翻译-可编程逻辑器件在无刷直流电动机驱动器中的应用研究.docVIP

使用FPGA设计和实现 无刷直流电机的模糊PID控制器 无刷直流（BLDC）电机由于其效率高、高扭矩、低体积广泛用于许多工业应用程序。这篇论文提出了一种改进的模糊PID控制器来控制无刷直流电机的速度。该控制器被称为比例积分微分(PID)控制器和模糊比例积分微分控制器。本文概述了传统PID控制器和模糊PID控制器的性能。使用常规PID控制器时很难调优参数并得到满意的控制性能。因为模糊PID控制器有令人满意的控制性能且容易计算,为了控制为无刷直流电机，所以设计模糊PID控制器作为其控制器。无刷直流电机的建模、控制和仿真可以使用MATLAB/SIMULIN软件完成，以及实现实时控制。Xilinx FPGA XC3S 400E 还介绍了如何在负载变化时保持匀速。实验结果验证了模糊PID控制器比常规PID控制器有更好的控制性能。 关键词：无刷直流（BLDC）电机，比例积分微分(PID)控制器，模糊PID控制器， 现场可编程门阵列（FPGA） 1.简介 工业中主要使用两种直流电机。第一种是传统的直流电机，它的磁通量是由通过定子绕组的电流产生的。第二种是无刷直流电机，，用永磁体代替定子绕组提供必要的气隙通量。无刷直流电机按惯例定义为有梯形反电动势波形的永磁同步电动机。正如名字说明的一样，无刷直流电机不用电刷连接，而使用电子整流。近年来，高性能的无刷直流电机驱动器在工业应用和电动车的各种调速系统中广泛应用。 在实践中，无刷直流电机驱动器的设计设计一系列复杂的过程，包括制作模型、控制体系的选择、模型和参数的调整等。为了调整伺服系统的控制参数以达到理想的结果，需要对系统的全面的专业知识。近年来，无刷直流电机的速度控制系统的设计有了多种现代控制设计方案。而传统的PID控制器运算简单稳固，方便调整，可靠性高，传统的速度控制系统均采用传统PID控制器。但是，实际上大部分工业进程的系统有不同程度的非线性、参数变异性和数学结构的不确定性。调整PID控制参数是非常困难的，鲁棒性也比较差。因此，在实际制造中野外条件下很难达到理想状况。对于复杂的、不清楚的模型系统，模糊PID控制方法更好，它能提供简单有效的控制，具有模糊控制鲁棒性、较好的动态性能、上升时间和超调特性。 模糊逻辑控制（FLC）已被证明对复杂,非线性和不准确过程很有效，而那些标准的基于模型的控制技术则做不到。模糊逻辑控制常用于解决模糊性的、不确定的、使用隶属函数进行从0到1的隶属特征划分的问题。这意味着如果没有充足的专业知识或控制系统太过复杂，无法获得所需的决策规则，模糊逻辑控制器的制造将耗费大量时间，工作繁重沉闷，有时无法完成。此时专业知识是必不可少的，不过微调控制器可能同样会耗费时间。另外，一个理想的模糊逻辑控制器无法通过反复试验法得到。这一缺点限制了模糊逻辑控制的应用。现在学界正努力解决这些问题并简化调试控制器参数和决策规则的工作。 现场可编程门阵列（FPGA）是它的一个优点，它可以修改来执行任何应用程序,而不是特定于一个的函数。它在现场控制、可重复编程的、方便的软件工具有高效率，集成密度也非常高。这篇论文论证了使用FPGA能提供效率更高、更快的解决方案。它研究了使用模糊逻辑控制器控制无刷直流电机速度的方法并通过实验的方式测试设计。 此文的目的在于显示FPGA在控制电机在负载不同时保持匀速展现的动态响应性能。本文设计和实现了一个控制无刷直流电机速度的电压源逆变器。本文还介绍了为了负载变化时保持电机匀速的模糊逻辑控制器PID。 2.无刷直流电机的速度控制 完整三相无刷直流电机的速度控制框图下面图1所示。两个控制回路用于控制无刷直流电机。内回路使变频门信号与电动势同步。外回路通过改变总电压控制电机速度。 图1.无刷直流电机速度控制框图 驱动由三相电源转换器组成的电路，可利用六个功率晶体管同时激活两个无刷直流电机。转子位置决定了晶体管的开关序列，它是通过安装在定子的3个霍尔传感器检测的。利用霍尔传感器信息并参考当前的现象（由参考电流发生器产生），译码器块的电动势可生成信号向量。反向运行电动机是通过施加相反的电流。基于这一点，表1计算了顺时针方向运动时的电动势，表2则给定了6个将电磁力转换为门信号的门逻辑。 表1.顺时针转时电动势 表2.门逻辑 3.控制电路 A．PID控制器 分析特征参数——比例（P），积分（I）和微分（D）控制，如下图2所示。 设计PID控制器的典型步骤是： 1）确定需要改进的系统类型 2）确定比例系数以减小上升时间 3）确定微分时间常数以减小超调量和稳定时间 4）确定积分时间常数以减小稳态误差 图2.PID控制器仿真模型 表3展示了用Ziegler-Nichols法整定PID控制器得到的比例系数