张力值，经处理器计算得到张力偏差e和偏差变化率ec其中ec = de/dt ;将e和ec模糊量化得出编码值E、Ec，输入到ROM中的模糊控制查找表查询得到PID参数的修正量Akp、Ak1、Akd，然后结合PID初始参数值，在线自整定得到调整后的PID三个参数，将整定后的Kp、K1、Kd输入到增量式PID控制算法计算，得到无刷直流电机速度设定值；速度设定值与无刷直流电机位置检测电路得到的无刷直流电机实际转速值，经过处理得到速度偏差V，输入到速度PI算法模块，计算得到无刷直流电机的电流参考值；无刷直流电机电流参考值与无刷直流电机电流检测电路得到的无刷直流电机三相实际电流值经计算得到电流偏差，经过PI算法输出控制量，再经过PWM控制器输出得到6路PWM波。
[0059]模糊控制查找表是使用Matlab工具对系统数学模型进行Simulink仿真，在确定了量化因子、基本论域、模糊论域，根据专家经验和仿真调试建立模糊控制规则表，进行模糊推理并采用重心法解模糊后查询得到的，模糊控制结构框图如图3所示。将该控制表以.mif的格式存储在FPGA控制芯片的ROM中，通过离线计算、在线查表的方式，可以使得模糊PID过程简化FPGA控制芯片的计算量大大减小，提高实时系统控制的速度，降低了编程难度并缩减了设计周期；
[0060]d)控制信号输出，6路PWM波经无刷直流电机驱动电路输出给三相桥式逆变器，控制功率管的开断，从而实现无刷直流电机的速度调节，无刷直流电机驱动收卷辊，调节收卷辊的转速，实现薄膜收卷张力的恒定控制。
[0061]e)重复步骤b)?d)，如果设定的张力值发生改变，则系统会自动调节收卷速度，最后实现薄膜收卷张力在设置值及允许的波动范围内，维持稳定。
[0062]本系统实时对张力值，速度及电流值进行检测、计算，实时的对薄膜的张力进行调节，以维持张力的恒定控制。
[0063]以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统，其特征在于:包括用于检测薄膜收卷张力的张力信号采集模块、带有FPGA控制芯片的薄膜收卷张力控制模块、带有无刷直流电机的薄膜收卷模块以及用于设定系统初始值并用于薄膜张力显示的上位机操作面板； 张力信号采集模块的输出端与薄膜收卷张力控制模块的信号输入端相连，薄膜收卷张力控制模块分别与薄膜收卷模块和上位机操作面板交互；FPGA控制芯片用于实现模糊PID控制和无刷直流电机双闭环控制。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统，其特征在于:所述薄膜收卷张力控制模块包括用于转换薄膜收卷张力信号的A/D转换电路、用于与上位机操作面板进行通信的通信电路、FPGA控制芯片以及用于控制收卷辊收卷速度的无刷直流电机控制模块；其中，A/D转换电路的输入端与张力信号采集模块的输出端相连，A/D转换电路的输出端与FPGA控制芯片的信号输入端相连，无刷直流电机控制模块分别与FPGA控制芯片和薄膜收卷模块相交互。
3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统，其特征在于:所述张力信号采集模块包括张力传感器及信号调理电路；张力传感器的信号输出端通过A/D转换电路与薄膜收卷张力控制模块中的FPGA控制芯片相连。
4.根据权利要求2所述的基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统，其特征在于:所述无刷直流电机控制模包括用于检测无刷直流电机电流的电流检测电路、用于检测无刷直流电机位置的位置检测电路以及用于驱动无刷直流电机的驱动电路及三相桥式逆变器；无刷直流电机驱动电路的输入端与FPGA控制芯片的6路PWM输出端相连，无刷直流电机驱动电路的输出端与三相桥式逆变器的输入端相接，同时三相桥式电路的输出端与无刷直流电机及电流检测电路的输入端相接，位置检测电路的输入端与无刷直流电机相连，电流检测电路和位置检测电路的信号输出端与FPGA控制芯片的信号输入端相接。
5.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统，其特征在于:所述FPGA控制芯片包括模糊PID控制器、无刷直流电机双闭环控制系统以及用于输出PWM波的PWM输出模块；其中，模糊PID控制器用于实现电机转速设定；无刷直流电机双闭环控制系统用于实现无刷直流电机双闭环控制的PI速度调节控制和PI电流调节控制； FPGA控制芯片的ROM中存储有模糊控制查找表，通过VHDL将用于实现电机转速设定的模糊PID控制算法、用于实现无刷直流电机双闭环控制的PI速度调节控制算法、PI电流调节控制算法以及PWM波输出算法固化到FPGA中。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统，其特征在于:所述模糊控制查找表是使用Matlab工具对系统数学模型进行Simulink仿真，在确定了量化因子、基本论域、模糊论域，根据专家经验和仿真调试建立模糊控制规则表，进行模糊推理并采用重心法解模糊后查询得到的。
7.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统，其特征在于:所述薄膜收卷张力控制模块还包括用于实现复位操作的复位电路、用于参考信号的时钟电路。
8.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统，其特征在于:所述薄膜收卷模块包括用于收卷薄膜并安装在收卷辊上的卷筒以及用于控制卷筒转速的无刷直流电机；无刷直流电机的输出轴与卷筒的转轴连接。
9.一种如权利要求6所述控制系统的基于FPGA的薄膜收卷张力控制方法，其特征在于，包括以下步骤: a)系统初始化 通过上位机控制面板输入薄膜收卷张力值及控制算法初始值； b)?目号米集 张力信号采集模块采集薄膜收卷过程中薄膜上的张力值； c)控制输出量的调整 由FPGA控制芯片中的模糊PID控制器和无刷直流电机双闭环控制系统实现，将步骤b)中采集到的张力值通过A/D转换为数字量的张力信号，输入到模糊PID控制器中，与步骤a)中输入的设定张力值比较，经处理器计算得到张力偏差e和偏差变化率ec其中ec = de/dt ;将e和ec模糊量化得出编码值E、Ec，输入到ROM中的模糊控制查找表查询得到PID参数的修正量Δ?φ、Ak1、Akd，然后结合PID初始参数值，在线自整定得到调整后的PID三个参数，将整定后的Kp、K1、Kd输入到增量式PID控制算法计算，得到无刷直流电机速度设定值；速度设定值与无刷直流电机位置检测电路得到的无刷直流电机实际转速值，经过处理得到速度偏差V，输入到速度PI算法模块，计算得到无刷直流电机的电流参考值；无刷直流电机电流参考值与无刷直流电机电流检测电路得到的无刷直流电机三相实际电流值经计算得到电流偏差，经过PI算法输出控制量，再经过PWM控制器输出得到6路PWM波； d)控制信号输出 6路PWM波经无刷直流电机驱动电路输出给三相桥式逆变器，控制功率管的开断，从而实现无刷直流电机的速度调节，无刷直流电机驱动收卷辊，调节收卷辊的转速，实现薄膜收卷张力的恒定控制； e)重复步骤b)?d)，如果设定的张力值发生改变，则系统会自动调节收卷速度，最后实现薄膜收卷张力在设置值及允许的波动范围内，维持稳定。
【专利摘要】本发明公开了一种基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统及方法，包括张力信号采集模块、薄膜收卷张力控制模块，薄膜收卷模块及上位机操作面板。本发明利用可编程逻辑器件FPGA控制芯片实现模糊PID控制算法，得到无刷直流电机的速度控制量，结合无刷直流电机的双闭环控制算法，进而对薄膜收卷过程中张力改变时控制信号做出相应的改变和调整，通过对薄膜张力的实时采集，利用模糊PID控制算法，能够实现薄膜收卷过程中张力的恒定控制；开发成本低、系统集成度高、稳态性能好、响应速度快控制精度高，适应性强。
【IPC分类】B65H23-198
【公开号】CN104709748
【申请号】CN201510012805
【发明人】尚春阳, 鄢明, 庄健, 李泽清, 张虹虹
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年1月9日