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基于FPGA无刷直流电机模糊控制器的设计与研究

作　者: 许丽娟
导　师: 王庭有
学　校: 昆明理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 无刷直流电机 模糊控制 PID控制 SG FPGA
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


无刷直流电机利用电子换向代替机械换向,解决了传统直流电机因为电刷摩擦而产生的众多问题,并且其具有调速性能好、体积小、效率高等优点,因此被广泛应用于国民经济生产的各个领域。在无刷直流电机的控制策略方面,属于智能控制理论的模糊控制其突出优点在于不依赖于被控对象的模型,而是利用所制定的模糊控制规则进行推理来得到恰当的控制量。但是单一的模糊控制算法没有积分环节,稳态误差很难被消除,所以将常规PID控制策略与模糊控制策略相复合,可以获得良好的动、静态性能。但数字式模糊PID算法需要处理大量数据,对系统处理器提出了较高的要求。FPGA的出现为该算法的实现提供了硬件基础,使无刷直流电机的模糊PID控制有了实现的可能。本文通过一系列理论分析,根据硬件实现要求,设计了基于模糊控制的PID参数自整定方案,采用直线形隶属度函数,简化了模糊化及模糊推理过程,降低了硬件实现的难度。无刷直流电机控制系统的设计,采用了SG/Simulink混合建模的方法,在MATLAB/Simulink环境下,利用Simulink标准库模块构建了无刷直流电机本体模块部分,利用SG模块构建了系统的控制模块,通过SG中的Gateway模块实现SG模块与Simulink标准库模块之间无缝整合。整个系统的规划、设计和最终硬件的实现都是在图形化的环境中完成的,操作起来方便、简单,极大地缩短了控制系统方案设计和最终确定的周期。仿真结果证明了该模糊PID控制器的合理性。本文最后针对无刷直流电机模糊控制技术存在的问题以及后续的研究工作给出了自己的见解。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 研究背景  9
  1.2 国内外研究及应用现状  9-15
    1.2.1 无刷直流电机  9-11
    1.2.2 控制理论  11-13
    1.2.3 电机控制器  13-15
  1.3 论文的主要研究内容及安排  15
  1.4 本章小结  15-17
第二章 无刷直流电机的基本结构及其运行原理  17-31
  2.1 无刷直流电机的结构  17-22
    2.1.1 电机本体  17-20
    2.1.2 控制电路  20
    2.1.3 转子位置传感器  20-22
  2.2 无刷直流电机的基本工作原理  22-25
  2.3 无刷直流电机的数学模型  25-26
  2.4 无刷直流电机的运行特性和传递函数  26-30
  2.5 本章小结  30-31
第三章 基于FPGA的无刷直流电机控制系统硬件设计  31-45
  3.1 总体结构设计  31-32
  3.2 Spartan-3E Starter Kit Board开发板  32-43
    3.2.1 Spartan-3E特征简介  32-40
    3.2.2 A/D转换电路  40-41
    3.2.3 D/A转换电路  41-43
  3.4 本章小结  43-45
第四章 模糊PID控制器的设计  45-57
  4.1 PID控制器  45-48
    4.1.1 PID控制原理  45-46
    4.1.2 PID控制器各参数对控制效果的影响  46-47
    4.1.3 PID控制器的局限性及其发展方向  47-48
  4.2 模糊控制  48-49
  4.3 模糊自适应PID控制器的设计  49-55
    4.3.1 模糊自适应PID控制系统结构  49
    4.3.2 模糊控制器的模糊化设计  49-51
    4.3.3 模糊PID控制器控制规则表的设计  51-52
    4.3.4 解模糊方法  52-53
    4.3.5 在MATLAB环境下设计模糊PID控制器  53-55
  4.4 本章小结  55-57
第五章 基于SG/Simulink无刷直流电机模糊控制系统混合建模与仿真  57-71
  5.1 FPGA设计输入方法  57-59
  5.2 SG建模方法  59-62
    5.2.1 MATLAB、Simulink和SG设计环境  59-61
    5.2.2 SG信号的数据类型  61
    5.2.3 SG模块的硬件实现  61-62
  5.3 基于SG/Simulink无刷直流电机模糊PID系统的建模方法  62-64
  5.4 SG建立电流控制模块  64
  5.5 SG建立模糊控制器  64-68
    5.5.1 SG实现模糊化  64-67
    5.5.2 SG实现模糊推理  67-68
    5.5.3 SG实现解模糊  68
  5.6 模糊PID仿真验证  68-70
  5.7 本章小结  70-71
第六章 结论与展望  71-73
  6.1 结论  71
  6.2 展望  71-73
致谢  73-75
参考文献  75-79
附录(硕士在读期间发表论文题目)  79

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 直流电机
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