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报告.doc

使用FPGA设计和实现无刷直流电机的模糊PID控制器由于其效率高、高扭矩、低体积广泛用于许多工业应用程序。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比例积分微分(PID)控制器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。常规PID控制器很难调优参数得到满意无刷直流电机的建模、控制和仿真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。比例积分微分(PID)控制器通量是由复杂,非线性和不准确标准的基于模型的控制技术微调控制器可能会耗费时间现场可编程门阵列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集成密度非常高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了为了负载变化保持电模糊逻辑控制器PID。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。内变频信号 图1.无刷直流电机速度控制框图 驱动由三相电源转换器电路利用六个功率晶体管同时激活两个无刷直流电机决定了晶体管的开关序列通过安装在定子3个霍尔传感器检测利用霍尔传感器信息参考当前的由参考电流发生器译码器块的生成信号向量反向运行电动机是通过相反的电流。电磁力转换信号门逻辑设计PID控制器典型步骤 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、微分时间常数和积分时间常数。 表3.PID数值 B．模糊PID控制器的设计 在驱动工作中，可通过控制电压源逆变器瞬时偏移控制Se, Sde and Su的缩放因素获得。模糊控制规则的形式为：如果e=Ei且de=dEj那么UPD=UPD(i,j)。此规则是根据基于图3 中的查阅表的规则写成的。它基于Mamdani型的结构。 图3.模糊PID控制器的仿真 如图4所示，输入和输出均以（3,3）的间隔规范化。 图4.输出的隶属函数 耦合的两个输入模糊控制器和Negative Big’（NB）、‘Negative Medium’（NM）、‘Negative Small’（NS）、‘Zero’（Z）、‘Positive Small’（PS）、‘Positive Medium’（PM）、‘Positive Big’（PB）等语言标签代替。标签使用的规则如表4所示。模糊规则是从基本知识和人在研究过程中获得的经验中总结的。这些规则包含了定义控制方法的输入输出关系。每一个控制输入有7个模糊设置，因此最多有49个模糊规则。 表4.模糊规则表 C.FPGA控制器 现场可编程门阵列是数字集成电路,可编程做任何类型的数字函数。FPGA包括三个主要的配置元素可配置逻辑块(CLBs)安排在一个数组在FPGA提供功能元素实现了大部分的逻辑。输入输出模块(封装引脚可编程互连资源Xilinx公司的FPGA XC3 400E芯片。图5显示了控制系统的功能模块图。 图5.FPGA控制器的功能框图 图6显示了软件的流程图。空间矢量脉宽调制的设置存储在一个可接格式的FPGA的开发系统文件。模糊语言术语使用的定义The Xilinx ISE Foundation软件计算机辅助设计工具是用于设计拓展FPGA的。FPGA的系统设计流程图如下所示：首先，系统应用The Xilinx ISE Foundation软件并在寄存器传输级模拟来验证设计的正确性。The Xilinx ISE Foundation软件，合成的逻辑进行了优化设计位置和路由自动生成FPGA实现文件。 图7.FPGA驱动实现框图 图8.实验设备照片 1.框图包括FPGA控制器，模数转换卡，智能功率模块，以及一个无刷直流电机。 2.实验中使用的智能功率模块作为开关设备，配置规格为1200V，25A的绝缘栅双极型晶体管电压转换器电路FPGA XC 3S-400E控制器。 5.FPGA控制器为智能功率模块提供门驱动信号，使无刷直流电机在高速状态下稳定速度。 4.结果和讨论 A.仿真结果 图9显示了无刷直流电机的模糊PID控制器和传统PID控制器在空载的情况下以3000rpm的转速运转时的响应速度。结果显示传统PID控制器的稳定时间为0.35秒，而模糊PID控制器为0.20秒。 图9.转速3000rpm，空载 图10显示了无刷直流电机的模糊PID控制器和传统PID控制器在空载的情况下转速从3000rpm上升至3500rpm时的响应速度。无刷直流电机运转过程中，在0.5秒时瞬间增加5千克的负载并在0.7秒时解除。结果显示传统PID控制器的稳定时间为0.35秒，而模糊PID控制器为0.20秒。 图10.转速从3000rpm到3500rpm，空载 图11显示了无刷直流电机的模糊PID控制器和传