《基于matlab的电机智能控制器的设计与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于matlab的电机智能控制器的设计与实现（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电机与电器 1767 基于 Matlab 的电机智能控制器的设计与实现 龚思远1 杨 鹏1 宋 亮2 1河北工业大学电气自动化学院 天津 300130 2国家康复辅具研究中心 北京 100020 【摘 要】 提出一种利用 MATLAB 工具箱来对电机进行仿真和对控制器进行设计的方法。利用SimPowerSystems 工具箱对机电部分进行仿真和模糊 PID 算法验证。使用 Target for TI C2000 工具箱将设计好的 Simulink 模型生成执行在 DSP TMS320F2812 的代码。通过MATLAB 与 TI CCS 软件的连接将代码装载到 DSP 芯片中。使用模块化的方式
2、设计 DSP 程序能够简化程序设计，提高程序可靠性。程序运行过程中的 DSP 通过 RS232 接口与Simulink 中的模块进行数据通信，将实际信号引入到显示回路中，实现了系统的高可视化。实验结果表明系统能够达到很高的性能要求。 【关键词】 MATLAB 直流伺服电机 SimPowerSystems Target for TI C2000 模糊 PID 控制 Design and Application of Intelligent Motor Controller Based on MATLAB Gong Siyuan Yang Peng Song Liang Electrical En
3、gineering and Automation School，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China Abstract：The paper proposed a control and simulation method of the DC servo motor control system based on MATLAB. MATLAB toolbox SimPowerSystems was used to simulate the electromechanical system of system and verify
4、the fuzzy PID control algorithm. Target for TI C2000 toolbox genetated C language real-time implementation of Simulink model. The code was loaded into DSP chip through the connection between MATLAB and Code Composer Studio software. Modularization approach simplified DSP code design process and impr
5、oved program stability. Data exchange between DSP controller and Simulink model was carried out by RS232 serial port. Feedback data stream could make the whole working process visual and vivid. Experiment result shows that the mechanic structure could get a very good performance. Key words：MATLAB；DC
6、 servo motor；SimPowerSystems toolbox；Target for TI C2000；fuzzy PID control MATLAB 通过对数学模型的数值计算来模拟各种实际控制过程，检验各种控制算法的性能和适用范围，是一种非常优秀的开发工具。但是单纯的 MATLAB 难以与各种实际系统联结，这就使得应用MATLAB 对数学模型仿真得到的算法难以直接应用于实际系统。而在实际系统中实现 MATLAB 设计好的算法需要其他的代码实现方式，往往存在着开发周期长、程序可靠性差等缺点1。直流伺服系统体积小、响应速度快、精度高的特点。 为了预见控制效果、加快研究开发进程、削减成
7、本，可以利用 MATLAB 仿真技术和机电控制技术基金项目：国家科技支撑计划（2006BAI22B07） 作者简介：龚思远（1981） ，男，博士研究生，研究方向为计算机智能控制。电话：022-60201764，E-mail： gongzheng_ 通信作者：杨鹏（1964） ，男，博士，博士生导师，研究方向为计算机智能控制。电话：022-60204830，E-mail： 1768 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 搭建伺服电机系统的开发平台。本系统将用于研究主动型下肢假肢膝关节。 为了解决这一问题，本文提出了一种将 Simulink 模型、嵌入式代码生成和系统运行状态反馈相结合的
8、方法。为伺服电机的开发提供了一个快捷，可靠的设计开发平台。 1 硬件结构 硬件结构分为控制器和机电系统两部分。控制器核心处理器采用时钟频率最高 150 MHz 的TMS320F2812 型 DSP，片上含两个事件管理单元（EVA、EVB） ，设计用于PWM输出、正交编码电路（QEP） 、转速测量、脉宽测量等。通信接口，含 2 个通用异步串口（SCI） ，1 个通用同步串口（SPI） 。它可连接所有需要的外围器件，准确地管理功率器件部分所需要的所有模拟反馈和控制信号。同时还具有一个标准的 JTAG 接口，用以系统程序的下载和调试。从而为用户提供了一个完整可靠的可编程系统解决方案。DSP 与主机之
9、间的RS232串行通信功能由片上的SCI通信接口模块经过电平转换后外接串口通信芯片MAX232实现。 机电系统包括电机，电机驱动电路和机械部分。电机采用瑞士 Maxon 公司的 RE40 直流伺服电机。它采用空心杯式转子，转动惯量很低，电枢电感低，转换效率高。电机驱动芯片采用带续流二极管的H桥开关驱动器 TEL4203。机械部分包括一个传动齿轮组用来将电机的转动变为摆动。 2 控制算法与程序设计 常规 PID 调节器不具有在线调整其参数pK，IT，DT的功能，致使其不能满足在不同的偏差和偏差变化率下系统对 PID 参数的自整定要求，从而影响其控制效果的进一步提高。为了克服这种缺 点，采用了基于
10、模糊推理的自整定 PID 控制器，控制器的输入量为电机实际位置和设定位置的偏差 e和偏差的变化率ec，利用e和ec在线调整位置环 PID 调节器的比例、积分、微分系数;并且也具 有常规PID控制器结构简单、鲁棒性好、可靠性高的特点3。在离散系统中，PID 控制器的表达式 如下 ( ) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)( )(1)( )PIDu kKe ke kK e kKe ke ke ku ku ku k=+ =+式中 ( )e k系统偏差； ,PIDKKK比例、积分和微分参数； IT积分时间系数； DT微分时间系数。IPIKK T T=，DPdKK TT=，T 是采样周期。 模糊
11、自整定机构根据偏差和偏差变化率的具体值在线调整比例、积分、微分系数，比例系数pK、积分时间系数IT、微分时间系数DT分别利用公式 01 PPKK= (1,1.4) 0(1) 2IITT+= (0.6,1) 0DDTT= (0.5,1) 上式中的 、 分别为比例、积分参数的调节系数，000,PIDKTT为 PID 控制器的 初始整顿值，式中的 为三个控制参数的修 正因子，通过模糊推理在线调整。利用当 前偏差和偏差变化率，通过模电机与电器 1769 糊推理可获得 一个模糊量H?，H?反映了 的动态变化过 程。通过对模糊过程求解，可计算得出精确量h(t)，h(t) 用来在线调整 ，公式如下 ( )(
12、1)( )tth t=+ ( )(0.5,1)t 是一个正数，用于调整 的变化率，通常0.1, (0)1=。通过上述方法，实现了根据不同的偏差在线整定控制器系数的目的。 3 基于 SimPowerSystems 的机电系统仿真 SimPowerSystems 工具箱扩展了 MATLAB 在基本电子电路和电力电子系统的精确仿真方面的功能，见图 1，它为科学家和工程师提供了快速方便的构建电力系统模型的环境。它使用 Simulink 环境，通过简单拖拽就可以建立系统模型。它的模型库中包含了变压器模型、导线、机电设备、电力电子器件等部件，利用这些元件，不但可以很迅速的画出电路拓扑结构，还可以分析电子系
13、统和机械系统之间的相互影响。 选用DC Machine模块来模拟RE40直流伺服电机，将电机模块参数设置为如下电机参数3： powerguiContinuousUniversal BridgegAB+-To Workspacec1 sbaDisplay3Display2Display1PIUrefPulsesPITLmA+F+A-F-dc图 1 机电系统仿真图 Fig 1 Simulation Diagram 0.316 R=电动机电枢电阻； L0.08 mH电动机电枢电感； IdL2 A电动机的等效负载电流； Tm0.0548 s系统的机电时间常数； Kg0.081 7传动机构的减速比。 其
14、中，From Workspace模块将实测的水平地面，正常步态过程中膝关节角度值作为位置 PI 控制器的输入量，经过控制器的信号作为速度 PI 控制器的输入量。速度 PI 控制器的输出作为离散 PWM模块的输入，离散 PWM 模块产生脉宽调制脉冲，输入电机驱动芯片驱动直流伺服电机运动。调整位置PID 和速度 PID 控制器的参数，使直流电机的输出能够跟随输入的膝关节角度。关节角度跟踪效果见如图 2 所示。 1770 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 图 2 膝关节角度跟踪曲线 Fig 2 Knee Joint Angle Tracking Curve 4 Simulink 模型的 D
15、SP 程序实现 在较新的 MATLAB 2007A 中已经集成了 TI 公司 C2000、C5000、C6000 系列 DSP 的开发工具包，可在 MATLAB/Simulink 环境中用图形化的方式进行 DSP 的设计及仿真验证，并能将设计的图形文件（mdl）直接转换成 C 语言程序4。其中 C2000 系列的开发工具是 Target for TI C2000 DSP。该工具包是 TI 公司与 MathWorks 公司共同开发的产品，在 MATLAB/Simulink 中嵌入了 eXpressDSP 工具箱，支持 C24x 及 C28x 系列的 DSP 处理器5。在 C28x 系列 DSP
16、工具箱中，包含 DSP 处理器中的模/数转换（ADC） 、CAN 发送及接收、PWM 控制等模块。用户可以在 MATLAB 中调用这些图形化的功能模块及Simulink中 的 其 他 模 块 建 立 数 字 信 号 处 理 的 模 型 ， 并 可 以 对 模 型 进 行 仿 真 验 证 ， 然 后 生 成TMS320C2000 的 C 语言代码及 CCS 的工程项目文件，在 CCS 中经修改、编译后就可以下载到DSP 目标板中运行。 利用 Target for TI C2000 DSP 工具箱生成上一步设计的 PID 控制器的步骤如下： （1）打开 TI 的 CCS 软件，选择合适的仿真器和 DSP 目标板，点击 Debug 菜单下的 Connecti
