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

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、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间接控制速度。

内部直流电压控制器为模糊逻辑控制器提供输出，以控制速度。

通过改变直流电压可控制总电压。

使用两组模糊逻辑控制器可提高电压源控制器的驱动性能。

从图5可以看出，一组模糊逻辑控制器在内回路用于控制电机转矩，这与直流电流的瞬时偏移控制成正比；另一组在外回路控制实际电机速度。

这份论文的模糊PID控制器是基于两个使用耦合规则的全负荷电流输入结构。

控制器全部的结构在图3中显示。

真实区间变量通过使用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是用比例-积分和比例-微分的方式结合的。

模糊设置常用‘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,可以编程做任何类型的数字函数。

FPGA包括三个主要的配置元素：
1.可配置逻辑块(CLBs)，它被安排在一个数组中，在FPGA中提供了功能元素并实现了大部分的逻辑。

2.输入输出模块(IOBs)，提供了封装引脚和内部信号线之间的交接。

3.可编程互连资源，提供了CLBs和IOBs的输入输出到适合的网络的路由路径。

实时控制系统的实现是使用了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有可接收格式的、用于
FPGA的开发系统文件中。

图6.FPGA流程图
模糊控制器的完整描述被储存（be fed to/into）在程序中。

描述包括输入变量的数量、输入变量论域的维度、输出变量论域的维度、模糊语言术语使用的定义、规则的数量，以及规则。

像模糊术语定义的修改这类改变，有必要的话，可以通过程序重启从而相对轻松地获得更好的性能。

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。

通过使用The Xilinx ISE Foundation软件，合成的逻辑进行了优化设计，并且位置和路由自动运行以生成FPGA实现文件。

图7展示了FPGA的驱动实现框图。

图8展示了实验装置视图。

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。

电流和电压是利用霍尔效应原理感知。

无刷直流电机的速度由霍尔传感器感知。

3.速度感知的输出按频率储存在电压转换器电路。

在这个模块中设置电压转换器电路的频率在电动机额定转速1500rpm时获得的最大输出为2.5V。

4.速度误差通过比较设置速度和实际速度计算。

速度误差输入到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控制器和传统PID控制器在空载的情况下转速从3500rpm下降至3000rpm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0.15秒。

图11.转速从3500rpm到3000rpm，空载
图12显示了无刷直流电机的模糊PID控制器和传统PID控制器在有负载的情况下以3000RPM的速度运转时的响应速度。

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12.转速3000rpm，有负载
为了评估系统性能，我们完成了一系列的测试。

表格5显示了三相无刷直流电机的传统PID控制器和模糊PID控制器之间的性能对比。

控制系统参数如上升时间（t r）、超调量（Mp）和稳定时间（ts)通过仿真建立。

表5.性能对比
由性能对比表格（稳定时间）可以发现模糊PID控制器的控制性能优于传统PID控制器。

B.实验结果
图13显示了设置速度为3000rpm时FPGA实现的结果，其中传统PID的稳定速度达到了0.47秒，而模糊PID达到了0.31秒。

并且，传统PID的稳态误差要比模糊PID高50%。

两个控制器都有超调量但模糊PID低于传统PID。

图13. FPGA实现，转速3000 rpm，空载
图14显示了设置速度为3000rpm、有负载时模糊PID和传统PID的结果。

这里，在0.5秒是施加满载的50%并在0.7秒时解除。

在施加负载和解除负载的情况下电机都在1秒内达到稳定状态。

图14.FPGA实现，转速3000rpm，有负载
图15显示了，转速从3000rpm上升至3500rpm、无负载时，传统PID稳定时间达到了0.35秒而模糊PID达到了0.30秒。

图15.FPGA实现，转速3000rpm到3500rpm，空载
图16显示了，转速从3500rpm下降至3000rpm、无负载时，传统PID稳定时间达到了0.32秒而模糊PID达到了0.26秒。

图16.FPGA实现，转速3500rpm到3000rpm，空载
实验结果结果如表6所示。

表6.性能对比
5.结论
这篇论文论证了无刷直流电机的速度控制可通过传统PID控制器和模糊PID控制器两种方法实现。

控制方案在MATLAB仿真软件和FPGA建模和设计。

使用Xilinx基础包模拟并综合和在Xilinx XC3S400 FPGA实现。

仿真和实验结果表明，使用模糊PID控制器时比使用传统控制器时动态响应性能更好。

最后，这个方法为无刷直流电机提供了合适的调速。

鸣谢
作者在此感谢TamilNadu的Sona技术学院的管理部门、校长以及电气电子工程系为此次研究的成功做出的努力。

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