基于FPGA的模糊PID-矢量-PWM控制器的研究

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。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

第二章模糊PID-矢量-PWM 控制器及其算法

第三章模糊PID-矢量-PWM 控制器的电路架构

第四章模糊PID-矢量-PWM 控制器的FPGA 实现及验证

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