MATLAB DSP在無(wú)傳感器矢量控制中的應(yīng)用

1.引言

　　Matlab是一個(gè)強(qiáng)大的分析、計(jì)算和可視化工具，特別適用于控制系統(tǒng)的分析和模擬，但由于其依賴的平臺(tái)是計(jì)算機(jī)及其 CPU，因而由于 CPU系統(tǒng)功耗的原因，使得 MATLAB程序的執(zhí)行速度相對(duì)于高速信號(hào)的輸入/輸出顯得很慢，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理的要求，而 DSP就其軟件的編程能力而言，與單片機(jī)及計(jì)算機(jī)的 CPU的編程設(shè)計(jì)方法有類似之處，但 DSP比單片機(jī)的運(yùn)算速度快得多，又比 CPU 的功耗及設(shè)計(jì)復(fù)雜度低得多，但是其分析和可視化能力遠(yuǎn)不及 Matlab，開(kāi)發(fā)過(guò)程比較復(fù)雜。不過(guò)，目前有一種新的技術(shù)，可以將 DSP和 Matlab兩者密切結(jié)合起來(lái)，充分利用兩者的特長(zhǎng)，有力的促進(jìn)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

　　伺服驅(qū)動(dòng)裝置是印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)[3]控制系統(tǒng)中重要的組成部分，國(guó)內(nèi)大部分產(chǎn)品是采用帶速度傳感器的專用變頻器調(diào)速，控制精度不高 [4]，而國(guó)外的產(chǎn)品價(jià)格又非常昂貴，由此，本文自行開(kāi)發(fā)了一套基于 PI調(diào)節(jié)器的無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，并且在自行搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了調(diào)速實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用了 Matlab與 DSP混合編程的調(diào)試方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用 Matlab調(diào)試及直接目標(biāo)代碼生成的方法能避免傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬的復(fù)雜編程過(guò)程，減少了工作量，有助于提高系統(tǒng)的綜合效率 , 且能夠保持系統(tǒng)良好的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速控制性能，很好地滿足了印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。

　　2.無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)介紹

　　由于采用高性能的矢量控制方法且缺省了速度傳感器，那么如何準(zhǔn)確的獲取轉(zhuǎn)速信息，且保持伺服系統(tǒng)較高的控制精度，滿足實(shí)時(shí)控制的要求，也就成為本課題研究的重要方向。在這里我們采用 PI自適應(yīng)控制方法 ，利用在同步軸系中 q軸電流的誤差信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的估算 ，整體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。角速度給定值 ω*與推算角速度反饋值 ω的誤差送入速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器的輸出即為電磁轉(zhuǎn)矩的給定值 Te*，由 iq1 = LrTe/PmLmФd2可以計(jì)算出電流的 q軸分量給定值 iq1*，當(dāng) q軸電流沒(méi)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，可由 Rs產(chǎn)生的 q軸電壓和 ω1σLs產(chǎn)生的 d軸電壓來(lái)調(diào)節(jié)。因此，iq1*與定子電流 q軸分量的實(shí)際值 iq1的誤差信號(hào)送入 PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的輸出 uq1’為定子電流 q軸分量誤差引起定子電壓 q軸分量的調(diào)節(jié)量。

　　其中速度推算模塊以不含有真實(shí)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子磁鏈方程以及坐標(biāo)變換方程作為參考模型，以含有待辨識(shí)轉(zhuǎn)速的 PI自適應(yīng)律為可調(diào)模型，以定子電流轉(zhuǎn)矩分量作為比較輸出量，采用比例積分自適應(yīng)律進(jìn)行速度估計(jì)，經(jīng)過(guò) PI調(diào)節(jié)后，輸出量就是待求的電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種方法計(jì)算量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

　　3.  Matlab與 DSP混合編程的調(diào)試方法

　　在傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，總是先用 MATLAB進(jìn)行仿真。當(dāng)仿真結(jié)果滿意時(shí)再把算法修改成 C/C++語(yǔ)言，再在硬件的 DSP目標(biāo)板上實(shí)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)偏差，需要再用 Matlab對(duì)算法進(jìn)行修正，再在 DSP上編寫修正的算法程序。如此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，在 DSP的開(kāi)發(fā)工具、 Matlab工作空間之間來(lái)回多次切換，非常不便，當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，還需要分步驗(yàn)證各個(gè)中間結(jié)果和最終結(jié)果。如果能夠把 Matlab和 DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 CCS及目標(biāo) DSP連接起來(lái)，利用 Matlab的分析能力來(lái)調(diào)試 DSP代碼，那么操作 TI DSP的存儲(chǔ)器或者寄存器就可以像操作 Matlab變量一樣簡(jiǎn)單。工具包 Matlab Link for CCS Development Tools的使用，可以使上述問(wèn)題迎刃而解，利用此工具箱，在 Matlab環(huán)境下，就可以完成對(duì) CCS的操作，即整個(gè)目標(biāo) DSP對(duì)于 Matlab像透明的一樣，所有操作只利用 Matlab命令和對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單、方便、快捷。以下用調(diào)試上述無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的例子來(lái)說(shuō)明 Matlab-DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。在 Matlab命令窗口中輸入 Simulink，打開(kāi) Simulink模塊窗，建立異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的模型，如圖 2所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，全部實(shí)現(xiàn)模塊化，容易擴(kuò)展，可以根據(jù)實(shí)際需要，改變每一模塊的參數(shù)。

　　接下來(lái)設(shè)置仿真參數(shù)和 Real-Time Workshop選項(xiàng)，編譯仿真模型。并利用 Matlab Link for CCS Development Tools建立與目標(biāo) DSP的連接。利用 CCSLink工具，可以把數(shù)據(jù)從 CCS中傳送到 Matlab工作空間中，也可以把 Matlab中的數(shù)據(jù)傳送到 CCS中，而且通過(guò) RTDX（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換技術(shù)），可以在 Matlab和實(shí)時(shí)運(yùn)行的 DSP硬件之間建立連接，在它們之間實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)而不使正在 DSP上運(yùn)行的程序停止，這項(xiàng)功能可以在程序運(yùn)行期間為我們提供一個(gè)觀察 DSP實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的窗口，大大簡(jiǎn)化了調(diào)試工作。Matlab、CCSlink、CCS和硬件目標(biāo) DSP的關(guān)系如圖 3所示。

我們可以在 Matlab中修改一個(gè)參數(shù)或變量，并把修改值傳遞給正在運(yùn)行的 DSP，從而可以實(shí)時(shí)地調(diào)整或改變處理算法，并通過(guò)觀察探針點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)試程序。最后把 CCSlink和 Embedded Target for C2000 DSP Platform. 相結(jié)合，可以直接由調(diào)試好的 Simulink模型生成 DSP2812 的可執(zhí)行代碼，并加載到 DSP目標(biāo)板中，這樣我們就可以在同一的 Matlab環(huán)境中完成系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試、測(cè)試，并最終在 DSP2812目標(biāo)板上運(yùn)行。

4. 系統(tǒng)調(diào)試

　　實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)如圖 4所示，變頻器系統(tǒng)用 DSP作為運(yùn)算控制單元，用 IPM模塊作為功率電路交換單元，用霍爾電流傳感器檢測(cè)電機(jī)三相電的兩相電流。DSP控制器在對(duì)檢測(cè)到的電流信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理之后，將 PI控制算法產(chǎn)生的三對(duì) SVPWM脈沖信號(hào)，作用于 IPM來(lái)驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，通過(guò)改變輸出脈沖信號(hào)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。

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　　電機(jī)參數(shù)為： Rs=10Ω；Rr=5.6Ω；Ls =0.3119H；Lr=0.3119H；Lm = 0.297H；P = 4；J=0.001 kg.m2

　　通過(guò) DSP與 CCS的連接，可在 Matlab環(huán)境下對(duì)目標(biāo) DSP的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，再利用 Matlab強(qiáng)大的分析和可視化工具對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的編譯、鏈接、加載、運(yùn)行，設(shè)置斷點(diǎn)和探點(diǎn)，最后將滿意的調(diào)試結(jié)果生成的目標(biāo)代碼直接加載到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。轉(zhuǎn)速輸入設(shè)定為一階躍函數(shù)，電機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行，獲得的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如下圖所示。

　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　Figure5 Experimental results由圖 5可見(jiàn)， d-q軸電壓電流及磁通角響應(yīng)曲線平穩(wěn)，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，在 Matlab環(huán)境下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和實(shí)際 DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下的轉(zhuǎn)矩曲線基本一致，系統(tǒng)響應(yīng)快，且超調(diào)量小，只需 0.6S即可達(dá)到穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)如圖 5（d）所示，系統(tǒng)在電機(jī)起動(dòng)時(shí)有一定的波動(dòng)，但是在 PI自適應(yīng)控制器的作用下，只需 0.5S系統(tǒng)就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，證明速度觀測(cè)器下的轉(zhuǎn)速能夠較好地跟蹤實(shí)際速度變化，在穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)際速度等于仿真速度值。

　　5.結(jié)論

　　本文提出的 Matlab下的 DSP集成設(shè)計(jì)方法確實(shí)可行，實(shí)驗(yàn)證明：在此環(huán)境下可以完成對(duì) DSP目標(biāo)板的操作，包括訪問(wèn) DSP存儲(chǔ)器和寄存器等，又可利用 Matlab的強(qiáng)大工具對(duì) DSP存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化處理，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試工作量小，易于實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，具有一定自適應(yīng)能力的 PI速度估算方法能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速做出準(zhǔn)確的估計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的正確性和可行性。