基于FPGA的模糊PID-矢量-PWM控制器的研究

论文摘要

电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。数字控制器与模拟控制器相比较,具有可靠性高、参数调整方便、控制精度高、抗干扰能力强等优点。电机控制器的发展趋势是高速、高效、高精度、可靠性高、实时性好。为了满足高速高性能的需求,一般需要使用高性能的数字信号处理器（DSP）。现场可编程门阵列（FPGA）器件具有集成度高、体积小、速度快,低功耗、抗干扰能力强的特性,又具有便于开发和维护（升级）等显著优点。FPGA以硬件电路的方式实现算法程序,将原来的电路板级产品集成为芯片级产品,可以实现更高的性能,同时降低了成本、降低了功耗、提高了可靠性。与单片机和DSP等处理器的顺序或串行处理相比,FPGA的硬件并行处理的运算性能可以高两个数量级,同时可以获得非常小的环路周期。相对于处理器的百毫秒级控制环路抖动,FPGA的一切处理都是由时钟精确控制的,控制环路抖动一般可以达到100皮秒的量级。这些特点顺应了电机控制的日趋高速化和复杂化发展的需要。本论文将PID控制算法、矢量控制、PWM等电机控制功能用FPGA以单芯片的数字方式实现。传统PID控制器的参数难以自动调整以适应外界条件的变化,使得控制不够精确,本文选择的模糊PID控制能实现对控制参数的自动调整,具有适应性强,调速性好,抗干扰能力强等特点。通过FPGA实现,提高了控制系统整体速度,降低了环路周期和控制环路抖动,并且提高了系统集成度,可使控制系统小型化和低成本。本文使用Matlab/Simulink软件进行算法模型的开发和仿真,进而采用Xilinx的System Generator - FPGA数字信号处理的算法开发工具,在Matlab/Simulink中用基于模型的算法开发方式来实现FPGA的设计。最后通过软硬件协同仿真进行了设计验证,使FPGA设计真实的在硬件中运行,同时借助软件仿真环境验证算法的系统功能,充分证明了硬件控制功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1-1 概述
• 1-2 PID-矢量-PWM 控制器的现状和发展趋势
• 1-2-1 PID-矢量-PWM 控制器的现状
• 1-2-2 用FPGA 设计PID-矢量-PWM 控制器的趋势
• 1-3 FPGA 用于嵌入式控制的优势
• 1-3-1 FPGA 与嵌入式处理器的比较
• 1-3-2 软硬件协同处理
• 1-3-3 可重构的控制应用
• 1-4 本课题的主要研究内容
• 第二章 模糊 PID-矢量-PWM 控制器及其算法
• 2-1 PID 算法原理
• 2-1-1 PID 原理
• 2-1-2 数字PID
• 2-1-3 模糊PID 算法原理
• 2-2 矢量控制原理
• 2-2-1 简介
• 2-2-2 矢量变换
• 2-3 PWM 原理
• 2-3-1 PWM 控制的理论基础
• 2-3-2 SPWM 的基本原理
• 2-4 本章小结
• 第三章 模糊 PID-矢量-PWM 控制器的电路架构
• 3-1 模糊PID 控制器的电路架构
• 3-1-1 模糊PID 控制器的算法流程
• 3-1-2 模糊PID 控制器的整体系统设计架构
• 3-2 矢量控制器的电路架构
• 3-2-1 矢量控制器的电路结构
• 3-2-2 矢量控制器的各模块设计
• 3-3 PWM 控制器的电路架构
• 3-4 本章小结
• 第四章 模糊 PID-矢量-PWM 控制器的FPGA 实现及验证
• 4-1 FPGA 和开发工具
• 4-1-1 FPGA 简介
• 4-1-2 FPGA 的算法实现工具
• 4-2 模糊PID 的FPGA 实现
• 4-3 矢量控制器的FPGA 实现
• 4-4 PWM 控制器的FPGA 实现
• 4-5 模糊PID-矢量-PWM 控制器的软硬件协同验证
• 4-6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果