有刷直流电机在控制过程中存在噪声干扰的问题，尤其是在低速控制中，噪声干扰对于转速的影响特别大，随着现代控制领域中控制精度要求的提高，对于电机的转速控制精度要求也在不断提高，然而传统的PID由于其自身的局限性难以满足日益增长的控制需求，且基于传统单片机实现的传统控制系统无法处理计算量较大的控制算法，因此需要开发出一种能够有效提高控制精度，并且保证整个控制系统足够稳定，处理速度较快的控制器。永磁直流力矩电机的主要控制目标为在保证上升时间的同时，能够实现转速的快速稳定跟踪，解决永磁直流电机低速区测量噪声以及电机本身带有的固定频率的齿槽转矩噪声对转速造成扰动的问题。本专利技术从频率方向出发，利用小波变换的多频率分析的优势，设计了多分辨率控制器，传统PID控制器的比例项、积分项和微分项可以认为是对误差信号的三个频段进行线性加权求取控制输出，而小波变换的正好可以根据控制需求自由选取对控制信号进行多少个频率段的分解与重构，这样可以对电机低速区控制中存在的噪声干扰实现很好的抑制作用。由于在小波变换对信号的多频率分解和单向重构过程存在较多的累乘加计算过程，计算量较大。
技术实现思路
本专利技术的目的是利用FPGA平台进行控制器开发，以满足电机转速的快速跟踪需求的基于FPGA实现的永磁直流电机多分辨率控制器。本专利技术步骤是：①多分辨率控制器：利用小波变换对转速误差信号进行各个频率段的分解与单向重构，在单向重构的过程中对各频段的信号进行加权求和，求出控制输出电压；小波变换将原始信号分解成不同分辨率组成部分进行表示：通过对各个分辨率上的信号进行加权后相加得到控制器的输出，具体式子如下：②PID控制器对偏差信号进行线性分解后，再进行加权以得到控制器控制输出增量式离散PID控制算法如下：u(k)＝u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))(4)③信号获取：为了保证控制器的实时性与准确性，降低多分辨率控制器设计中Mallat算法的边界效应，采用以下方式进行信号获取：⑴选择合适的数据缓存的长度N；⑵初始数据缓存为0，在当前采样时刻，当前数据以流水线形式先入先出方式进入缓存；⑶将缓存的数据进行镜像存储，最新数据靠近缓存中心，即设在k时刻的转速误差为e(k)，经对称添加形成的数据缓存窗数据为e(k-N+1),…e(k-2),e(k-1),e(k),e(k-1),e(k-2),…e(k-N+1)；④信号的多频率分解与重构：对一个连续的转速误差信号e(t)属于L2空间，在m尺度下产生下面的近似序列即每个近似序列可以表示为同一个函数e(t)进行缩放和平移后的加权之和，其中φ(τ)被称为尺度函数，如果用第(m+1)层的近似值来重定义第m层的近似值，这样函数φ(2mt)应该是第(m+1)层基函数φ(2m+1t)的一个线性组合，也就是如果V(m+1)代表由正交集φ(2m+1t-k)组成的函数空间，V(m)代表由正交集φ(2mt-p)组成的另一个函数空间，这样可知这样的空间具有递归嵌套关系，即令这样W(m)就代表着由空间e(2mt)向空间e(2m+1t)转换中的增添的偏差信息组成的空间，这样的空间由另一个正交集ψ(2mt)来组成，得到如下的式子：其中函数ψ(2mt)被称之为小波函数，它和尺度函数φ(2mt)之间可以通过如下关系进行关联：h(k)和g(k)是组成小波变换中比较重要的镜像滤波器组，这样就通过下式的小波变换来刻画误差信号e(t)其中和中上划线代表小波函数和尺度函数的共轭函数，c和d分别为对原序列信号e(t)进行分解后的趋势系数和细节系数；⑤结合式(5)(6)(7)(8)(9)可以得到离散小波变换的滤波器表达式：其中和是小波分解中滤波器组h(k)和g(k)的共轭函数，而滤波器组函数可以由小波分解中选择的小波函数和尺度函数求得：这样对于信号e(t)通过小波变化将其转换到趋势系数c和细节系数d，也就是将信号e(t)分解到各个频率；⑥当需要将各种信号合成原始信号，就需要利用到Mallat重构算法，式(12)所示的Mallat重构算法是上述分解算法的逆过程，⑦将中间小波系数和尺度系数分别进行采样后与相应的重构滤波器进行单向重构,从而获得原信号的多分辨率信号，当分解层次为3时，就能得到关于原信号的近似信号eH，细节信号eL和中间分辨率的信号e1和e2；将原始信号分解成不同分辨率组成部分进行表示：信号经过其分解后的信息量包含全频率段的信息，结果是非冗余且无遗漏的；⑧针对直流电机存在多频率噪声的问题也通过对各个分辨率上的信号进行加权后相加得到控制器的输出，具体式子如下：称之为多分辨率PID控制算法，即MSPID。本专利技术当需要处理哪个频率的信号时，便相应的调整其对应的常数增益即可，在直流电机控制中往往存在高频噪声，这时将相应的常数增益尽可能的调整为0，除了这种基本形式外，对其加以扩展，得到其一般形式：其中ki是需要对信号的各频率进行加权的常数增益，fi(·)是一个可以自行选择的函数，根据实际控制场景来选择合适的函数。本专利技术公开了一种基于FPGA实现的永磁直流电机多分辨率转速控制器设计，不仅可以很好地解决传统PID对直流有刷电机控制精度较低，无法对误差信号进行细节分析的问题，而且充分利用了FPGA的并行计算能力，提高了控制器的实时性，克服了目前现有永磁直流电机电控系统的不足。本专利技术设计了永磁直流电机的多分辨率控制器，针对传统PID只能对转速误差信号在高中低三个频段进行线性加权，而无法解决较高控制精度的问题，多分辨率控制器充分利用多分辨率分析中小波变换的优势，对转速误差信号进行了多频率分解与单向重构操作，成功解决了永磁直流电机转速快速跟踪的控制问题。基于FPGA实现的永磁直流电机多分辨率控制器，在保证控制精度的同时能够极大提高控制器的运算速度，进而提高整个控制系统的实时性，且相对于传统硬件平台单片机等实现的控制系统，基于FPGA实现的控制器抗干扰能力更强，处理速度更快，且更容易产品化，完成专用永磁直流电机控制器设计。附图说明图1是基于FPGA实现的多分辨率控制器控制结构框图；图2是Mallat分解算法图；图3是Mallat重构算法图；图4是信号多分辨率分解图；图5是信号的单向重构图；图6是对称数据缓存结构图；图7是含噪声情况下电机转速输出图；图8是信号分解与重构过程中的并行计算图；图9是ModelSim仿真波形图；图10是控制器的总体电路结构图；图11是FPGA资源利用报告视图；图12是多分辨率电机转速输出图；图13是普通PID电机转速输出图。具体实施方式本专利技术步骤是：①多分辨率控制器：利用小波变换可以对原始信号进行多频段的分解与重本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA实现的永磁直流电机多分辨率控制器，其特征在于：其步骤是：①多分辨率控制器：利用小波变换对转速误差信号进行各个频率段的分解与单向重构，在单向重构的过程中对各频段的信号进行加权求和，求出控制输出电压；小波变换将原始信号分解成不同分辨率组成部分进行表示：

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA实现的永磁直流电机多分辨率控制器，其特征在于：其步骤是：①多分辨率控制器：利用小波变换对转速误差信号进行各个频率段的分解与单向重构，在单向重构的过程中对各频段的信号进行加权求和，求出控制输出电压；小波变换将原始信号分解成不同分辨率组成部分进行表示：通过对各个分辨率上的信号进行加权后相加得到控制器的输出，具体式子如下：②PID控制器对偏差信号进行线性分解后，再进行加权以得到控制器控制输出增量式离散PID控制算法如下：u(k)＝u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))(4)③信号获取：为了保证控制器的实时性与准确性，降低多分辨率控制器设计中Mallat算法的边界效应，采用以下方式进行信号获取：⑴选择合适的数据缓存的长度N；⑵初始数据缓存为0，在当前采样时刻，当前数据以流水线形式先入先出方式进入缓存；⑶将缓存的数据进行镜像存储，最新数据靠近缓存中心，即设在k时刻的转速误差为e(k)，经对称添加形成的数据缓存窗数据为e(k-N+1),…e(k-2),e(k-1),e(k),e(k-1),e(k-2),…e(k-N+1)；④信号的多频率分解与重构：对一个连续的转速误差信号e(t)属于L2空间，在m尺度下产生下面的近似序列即每个近似序列可以表示为同一个函数e(t)进行缩放和平移后的加权之和，其中φ(τ)被称为尺度函数，如果用第(m+1)层的近似值来重定义第m层的近似值，这样函数φ(2mt)应该是第(m+1)层基函数φ(2m+1t)的一个线性组合，也就是如果V(m+1)代表由正交集φ(2m+1t-k)组成的函数空间，V(m)代表由正交集φ(2mt-p)组成的另一个函数空间，这样可知这样的空间具有递归嵌套关系，即令这样W(m)就代表着由空间e(2mt)向空间e(2m+1t)转换中的增添的偏差信息组成的空间，这样的空间由另一个正交集ψ(2mt)来组成，得到如下的式子：1其中函数ψ(2mt)被称之为小波函数，它和尺度函数φ(2mt)之间可以通过如下关系进行关联：

【专利技术属性】
技术研发人员：许芳，李宗俐，梁頔男，陈虹，于树友，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22