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基于FPGA的直流电机数字PID闭环控制器设计

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雷磊 发表于 2019-6-28 14:08:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
直流电机具有良好的启动和调速性能,被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统。本论文主要介绍了在基于FPGA用PWM实现直流电机调整的基本方法中PID算法及原理,直流电机调速的相关知识。简单介绍了基于FPGA用硬件产生PWM信号的途径。然后结合PID算法对整个系统进行闭环控制设计,整合到硬件电路中对直流电机调速的实现提供了一种有效的途径。

在现代工业中,各种生产机械根据其工艺特点,对拖动的电动机提出了各种不同的要求,有的要求能迅速启动、制动和反转;有的要求多台电动机之间的转速按一定的比例协调运动;有的要求电动机达到极慢的稳速运动;有的要求电动机起、制动平稳,并能准确的停在给定的位置。可见各种拖动系统都是通过控制转速从而控制转矩来实现的。与交流电动机相比,直流电动机由于调速性能好、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能、运行效率高等优点,因此在相当长的时期内,高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。

FPGA作为新型的大规模可编程数字集成电路器件,它充分利用计算机辅助设计技术进行器件的开发与应用。用户借助于计算机不仅能自行设计专用集成电路芯片,还可在计算机上进行功能仿真和实时仿真,及时发现问题,调整电路,改进设计方案。这样,设计者不必动手搭接电路、调试验证,只须在计算机上操作很短的时间,即可设计出与实际系统相差无几的理想电路。而且,FPGA器件采用标准化结构,体积小、集成度高、功耗低、速度快,可无限次反复编程,因此,成为科研产品开发及其小型化的首选器件,其应用极为广泛。

本文主要研究的问题是,分析直流电机的调速方式,利用当前先进的数字技术和现代控制理论,在消除干扰环境中精确控制电机的起、制动,调节转速,以提高可靠性、降低成本。最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM) 直流调速技术,它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。系统采用PWM调节实现对电机的调速,采用红外发射接收对管采集电机转速。FPGA系统内部进程工作在并行的状态下,各子进程相互独立,输出的PWM波形具有频率高,占空比调节步精密的特点。高频率的PWM波形对直流电机工作的稳定起着极其重要的作用,尤其在高负载的调速系统中体现的优越性极其明显,频率越高电机运行越平稳。另外,对PWM 波形输出占空比的调节步进细分的特点大大的扩大了调速系统的调速范围。本设计中主要研究FPGA产生PWM波形的优越性并对其进行验证,并且针对FPGA系统进行等精度频率测量的高精度性进行验证。

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hyhyx1 发表于 2019-7-9 09:05:51 | 显示全部楼层
能不能用pc机Matlab来实现作为被控对象-直流电机的模型、然后fpga通讯实现模拟控制仿真效果呢?
lxw 发表于 2019-7-16 14:16:42 | 显示全部楼层
基于FPGA的直流电机数字PID闭环控制器设计
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