基于FPGA_CPLD的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制

1、兵工自動(dòng)化 測(cè)控技術(shù) O. I. Automation 2005年第24卷第6期 Measurement and Control Technique 2005, Vol. 24, No. 6文章編號(hào)：1006-1576（2005）06-0074-02基于FPGA/CPLD的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制楊紹輝，尹海，張光先（山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）摘要：基于FPGA/CPLD的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制，以埋弧焊送絲系統(tǒng)為例，采用雙輸入單輸出模糊控制器，包括模糊量化、模糊推理、解模糊?？刂屏客ㄟ^(guò)查詢(xún)模糊控制規(guī)則表得到，并生成PWM控制送絲電機(jī)。模糊控制表采用離線(xiàn)計(jì)算，完成后存入

2、FPGA。Matlab仿真表明，此控制方案可取得較好的控制效果，能達(dá)到焊接工藝要求。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；轉(zhuǎn)速模糊控制；送絲系統(tǒng)；PWM；FPGA/CPLD 中圖分類(lèi)號(hào)：TP237.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AFuzzy Control of DC Motor Based on FPGA/CPLDYANG Shao-hui, YIN Hai, ZHANG Guang-xian(College of Control Science & Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)Abstract: For fuzzy control of

3、 rotate speed of DC motor based on FPGA/CPLD, Taking the wire-feeder system as an example, fuzzy controller with double inputs and single output was applied, it includes fuzzy quantity, fuzzy reasoning, fuzzy solution. The control quantity was gained by looking up the table of fuzzy control rule, an

4、d formed PWM to control Wire-feeder device. The fuzzy control table is calculated by outline, and then kept it in FPGA. Simulation of Matlab shows that the control method is reliable, and it meets the need of welding technics.Keywords: DC motor; Fuzzy control of Rotate speed; Wire-feeder system; PWM

5、; FPGA/CPLD1 引言焊接過(guò)程比較復(fù)雜，其動(dòng)態(tài)過(guò)程存在非線(xiàn)性和時(shí)變性，難以準(zhǔn)確地建立數(shù)學(xué)模型1。采用模糊控制比PID控制有著明顯的優(yōu)勢(shì)，故提出基于FPGA/CPLD的送絲電機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行Matlab仿真。系統(tǒng)有足夠采樣、計(jì)算時(shí)間，限定每個(gè)周期內(nèi)的最大導(dǎo)通時(shí)間為8ms。3 模糊控制器的設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)采用雙輸入單輸出的模糊控制器，輸入量為誤差E和誤差變化率C，輸出量為周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間的變化量U，其系統(tǒng)框圖如圖2。2 送絲系統(tǒng)工作原理圖2 模糊控制系統(tǒng)方框圖3.2 輸入離散化及隸屬度函數(shù)表表1 隸屬度函數(shù)表圖1 PWM調(diào)速系統(tǒng)埋弧焊送絲系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)，

6、送絲電機(jī)為直流伺服電機(jī)，如圖1。送絲、抽絲動(dòng)作由繼電器實(shí)現(xiàn)，送絲時(shí)，K1、K4閉合，K2、K3斷開(kāi)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；抽絲時(shí)，K1、K4斷開(kāi)，K2、K3閉合，電機(jī)反轉(zhuǎn)。焊接過(guò)程中，以10ms的采樣周期不斷取得電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，由軟件計(jì)算偏差和偏差變化率，經(jīng)模糊量化、檢索模糊控制表得到導(dǎo)通時(shí)間增量，再乘上比例因子，以控制MOSFET導(dǎo)通，從而控制伺服電機(jī)的電壓和送絲速度2。為使系統(tǒng)的分辨率過(guò)高，會(huì)引起系統(tǒng)劇烈變化導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。系統(tǒng)分辨率太低，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能差，反應(yīng)速度慢。從實(shí)際出發(fā)綜合考慮，把誤差E，誤差變化C和導(dǎo)通時(shí)間的變化量U劃分為7個(gè)模糊子集，分別用NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS收稿日期：2

7、005-06-02；修回日期：2005-07-30 作者簡(jiǎn)介：楊紹輝（1979-），男，山東人，在讀碩士，2003年畢業(yè)于山東大學(xué)，從事特種逆變電源技術(shù)研究。·74·兵工自動(dòng)化 測(cè)控技術(shù) O. I. Automation 2005年第24卷第6期 Measurement and Control Technique 2005, Vol. 24, No. 6（負(fù)?。?、ZO（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）表示。E、C、U的論域?yàn)?6,6，E的基本論域?yàn)?3,3，C和U的基本論域?yàn)?2,2。因此，33.3 解模糊化分別采用模糊蘊(yùn)含最小運(yùn)算法、最大最小合成法和重心法。

8、表3 模糊控制查詢(xún)表程的形式和自頂向下設(shè)計(jì)方法，在MAXPLUS II 10.2環(huán)境下用VHDL（超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言）完成程序的編寫(xiě)，并通過(guò)編譯和仿真。仿真結(jié)果如圖3。3.4 模糊控制查詢(xún)表模糊控制表是從Matlab模糊邏輯工具箱中提取的，如表3，其中，模糊關(guān)系運(yùn)算、合成運(yùn)算和圖3 仿真波形5 Matlab仿真用Simulink在用戶(hù)接口上進(jìn)行操作構(gòu)造出本系統(tǒng)的仿真模型4，如圖4。其給定30V，采樣周期0.01s時(shí)的仿真波形如圖5。Hold圖5 系統(tǒng)的仿真波形圖4 系統(tǒng)仿真模型參考文獻(xiàn)：1 黃石生, 李迪. 焊接過(guò)程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模及控制研究J.機(jī)械工程學(xué)報(bào), 1994, 30 (3): 24-30.2 李鶴岐, 吳榮, 路廣. 單片機(jī)控制IGBT逆變埋弧焊機(jī)設(shè)計(jì)J. 電焊機(jī), 2004, 34 (10): 2-3.3 孫增圻, 張?jiān)倥d, 鄧志東. 智慧控制理論與技術(shù)M. 北京: 清華大學(xué)出版社, 南寧: 廣西科學(xué)技術(shù)出版社, 1997. 4 周淵深, 等. 交流調(diào)速系統(tǒng)與Matlab仿真M. 北京: