摘　要：本文提出了一種基于fpag芯片的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)中利用fpga狀態(tài)機(jī)高效地控制adc進(jìn)行信號(hào)采集。在fpga中搭建的模糊控制器通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流的連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了恒速、恒轉(zhuǎn)矩和恒流等控制策略。

　　關(guān)鍵詞：電渦流緩速器;fpga;狀態(tài)機(jī);模糊控制

　　引言

　　電渦流緩速器的工作原理基于電磁感應(yīng)理論。作為一種輔助制動(dòng)裝置，其減少了主制動(dòng)裝置的機(jī)械摩擦，既提高了壽命，又提高了車輛行駛的安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，越來(lái)越受到汽車制造廠家的青睞。但是，由于汽車領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性要求較高，且模糊控制算法涉及到頻繁的多字節(jié)數(shù)據(jù)的乘除運(yùn)算，而fpga在實(shí)現(xiàn)算法方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，因此本文將基于fpga進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，本文結(jié)合基于fpga的32位精簡(jiǎn)指令軟核nios編程，能很好地解決實(shí)時(shí)性與控制靈活性之間的矛盾。

　　節(jié)能型電渦流緩速器

　　目前大部分電渦流緩速器利用蓄電池或自帶發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生勵(lì)磁電流，這兩種方法在緩速時(shí)都不能最優(yōu)化地將車輛所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為剎車能量。

　　本系統(tǒng)根據(jù)電渦流緩速器制動(dòng)力矩的大小對(duì)自發(fā)電機(jī)和蓄電池進(jìn)行調(diào)度，電渦流緩速器制動(dòng)力矩公式如下：

　　這里，lg為氣隙間距; d為鐵心直徑;r1為勵(lì)磁線圈中心點(diǎn)的半徑;np為磁極對(duì)數(shù); n為勵(lì)磁線圈繞組匝數(shù);i為勵(lì)磁線圈繞組電流;r為轉(zhuǎn)子盤電阻率;mr為轉(zhuǎn)子盤相對(duì)磁導(dǎo)率;w為轉(zhuǎn)子角速度。

　　當(dāng)車速較大時(shí)，自發(fā)電機(jī)在一定電壓下的輸出電流大于i，將一部分電能用于制動(dòng)，剩下的電能儲(chǔ)存到蓄電池;當(dāng)車速較慢時(shí)，自發(fā)電機(jī)在一定電壓下的輸出電流小于i，則從蓄電池輸出電流到繞組線圈產(chǎn)生勵(lì)磁電流，從而最大限度地利用能源。

　　基于fpga的電渦流緩速器控制系統(tǒng)

　　為了提升系統(tǒng)可靠性和靈活性，本控制器根據(jù)功能需求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要包括adc0809控制、nios處理器、模糊控制器、電源控制、pwm、lcd顯示等模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電渦流緩速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)首先由adc0809控制模塊控制adc進(jìn)行各種信號(hào)，如溫度、電壓等信號(hào)的采集，然后通過(guò)avalon總線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥：刂破�、電源控制等模塊。電源控制模塊根據(jù)車速會(huì)對(duì)蓄電池和自發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量調(diào)度，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能;模糊控制器模塊根據(jù)恒速、恒流等控制策略，計(jì)算出用于控制 pwm占空比的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)。

　　adc0809控制模塊

　　信號(hào)采集是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，它的好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。采用fpga控制adc的方式能有效降低外界干擾對(duì)采樣造成的影響，提高可靠性。另外，利用fpga狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生的時(shí)序控制adc時(shí)，控制周期短、速度快，能提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　使用狀態(tài)機(jī)控制adc0809芯片采樣，包括時(shí)序控制和數(shù)據(jù)的讀取。首先，狀態(tài)機(jī)輸出兩路信號(hào)先后控制引腳ale和start，一旦start 有效，狀態(tài)信號(hào)eoc即變?yōu)榈碗娖剑硎具M(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)通過(guò)不斷檢測(cè)adc0809引腳eoc的電平來(lái)判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。若eoc為高電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，狀態(tài)機(jī)輸出信號(hào)使引腳oe由低電平變?yōu)楦唠娖剑詈笞x取轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，主要verilog代碼如下。

　　always @ ( eoc ,state )

　　begin case ( state )

　　st0 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b0; state <=#1 st1; end

　　st1 :begin ale <= #1 1'b1; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b0; state <=#1 st2; end

　　st2 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b1; oe <= #1 1'b0; state <=#1 st3; end

　　st3 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b0;

　　state<=(eoc==1'b1)? #1 st3:st4; end

　　st4 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b0;

　　state<=(eoc==1'b0)? #1 st4:st5; end

　　st5 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b1; state <=#1 st6; end

　　st6 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b1; state <=#1 st0; end

　　default : begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b0; state <=#1 st0; end

　　endcase end

　　模糊控制器模塊

　　電渦流緩速器是一個(gè)非線性系統(tǒng)、強(qiáng)耦合、模型較復(fù)雜的對(duì)象。由于常規(guī)pid控制不具備在線調(diào)整參數(shù)的功能，所以不適于勵(lì)磁電流與車速呈非線性關(guān)系的系統(tǒng)控制。而模糊理論具有很強(qiáng)的非線性建模能力，能完成復(fù)雜系統(tǒng)的非線性映射功能，將模糊推理機(jī)制引入到測(cè)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電渦流緩速器的最佳控制，以滿足實(shí)際的行車情況，控制器原理圖如圖2所示。

　　摘　要：本文提出了一種基于fpag芯片的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)中利用fpga狀態(tài)機(jī)高效地控制adc進(jìn)行信號(hào)采集。在fpga中搭建的模糊控制器通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流的連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了恒速、恒轉(zhuǎn)矩和恒流等控制策略。

　　關(guān)鍵詞：電渦流緩速器;fpga;狀態(tài)機(jī);模糊控制

　　引言

　　電渦流緩速器的工作原理基于電磁感應(yīng)理論。作為一種輔助制動(dòng)裝置，其減少了主制動(dòng)裝置的機(jī)械摩擦，既提高了壽命，又提高了車輛行駛的安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，越來(lái)越受到汽車制造廠家的青睞。但是，由于汽車領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性要求較高，且模糊控制算法涉及到頻繁的多字節(jié)數(shù)據(jù)的乘除運(yùn)算，而fpga在實(shí)現(xiàn)算法方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，因此本文將基于fpga進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，本文結(jié)合基于fpga的32位精簡(jiǎn)指令軟核nios編程，能很好地解決實(shí)時(shí)性與控制靈活性之間的矛盾。

　　節(jié)能型電渦流緩速器

　　目前大部分電渦流緩速器利用蓄電池或自帶發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生勵(lì)磁電流，這兩種方法在緩速時(shí)都不能最優(yōu)化地將車輛所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為剎車能量。

　　本系統(tǒng)根據(jù)電渦流緩速器制動(dòng)力矩的大小對(duì)自發(fā)電機(jī)和蓄電池進(jìn)行調(diào)度，電渦流緩速器制動(dòng)力矩公式如下：

　　這里，lg為氣隙間距; d為鐵心直徑;r1為勵(lì)磁線圈中心點(diǎn)的半徑;np為磁極對(duì)數(shù); n為勵(lì)磁線圈繞組匝數(shù);i為勵(lì)磁線圈繞組電流;r為轉(zhuǎn)子盤電阻率;mr為轉(zhuǎn)子盤相對(duì)磁導(dǎo)率;w為轉(zhuǎn)子角速度。

　　當(dāng)車速較大時(shí)，自發(fā)電機(jī)在一定電壓下的輸出電流大于i，將一部分電能用于制動(dòng)，剩下的電能儲(chǔ)存到蓄電池;當(dāng)車速較慢時(shí)，自發(fā)電機(jī)在一定電壓下的輸出電流小于i，則從蓄電池輸出電流到繞組線圈產(chǎn)生勵(lì)磁電流，從而最大限度地利用能源。

　　基于fpga的電渦流緩速器控制系統(tǒng)

　　為了提升系統(tǒng)可靠性和靈活性，本控制器根據(jù)功能需求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要包括adc0809控制、nios處理器、模糊控制器、電源控制、pwm、lcd顯示等模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電渦流緩速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)首先由adc0809控制模塊控制adc進(jìn)行各種信號(hào)，如溫度、電壓等信號(hào)的采集，然后通過(guò)avalon總線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥：刂破�、電源控制等模塊。電源控制模塊根據(jù)車速會(huì)對(duì)蓄電池和自發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量調(diào)度，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能;模糊控制器模塊根據(jù)恒速、恒流等控制策略，計(jì)算出用于控制 pwm占空比的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)。

　　adc0809控制模塊

　　信號(hào)采集是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，它的好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。采用fpga控制adc的方式能有效降低外界干擾對(duì)采樣造成的影響，提高可靠性。另外，利用fpga狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生的時(shí)序控制adc時(shí)，控制周期短、速度快，能提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　使用狀態(tài)機(jī)控制adc0809芯片采樣，包括時(shí)序控制和數(shù)據(jù)的讀取。首先，狀態(tài)機(jī)輸出兩路信號(hào)先后控制引腳ale和start，一旦start 有效，狀態(tài)信號(hào)eoc即變?yōu)榈碗娖�，表示進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)通過(guò)不斷檢測(cè)adc0809引腳eoc的電平來(lái)判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。若eoc為高電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，狀態(tài)機(jī)輸出信號(hào)使引腳oe由低電平變?yōu)楦唠娖�，最后讀取轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，主要verilog代碼如下。

　　always @ ( eoc ,state )

　　begin case ( state )

　　st0 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b0; state <=#1 st1; end

　　st1 :begin ale <= #1 1'b1; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b0; state <=#1 st2; end

　　st2 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b1; oe <= #1 1'b0; state <=#1 st3; end

　　st3 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b0;

　　state<=(eoc==1'b1)? #1 st3:st4; end

　　st4 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b0;

　　state<=(eoc==1'b0)? #1 st4:st5; end

　　st5 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b1; state <=#1 st6; end

　　st6 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b1; state <=#1 st0; end

　　default : begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; oe <= #1 1'b0; state <=#1 st0; end

　　endcase end

　　模糊控制器模塊

　　電渦流緩速器是一個(gè)非線性系統(tǒng)、強(qiáng)耦合、模型較復(fù)雜的對(duì)象。由于常規(guī)pid控制不具備在線調(diào)整參數(shù)的功能，所以不適于勵(lì)磁電流與車速呈非線性關(guān)系的系統(tǒng)控制。而模糊理論具有很強(qiáng)的非線性建模能力，能完成復(fù)雜系統(tǒng)的非線性映射功能，將模糊推理機(jī)制引入到測(cè)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電渦流緩速器的最佳控制，以滿足實(shí)際的行車情況，控制器原理圖如圖2所示。