在現(xiàn)代工業(yè)中，各種生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)其工藝特點(diǎn)，對(duì)拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)提出了各種不同的要求，有的要求能迅速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；有的要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速按一定的比例協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；有的要求電動(dòng)機(jī)達(dá)到極慢的穩(wěn)速運(yùn)動(dòng)；有的要求電動(dòng)機(jī)起、制動(dòng)平穩(wěn)，并能準(zhǔn)確的停在給定的位置。可見各種拖動(dòng)系統(tǒng)都是通過控制轉(zhuǎn)速?gòu)亩�控制轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)的。與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能好、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用了直流調(diào)速系統(tǒng)。

FPGA作為新型的大規(guī)模可編程數(shù)字集成電路器件，它充分利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行器件的開發(fā)與應(yīng)用。用戶借助于計(jì)算機(jī)不僅能自行設(shè)計(jì)專用集成電路芯片，還可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行功能仿真和實(shí)時(shí)仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整電路，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。這樣，設(shè)計(jì)者不必動(dòng)手搭接電路、調(diào)試驗(yàn)證，只須在計(jì)算機(jī)上操作很短的時(shí)間，即可設(shè)計(jì)出與實(shí)際系統(tǒng)相差無幾的理想電路。而且，F(xiàn)PGA器件采用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，體積小、集成度高、功耗低、速度快，可無限次反復(fù)編程，因此，成為科研產(chǎn)品開發(fā)及其小型化的首選器件，其應(yīng)用極為廣泛。

本文主要研究的問題是，分析直流電機(jī)的調(diào)速方式，利用當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)和現(xiàn)代控制理論，在消除干擾環(huán)境中精確控制電機(jī)的起、制動(dòng)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，以提高可靠性、降低成本。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM) 直流調(diào)速技術(shù),它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用PWM調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，采用紅外發(fā)射接收對(duì)管采集電機(jī)轉(zhuǎn)速。FPGA系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)程工作在并行的狀態(tài)下，各子進(jìn)程相互獨(dú)立，輸出的PWM波形具有頻率高，占空比調(diào)節(jié)步精密的特點(diǎn)。高頻率的PWM波形對(duì)直流電機(jī)工作的穩(wěn)定起著極其重要的作用，尤其在高負(fù)載的調(diào)速系統(tǒng)中體現(xiàn)的優(yōu)越性極其明顯，頻率越高電機(jī)運(yùn)行越平穩(wěn)。另外，對(duì)PWM 波形輸出占空比的調(diào)節(jié)步進(jìn)細(xì)分的特點(diǎn)大大的擴(kuò)大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。本設(shè)計(jì)中主要研究FPGA產(chǎn)生PWM波形的優(yōu)越性并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，并且針對(duì)FPGA系統(tǒng)進(jìn)行等精度頻率測(cè)量的高精度性進(jìn)行驗(yàn)證。

                                   (2-1)

參數(shù)名稱	符號(hào)	大小	單位
電樞電阻	R	8.33
電樞電感	L	6.17	mH
電動(dòng)勢(shì)常數(shù)			V/(rads)
轉(zhuǎn)矩系數(shù)		0.03954
電樞慣量
負(fù)載慣量		0.0137
傳動(dòng)比	N	7860:18

根據(jù)以上參數(shù)可得：總慣量J=+=;

;。

由此可知，所以可將傳遞函數(shù)近似為：

      （2-2）

                        （2-3）

• 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速
  

PID是Proportional（比例）、Integral（積分）、Differential（微分）三者的縮寫，PID控制是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制算法。比例控制是對(duì)當(dāng)前偏差的反應(yīng)，積分控制是基于新近錯(cuò)誤總數(shù)的反應(yīng)，而微分控制則是基于錯(cuò)誤變化率的反應(yīng)。PID控制實(shí)質(zhì)是測(cè)量偏差、糾正偏差，并且根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行乘、加運(yùn)算，把運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。

    PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的控制偏差：                             

                          =-                              （3-1）

                            （3-2）

式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。

                            （3-3）

                                    （3-4）

                                 （3-5）

其中：e(t)為控制器的輸入即控制系統(tǒng)的給定量與輸出量的偏差；u(t)為控制器的輸出； 為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。

• 比例控制器P
  

                                                 （3-6）

    協(xié)調(diào)參數(shù):當(dāng)增大時(shí)，可以加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差，并且過大，會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，超調(diào)量增加，有可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

                                          （3-7）

加入積分環(huán)節(jié)，目的是消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，因?yàn)殡S著不斷累加偏差，最終會(huì)消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。因此，減小，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是過小，可能會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度過慢。

                                 （3-8）

加入微分環(huán)節(jié)，用來改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度過慢。在響應(yīng)過程中，提前抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)，降低系統(tǒng)超調(diào)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。協(xié)調(diào)參數(shù),當(dāng)過大過小，也會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及穩(wěn)定性。

四系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

• 判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性：
  

    標(biāo)記出奈圭斯特曲線與負(fù)實(shí)軸的交點(diǎn)及用bode圖繪出的相頻特性曲線與線相交點(diǎn)坐標(biāo)。

      4）根據(jù)對(duì)數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)（又稱Bode判據(jù)），閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是。通過觀察也可知，相頻特性曲線過線次數(shù)為0，即

對(duì)電機(jī)同步控制系統(tǒng)采用PID，根據(jù)式（2-3）的傳遞函數(shù)，通過多次試驗(yàn)，得到較適宜的PID參數(shù)：，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)PID仿真結(jié)構(gòu)圖及simulink仿真模塊，并得出仿真結(jié)果，分別如下圖4-2、4-3所示：

     

5.1 系統(tǒng)的工作原理

（1）總體硬件結(jié)構(gòu)

   圖5-1 基于FPGA的直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)

（2）基于FPGA的直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)工作流程框圖如圖6-2

               圖5-2  直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)工作流程框圖

工作流程為：檢測(cè)到電機(jī)工作脈沖，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際轉(zhuǎn)速b，實(shí)際轉(zhuǎn)速b與通過鍵盤設(shè)定好的設(shè)定轉(zhuǎn)速a比較并且分析，得出偏差值Q，內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器對(duì)偏差Q和a，b進(jìn)行分析，輸出調(diào)節(jié)比較器2（PWM波形發(fā)生器）的比較值的信號(hào)。比較器2輸出的PWM波形接到電機(jī)開關(guān)控制器，電機(jī)控制器的輸出由輸入按鍵5控制。開關(guān)控制器開時(shí)輸出PWM波形到H型驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

六 總結(jié)

在調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域，作為一類新型的電機(jī)，直流電機(jī)在其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行方式上具有比其他類型的傳統(tǒng)電機(jī)更為優(yōu)秀的運(yùn)行性能和更廣泛的適用范圍，因而應(yīng)用前景廣闊。針對(duì)直流電機(jī)控制的研究越來越深入，控制器也不斷改進(jìn)和翻新，控制性能不斷提高。本論文基于FPGA對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PID自動(dòng)控制，整個(gè)控制系統(tǒng)看似復(fù)雜，但是將其中幾個(gè)模塊拆開來獨(dú)立進(jìn)行研究就顯得簡(jiǎn)單容易多了。整個(gè)系統(tǒng)體積小、可靠性高、靈活性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制。

本文研究表明，基于FPGA的永磁直流減速電機(jī)速度控制系統(tǒng)，采用數(shù)字硬件方式實(shí)現(xiàn)控制算法，整個(gè)系統(tǒng)速度快，可靠性高、具有可擴(kuò)展性，大大縮短了硬件開發(fā)的周期。

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