基于FPGA的直流电机数字PID闭环控制器设计
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2024-01-05
09:52:57
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数字 PID 控制器的设计
摘要：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。
关键词：直流电机;FPGA；PID 控制
一 前言
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。
二 直流电机
2.1 直流电机控制系统
系统主要由 PID 控制器、光电测速器（编码器）、PWM 脉冲宽度调制器、直
流电机等组成。其中控制器采用数字 PID 控制器；采样采用光电编码器；PWM 脉
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