[發明專利]一種基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統及方法

有效

• 申請號: 201510012805.2
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104709748A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 尚春陽;鄢明;莊健;李澤清;張虹虹
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B65H23/198
• 分類號: B65H23/198
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

1.一種基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統，其特征在于：包括用于檢測薄膜收卷張力的張力信號采集模塊、帶有FPGA控制芯片的薄膜收卷張力控制模塊、帶有無刷直流電機的薄膜收卷模塊以及用于設定系統初始值并用于薄膜張力顯示的上位機操作面板；

張力信號采集模塊的輸出端與薄膜收卷張力控制模塊的信號輸入端相連，薄膜收卷張力控制模塊分別與薄膜收卷模塊和上位機操作面板交互；FPGA控制芯片用于實現模糊PID控制和無刷直流電機雙閉環控制。

2.根據權利要求1所述的基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統，其特征在于：所述薄膜收卷張力控制模塊包括用于轉換薄膜收卷張力信號的A/D轉換電路、用于與上位機操作面板進行通信的通信電路、FPGA控制芯片以及用于控制收卷輥收卷速度的無刷直流電機控制模塊；其中，A/D轉換電路的輸入端與張力信號采集模塊的輸出端相連，A/D轉換電路的輸出端與FPGA控制芯片的信號輸入端相連，無刷直流電機控制模塊分別與FPGA控制芯片和薄膜收卷模塊相交互。

3.根據權利要求1或2所述的基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統，其特征在于：所述張力信號采集模塊包括張力傳感器及信號調理電路；張力傳感器的信號輸出端通過A/D轉換電路與薄膜收卷張力控制模塊中的FPGA控制芯片相連。

4.根據權利要求2所述的基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統，其特征在于：所述無刷直流電機控制模包括用于檢測無刷直流電機電流的電流檢測電路、用于檢測無刷直流電機位置的位置檢測電路以及用于驅動無刷直流電機的驅動電路及三相橋式逆變器；無刷直流電機驅動電路的輸入端與FPGA控制芯片的6路PWM輸出端相連，無刷直流電機驅動電路的輸出端與三相橋式逆變器的輸入端相接，同時三相橋式電路的輸出端與無刷直流電機及電流檢測電路的輸入端相接，位置檢測電路的輸入端與無刷直流電機相連，電流檢測電路和位置檢測電路的信號輸出端與FPGA控制芯片的信號輸入端相接。

5.根據權利要求1或2所述的基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統，其特征在于：所述FPGA控制芯片包括模糊PID控制器、無刷直流電機雙閉環控制系統以及用于輸出PWM波的PWM輸出模塊；其中，模糊PID控制器用于實現電機轉速設定；無刷直流電機雙閉環控制系統用于實現無刷直流電機雙閉環控制的PI速度調節控制和PI電流調節控制；

FPGA控制芯片的ROM中存儲有模糊控制查找表，通過VHDL將用于實現電機轉速設定的模糊PID控制算法、用于實現無刷直流電機雙閉環控制的PI速度調節控制算法、PI電流調節控制算法以及PWM波輸出算法固化到FPGA中。

6.根據權利要求5所述的基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統，其特征在于：所述模糊控制查找表是使用Matlab工具對系統數學模型進行Simulink仿真，在確定了量化因子、基本論域、模糊論域，根據專家經驗和仿真調試建立模糊控制規則表，進行模糊推理并采用重心法解模糊后查詢得到的。

7.根據權利要求1或2所述的基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統，其特征在于：所述薄膜收卷張力控制模塊還包括用于實現復位操作的復位電路、用于參考信號的時鐘電路。

8.根據權利要求1或2所述的基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統，其特征在于：所述薄膜收卷模塊包括用于收卷薄膜并安裝在收卷輥上的卷筒以及用于控制卷筒轉速的無刷直流電機；無刷直流電機的輸出軸與卷筒的轉軸連接。

9.一種如權利要求6所述控制系統的基于FPGA的薄膜收卷張力控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

a)系統初始化

通過上位機控制面板輸入薄膜收卷張力值及控制算法初始值；

b)信號采集

張力信號采集模塊采集薄膜收卷過程中薄膜上的張力值；

c)控制輸出量的調整

由FPGA控制芯片中的模糊PID控制器和無刷直流電機雙閉環控制系統實現，將步驟b)中采集到的張力值通過A/D轉換為數字量的張力信號，輸入到模糊PID控制器中，與步驟a)中輸入的設定張力值比較，經處理器計算得到張力偏差e和偏差變化率ec其中ec＝de/dt；將e和ec模糊量化得出編碼值E、Ec，輸入到ROM中的模糊控制查找表查詢得到PID參數的修正量Δkp、Δki、Δkd，然后結合PID初始參數值，在線自整定得到調整后的PID三個參數，將整定后的Kp、Ki、Kd輸入到增量式PID控制算法計算，得到無刷直流電機速度設定值；速度設定值與無刷直流電機位置檢測電路得到的無刷直流電機實際轉速值，經過處理得到速度偏差v，輸入到速度PI算法模塊，計算得到無刷直流電機的電流參考值；無刷直流電機電流參考值與無刷直流電機電流檢測電路得到的無刷直流電機三相實際電流值經計算得到電流偏差，經過PI算法輸出控制量，再經過PWM控制器輸出得到6路PWM波；

d)控制信號輸出

6路PWM波經無刷直流電機驅動電路輸出給三相橋式逆變器，控制功率管的開斷，從而實現無刷直流電機的速度調節，無刷直流電機驅動收卷輥，調節收卷輥的轉速，實現薄膜收卷張力的恒定控制；

e)重復步驟b)～d)，如果設定的張力值發生改變，則系統會自動調節收卷速度，最后實現薄膜收卷張力在設置值及允許的波動范圍內，維持穩定。