基于FPGA和DMC算法的无叶风扇的设计

黄莺，陶汉卿

(柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545007)

0 引言

随着我国城市居民生活水平的不断提高，人们对风扇的消费需求也发生了明显的变化。无叶风扇也叫空气增倍机，它能产生自然持续的凉风，无叶片，不会覆盖尘土或伤到好奇儿童手指。在无叶风扇的基座中带有一个40 W直流电机驱动的涡轮风扇，每秒钟可以将33 L的空气吸入风扇基座内部，经涡轮风扇增压后进入风扇上部的环形流道，从1.3 mm宽的切口吹出。由于环形流道独特的弧度设计，风量被放大15倍左右，无叶风扇可以向前送出大约500 L/s的风量。无叶风扇在多项方面都优于传统的叶片风扇，而价格却几乎与传统风扇相近，远远低于空调的费用，并且以安全、环保、健康、创意、省电、方便、理想、舒适和价廉等优点，占领了市场，成为了人们的首选。

1 电路总体设计

系统可以通过无叶风扇控制器前面板的按键，实现无叶风扇的气压(风量)大小设定和起动停止控制功能，按“上升键”或“下降键”可以设定无叶风扇气压的大小，设定值在数码管上显示，每按一次按键，增加或减小10 Pa气压值，设定范围从0 Pa到400 Pa;按“启动键”可实现无叶风扇的起动功能，“停止键”可实现无叶风扇的停止功能。无叶风扇运行时实际输出的气压实行闭环控制，跟随设定的气压。实际的气压值在数码管上显示。按停止键后无叶风扇停止运行，气压设定值保持不变。

根据系统任务的要求，无叶风扇控制器由气压传感器、信号放大电路、AD转换电路、FPGA控制电路、数码显示与键盘电路和电机驱动电路等组成。气压检测采用MPXV7002集成硅压传感器、FPGA控制部分采用Xinlinx公司的XC6SLX9－TQG144为主控芯片，AD转换采用I2C通讯接口的4路12位转换芯片AD7991，数码管显示和键盘由FPGA直接控制，电机驱动采用脉宽调制控制。具体的电路框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 硬件设计

2.1 处理器

系统中的FPGA控制部分采用Xinlinx公司的XC6SLX9－TQG144。该芯片是Xilinx(赛灵思)Spartan系列产品之一，具有低成本、低风险、低功耗以及高性能的特点。Spartan－6 FPGA系列的高效双寄存器6输入LUT(查找表)逻辑结构利用了可靠成熟的Virtex架构，支持跨平台兼容性以及优化系统性能，具有丰富的内建系统级模块，包括DSP逻辑片、高速收发器以及PCI Express®接口内核，提供更高程度的系统级集成，使得设计非常简单和直接。

2.2 显示电路

虽然由于单片机等CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。74HC245是一款高速CMOS器件，可充当一个8输出多路分配器，可应用于要求传输延迟时间短的数据传输系统和高性能存贮器系统中，提高译码系统的效率。具体显示电路如图2所示。

图2 数码管显示电路图

2.3 按键电路

根据题目的需要，需要设置四个按键，其作用分别为“上升键”、“下降键”、“启动键”和“停止键”。按键采用的是独立式的按键输入，电路简单，实现方便。具体电路如图3所示。

2.4 气压电路

传感器采用摩托罗拉公司的高性能扩散硅压力传感器MPXV7200DP，并通过专门的保护支座安装在线路板上。处理电路采用由运算放大器构成的两级放大电路实现对信号的调整、放大。该模块可用DC 12 V供电，输出为模拟量信号，然后接入AD转换进行转换。具体电路如图4所示。

图3 按键电路图

图4 气压传感器电路处理图

2.5 AD转换电路

AD7991是12位、低功耗、转换速度快、4个模拟输入通道的AD转换器，工作电压2.7 V～5.5 V，提供2线串行接口，兼容I2C接口。AD7991芯片的I2C必须接上位电阻，每通道输入电压范围0～VDD。具体电路如图5所示。

2.6 电机电路

TLP521是可控制的光电藕合器件，主要是应用电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计。D3和D5主要是起到保护的作用。具体电路如图6所示。

3 软件设计

3.1 控制策略算法

无叶风扇运行时实际输出的气压应闭环控制，能随设定的气压变化而变化。采用DMC算法能更好实现气压的控制，此算法具有良好的跟踪性能和较强的鲁棒性［1］，近年来在工业过程控制领域中得到广泛重视和应用的一类预测控制算法［2－3］。DMC算法是基于被控对象单位阶跃响应非参数模型的预测控制算法。通过反馈校正和滚动优化当前和未来时刻的控制量，使得输出响应符合预先设定的轨迹。DMC算法包括3个部分:预测模型、滚动优化、反馈校正［4］。在实际过程中，根据控制要求的侧重点，选择合适参数向量，兼顾鲁棒性和抗干扰性的要求［5］。DMC算法容易由高级语言实现［6］。DMC算法的FPGA实现过程如下:

第一步:初始化参数，比如采样时间周期Ts，预测步长P，控制步长M，截断步长N，控制量最大值umax，参考轨迹参数a，误差加权矩阵Q，调整控制加权矩阵系数、输出预测值Yr。

第二步:对被测的电压进行测定，将采样的电压送入预测模型参数Yr，计算期望的输出值。

第三步:计算偏移控制量Δu(k)，不断地叠加到系统中，用于校正输出值，使系统在未来P个时刻的输出值尽可能接近期望值。

第四步:把检测气压的实际值与模型预测输出值进行比较，计算误差值e(k+1)，使用对e(k+1)加偏移的方式进行修正，构成了闭环优化。

第五步:输出期望值。然后跳转第二步，依次循环，直到符合要求。

3.2 气压与电压关系

本设计中采用的是无叶风扇的套件。由于风速与气压存在一定关系，风速大，气压就大，反之，风速小，气压就小。在无叶风扇的环形流道上增加了气压监测孔，连接气压传感器和U型压力计，气压传感器用于气压反馈，在使用过程中使用U型压力计用于气压标定。气压传感器输出的是电压信号。因此，检测出电压值就可根据关系曲线求出气压。使用气压传感器检测气压，通过由运放构成的两级放大电路实现对信号的放大、调理，送入FPGA进行处理。通过测定气压与电压关系如公式(1)所示:

公式中，取Vs=5 V，取放大倍数为8，经过差分放大后，输出电压与压强关系:当Kpa=500 Pa时，Vout=4 V。

4 系统程序流程

系统软件采用结构化模块设计。主程序包括初始化、按键输入检测程序、数码管显示程序和电压的采集和处理程序等。具体流程如图7所示。

5 产品调试

5.1 算法仿真测试

使用MATLAB软件对算法的效果进行仿真。MATLAB软件提供了一系列的函数，比如模型预测控制器设计仿真工具、模型建立和转换等，可以很容易对已知被控参数进行预测分析和研究。本系统中，经反复验证修改，取采样时间周期Ts=1 s，预测步长P=20，控制步长M=4，截断步长N=100，控制量最大值umax=400，参考轨迹参数a=0.4，误差加权矩阵为单位矩阵，调整控制加权矩阵系数。

具体的实验数据波形如图8和图9所示。图8是设置输入气压为300 Pa时输出气压与时间关系曲线，图9是设置输入气压为100 Pa时输出气压与时间关系曲线。气压跟踪过程迅速稳定，定点量准确，说明DMC算法对快速跟踪设置的气压，可获得良好的控制效果和性能。

图7 控制系统软件流程图

图8 输入气压=300 Pa，输出气压与时间关系曲线

图9 输入气压=100 Pa，输出气压与时间关系曲线

5.2 无叶风扇成品的测试

产品焊接调试好后，检查连线无误，接上电源，对产品进行了实验。按下“启动键”可以启动无叶风扇，按下“停止键”可以实现无叶风扇的停止。通过“上升键”和“下降键”可以调整输出无叶风扇的气压，同时在数码管上可以正常显示调整的气压。通过“上升键”把设定值设置为100 Pa和300 Pa，通过观察数码管可以显示实际的气压值，记下从开始到输出设定值所需要的时间大概是6～7 s，然后数值一直保持在设置值，直到新的设定值被重新设置。通过“上升键”和“下降键”把气压设置为0～400 Pa范围，输出气压都能跟随设定的气压变化，所需时间都在8 s以内。测试结果说明，气压跟踪过程迅速稳定，定点准确快速，使用DMC算法可获得良好的控制效果和性能。

6 总结

针对现在市场上流行的无叶风扇，本文介绍了无叶风扇的硬件和软件设计，并阐述DMC算法在无叶风扇中对风速的控制。风扇风速能快速跟踪设置的风速，具有较好的稳定性和准确性。此方法也可以加以修改应用于其它类似的产品中去。今后的工作，要对DMC算法进一步改进，或者编写自己的算法，通过对多参数的共同控制，达到快速控制输出气压的效果。

［1］吴夏来，戴文战.一种改进的广义预测算法及其在三容液位控制中的应用［J］.浙江理工大学学报，2010，27(5):729－732.

［2］马文学，钟汉枢.动态矩阵控制研究进展及其应用现状［J］.重庆工业高等专科学校学报，2005，20(1):49－52.

［3］周福恩，毕效辉.动态矩阵预测控制算法在过程控制中的应用研究［J］.南通航运职业技术学院学报，2005，4(1):43－45.

［4］潘春月，余剑敏.动态矩阵控制算法的电磁振动定量给料控制系统［J］.轻工机械，2008，26(2):102－104.

［5］刘桂英，杭进.动态矩阵控制在电阻炉温度控制系统中的应用［J］.北华大学学报(自然科学版)，2009，10(3):285－288.

［6］杨俊，马姝姝.基于PLC的动态矩阵控制算法实现［J］.工业仪表与自动化装置，2008(4):68－70.