TIDSP嵌入式系统实验室建设方案.doc

合肥工业大学 汽车技术与装备实验室安徽合动智能科技有限公司 联合研发中心TI DSP电控系统设计研究平台一、 简介2二、 产品介绍31. TMS320F2812 DSP控制卡32. 基于MATLAB和TI DSP的快速控制原型开发系统53. 直线电机倒立摆及其MATLAB/DSP控制系统74. 磁悬浮球及其MATLAB/DSP控制系统9三、 TI DSP电控系统设计实验室建设方案12四、 附录：121、直线电机原理和结构122、cSPACE的MATLAB/Simulnk算法开发软件说明143、cSPACE监控软件说明154、倒立摆数学建模155、LQR控制算法介绍186、PID控制算法及整定方法简介191、 简介DSP以其强大的运算性能、丰富的片内外设和存储资源、改进的哈佛结构及流水线技术、便携的开发环境和丰富的应用支持，以及庞大的开发群体，在汽车电子、通讯、工业自动化、军事装备、医疗仪器、家电、消费类电子产品、电力电子和电网设备、宇航和航空电子设备等领域得到广泛的应用。因此了解和掌握DSP开发很有利于对高校的机电相关的工科学生的就业竞争力。目前市场上的的DSP开发板有很多，但是DSP的应用除了包含本身的软件和硬件设计，还包含PID、LQR最优控制等自动控制算法以及滤波器等信号处理设计，数学建模、计算机MATLAB仿真，以及最为关键的是如何把理论分析的结果应用于实时控制。因而拥有以上功能的DSP开发系统会很有助于学生的嵌入式系统软硬件、算法、建模仿真和实时控制开发能力的提升，为进入工作岗位打下更好的电控系统设计的基础。安徽合动智能科技有限公司针对以上的市场需求，推出了采用TMS320F2812的DSP控制卡、基于MATLAB和TI DSP的快速控制原型开发系统（cSPACE）、直线电机倒立摆和磁悬浮球实验系统，能提供极为丰富的电控系统设计需要的软硬件、自动控制原理、信号处理、传感器、伺服电机、数学建模、计算机仿真和实时控制知识，并为本科和研究生课程提供丰富的基础实验和高级实验，目前作为基础教学和科研平台已经在高校中得到越来越广泛的应用，客户包括清华大学、中国科学技术大学、北京航空航天大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学、解放军国防科技大学、美国佐治亚理工学院、新加坡国立大学、南阳理工大学等国内外一流高校。2、 产品介绍1. TMS320F2812 DSP控制卡特点如下：1) 以TI公司C28x系列的TMS320F2812芯片为主处理器2) 开发板资源丰富：引出片内的QEP正交编码器、SCI串行通信、PWM、片内AD、IO等接口，并外扩AD7656带6路16位AD芯片、AD5754带4路16位DA的芯片以及HCTL2032编码器解码芯片3) 示例程序全：附带的资料系统地介绍了DSP芯片的基本特点、硬件结构、工作原理、开发环境和使用方法，内容包括CPU内部结构、时钟和系统控制、存储空间及通用I/O接口、中断管理方式、片内外设、寻址方式和指令系统、集成开发环境CCS、DSP最小系统及相应软件设计，以及跟以上芯片的接口程序等4) 提供实际电控系统设计案例：本实验提供丰富的接口实例程序，使学生建立DSP芯片的主要知识体系和实际开发经验，能将理论知识应用到实际的DSP系统中，达到开发设计目的。详细硬件资源如下所示：l 主处理器为TMS320F2812 DSP，处理能力为150MIPSl 集成了自主研发的TI DSP 高性能仿真器l 8通道的12bit AD，转换时间为250ns，输入范围为（0，3V）l 6通道的16bit AD，转换时间为3.1us，输入范围为（-10，10V）l 4通道16bit的DA，建立时间为10us，输出范围为（-10，+10V）l 3通道独立的PHM信号，分辨率为16位，1通道有两路输出，共6路输出，这6路输出也可以作为输出的IO引脚使用l 4路输入IO引脚l 4通道QEP单元正交编码信号处理模块l 1路RS232串口l 128k16bit 的片内flash 和18k16bit 的SARAMl 三个32 bit 的系统定时器，4个16 bit通用定时器额外可扩充的功能：l 5通道PHM信号，分辨率为16位l 多达56个可单独编程的复用口，亦可用作通用I/O 口l 三个外部中断口，并有外围中断扩展模块，可支持多达45 个外围中断实验项目课程学时内容1GPIO认识和读取信号实验2熟悉DSP芯片中GPIO接口的特性与开发方式2片内AD接口的认识和读取信号实验2熟悉DSP芯片中AD接口的特性与开发方式3SCI接口的认识和读取信号实验2熟悉DSP芯片中SCI接口的串行通讯方式4SPI和DA接口的认识和读取信号实验2熟悉DSP芯片中DA接口的特性与开发方式5数据、地址总线和HCTL2032编码器接口实验2介绍HCTL正交编码器的使用方式，提供详细的实例程序6数据、地址总线和AD7656芯片对的接口实验2了解DSP如何外扩AD芯片6自主设计实验2按小组进行DSP的自主设计及开发实验。通过自主设计，掌握DSP的开发流程，提高学生设计能力。2. 基于MATLAB和TI DSP的快速控制原型开发系统系统照片特点如下：1) 快速控制原型（Rapid Controller Prototyping，RCP）和硬件在回路实时仿真(Hardware-in-Loop，HIL)是目前国际上控制系统设计的常用方法，它把计算机仿真（纯软件）和实时控制（硬件在回路）有机结合起来，用户可把仿真结果直接用于实时控制，极大提高控制系统的设计效率2) 本公司研制的快速控制原型和硬件在回路开发系统（以下简称cSPACE系统）基于TMS320F2812DSP和MATLAB/Simulink开发，拥有AD、DA、IO、Encoder和快速控制原型开发、硬件在环仿真功能3) MATLAB/Simulink自动生成DSP控制代码，支持MATLAB/Simulink的信号处理、模糊控制等大部分工具箱4) 变量实时观测和参数在线修改功能，极大地提高广大用户在电控系统的设计方面的效率。开发流程如下所示：使用本公司研制的cSPACE系统，通过Matlab/Simulink设计好控制算法，将输入、输出接口替换为公司的cSPACE模块，编译整个模块就能自动生成DSP代码，在控制卡上运行后就能生成相应的控制信号，从而方便地实现对被控对象的控制。运行过程中通过cSPACE提供的MATLAB接口模块，可实时修改控制参数，并以图形方式实时显示控制结果；而且DSP采集的数据可以保存到硬盘，研究人员可利用MATLAB对这些数据进行离线处理。实验项目课程学时内容1MATLAB/Simulink基础教程2了解MATLAB/Simulink基础知识2电压采集和显示2熟悉cSPACE的AD接口、自动代码生成和监控界面的使用3DA接口和HCTL2032编码器接口实验2熟悉cSPACE的DA接口和HCTL2032编码器接口4低通滤波器实验2了解MATLAB/Simulink信号处理工具箱的低通滤波器的使用5方波、正弦波、斜波信号发生2了解MATLAB/Simulink的信号发生器3. 直线电机倒立摆及其MATLAB/DSP控制系统 倒立摆是一个典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统，必须采取有效的控制算法才能使之稳定。倒立摆控制是控制领域研究的难点，实现倒立摆的控制，可以反映控制系统优异的性能。其中倒立摆的实物图如下图所示：直线电机驱动的倒立摆倒立摆包括直线电机、摆杆以及测试摆杆角度的编码器、测试电机直线位移的光栅。对于倒立摆的控制，采用最优控制算法控制倒立摆，下图为最优控制算法的cSPACE框图：倒立摆最优控制算法图中encoder1、encoder4分别是DSP控制卡采集电机位置、摆杆的正交编码信号处理的模块。HM-DAC1是cSPACE系统的DA转换模块。编译模块之后生成针对控制卡的目标代码，运行程序后控制卡就能采集传感器的信号，处理这些信号经过得到控制量，控制量经过DA转换后得到模拟控制信号，驱动器对模拟控制信号进行放大后驱动直线电机使倒立摆能保持稳定。直线电机倒立摆实验平台提供的实验项目如下所示：实验项目具体内容备注自动控制原理根轨迹实验作为自动控制原理课程的高级实验课程PID实验LQR最优控制实验模糊控制实验滑模控制实验神经网络控制实验TMS320F2812 DSP嵌入式系统开发实验提供丰富的DSP示例程序，可以实现DSP开发，包括GPIO、SCI、SPI、Encoder编码器接口、数据总线、与AD5754、AD7656、HCTL2032的接口程序可以完整开设DSP实验课程以及高级课程交流伺服电机实验采用以色列Elmo驱动器，提供电流、速度、位置控制，结合倒立摆的应用，充分理解电机的电流、速度、位置三环控制的特点根据驱动器的说明书自行学习研究数学建模系统动力学通过建立倒立摆的模型，深入理解拉格朗日系统建模方法微分方程、状态方程的设计方法作为物理学、自动控制原理的高级课程建模、仿真、实时控制熟悉把学习到的高等数学、理论力学、物理学、自动控制、嵌入式系统充分结合起来，从系统建模、MATLA/Simulink仿真到DSP实时控制实现完美结合，让研究人员充分了解如何把理论分析的结果应用于实时控制作为物理学、自动控制原理的高级课程传感器技术包括光电编码器、磁栅传感器、数字霍尔传感器作为传感器技术的高级实验课程电子技术掌握DSP控制卡的设计熟悉AD模数转换、DA数模转换、SCI通讯接口、编码器接口等原理图和PCB设计方法作为电子技术课程的高级实验课程，了解如何设计一个电控系统MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink是理工科人员必备的软件，本平台提供的仿真和实时控制案例，能深入理解MATLAB/Simulink的原理和使用MATLAB高级课程电机驱动控制通过Elmo驱动器，深入理解电机驱动器的技术指标和设计作为电机学或电力拖动的高级课程备注：提供最为丰富的实验，是毕业设计、研究生课题研究、教师做科研写论文很好的实验平台4. 磁悬浮球及其MATLAB/DSP控制系统磁悬浮实验系统磁悬浮实验装置由被控对象钢球、电磁铁、 LED 平行光源、硅光电池传感器、cSPACE 控制卡以及驱动系统组成，它的原理是采用 LED 平行光源和光电传感器测量被控对象钢球与电磁铁之间的距离变化，控制系统采集变化的信号并进行 PID、超前校正等控制器的运算，得到控制信号，通过放大器控制电磁铁绕组中的电流，使之产生与钢球的重力相平衡的电磁力，这样钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。它的原理是采用LED平行光源和硅光电池位置传感器测量被控对象钢球与电磁铁之间的距离变化，控制系统采集变化的信号并进行PID、超前校正等控制器的运算，得到控制信号，通过放大器控制电磁铁绕组中的电流，使之产生与钢球的重力相平衡的电磁力，钢球则悬浮在空中而处于平衡状态。磁悬浮系统原理示意磁悬浮系统原理框图下图为磁悬浮球系统的 PID 控制算法框：磁悬浮球实验系统PID控制算法可开设的实验课程：实验项目具体内容备注自动控制原理根轨迹实验作为自动控制原理课程的高级实验课程PID实验LQR最优控制实验模糊控制实验滑模控制实验神经网络控制实验TMS320F2812 DSP嵌入式系统开发实验提供丰富的DSP示例程序，可以实现DSP开发，包括GPIO、SCI、SPI、Encoder编码器接口、数据总线、与AD5754、AD7656、HCTL2032的接口程序可以完整开设DSP实验课程以及高级课程数学建模系统动力学通过建立磁悬浮球的模型，深入理解数学建模方法作为物理学、自动控制原理的高级课程建模、仿真、实时控制熟悉把学习到的高等数学、理论力学、物理学、自动控制、嵌入式系统充分结合起来，从系统建模、MATLA/Simulink仿真到DSP实时控制实现完美结合，让研究人员充分了解如何把理论分析的结果应用于实时控制作为物理学、自动控制原理的高级课程传感器技术包括硅光电池传感器作为传感器技术的高级实验课程电子技术掌握DSP控制卡的设计熟悉AD模数转换、DA数模转换、SCI通讯接口等原理图和PCB设计方法作为电子技术课程的高级实验课程，了解如何设计一个电控系统MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink是理工科人员必备的软件，本平台提供的仿真和实时控制案例，能深入理解MATLAB/Simulink的原理和使用MATLAB高级课程信号处理采用低通滤波器处理硅光电池的信号，降低PD环节的噪音模拟电子技术、数字信号处理课程的高级实验备注：提供丰富的实验，是毕业设计、研究生课题研究、教师做科研写论文很好的实验平台3、 TI DSP电控系统设计实验室建设方案通过对以上产品的组合，可以建立一个电控系统设计综合实验室，包含本身的软件和硬件设计，还包含PID、LQR最优控制等自动控制算法以及滤波器等信号处理设计，数学建模、计算机MATLAB仿真，如何把理论分析的结果应用于实时控制。序号设备数量作用描述提供的实验1TMS320F2812 DSP控制卡 10提供DSP嵌入式系统软硬件实验CCS、GPIO、定时器、片内AD、SCI、SPI、数据地址总线和外扩芯片2直线电机倒立摆及其MATLAB/DSP开发系统5提供TMS320F2812 DSP控制卡的典型应用案例，以及电控系统的设计方法了解交流伺服电机的原理和应用提供先进的直线电机平台直线电机原理和交流伺服电机实验自动控制算法实验数学建模、仿真、实时控制实验3磁悬浮球及其MATLAB/DSP开发系统5提供TMS320F2812 DSP控制卡的典型应用案例，以及电控系统的设计方法了解硅光电池位置传感器的原理和应用低通滤波信号处理实验PD算法设计实验传感器信号处理实验4、 附录：1、直线电机原理和结构 直线电机倒立摆平台主要由交流伺服直线电机以及其驱动控制器构成。其实验的组成如下所示：件号零件号说明1GB707-88 5-50底座焊接结构2B02005挡块固定块3B03001光栅固定块4B01003光栅5B01005导轨6B03007托线板7B03004读数头8B02004读数头固定板9B02002拖链固定块10B02003工作台11B01004动子固定板12G03001橡胶挡块13HMM-030030HMM-030030型动子14B01002拖链托板15G01001拖链16HMS-512030HMS-512030型定子其驱动控制器采用以色列Elmo驱动器，提供电流、速度、位置控制，结合实验电机，充分理解电机的电流、速度、位置三环控制的特点。2、cSPACE的MATLAB/Simulnk算法开发软件说明cSPACE采用MATLAB/Simulink进行开发，在MATLAB/Simulink中的有“WM-cSPACE”工具箱，该工具箱含有DSP卡上的硬件单元的接口模块。cSPACE系统的开发环境是基于广大科研人员所熟悉的MATLAB/Simulink进行开发，方便用户使用，同时能充分利用MATLAB强大的科学计算、信号分析处理、图形处理功能。上图所示为电动助力转向的控制框图，“HM_AD0”模块采集方向盘的转向信号，“Lowpass”为低通滤波器模块，对方向盘的转向信号进行滤波，进行PID控制后，通过“HM_DAC16_1”接口输出模拟电压信号，驱动直流无刷电机输出对应的扭矩，进行助力转向。 3、cSPACE监控软件说明cSPACE系统的控制界面采用MATLAB/Simulink进行开发，能在线修改10个变量和实时显示4个变量，也可以根据用户的要求进行调整，可以显示曲轴位置、氧传感器信号、曲轴转速、扭矩、功率、喷油信号等，自动存储数据，结构简单，方便用户使用。4、倒立摆数学建模传统的线性控制方法离不开被控系统的线性模型，为了进行线性控制器的设计，首先需要对被控系统进行建模。为此，不妨做以下假设：（1）摆杆和底座为刚体；（2）忽略空气阻力和摆杆与底座轴承的摩擦力；（3）图示箭头所示方向为矢量正方向。图1中，为摆杆质量，为摆杆底座的质量，为摆杆转动轴心到摆杆质心的长度，为摆杆惯量，为加在摆杆底端上的力，为底座的位移，为摆杆与垂直向上方向的夹角。对摆杆水平方向进行受力分析可得： 即： 对底座水平方向进行受力分析可得：将2式代入3式得： 对摆杆垂直方向上的合力进行分析可得：即：对于摆杆，力矩平衡方程为：注意：此方程中力矩的方向，由于，故等式前面有负号。合并这两个方程，约去P和N可得：设，假设与1（单位是弧度）相差很小，即1，则可以进行近似处理：。用来代表被控对象的输入力F，线性化后可得： 设系统的状态空间方程为：取状态变量：，则状态向量为，对方程组9、10求解代数方程，得到如下解：整理后的状态方程为：将实际的参数代入上式：M=0.68kg; %小车质量m=0.094kg; %摆杆质量b=0.08; %小车摩擦系数l=0.15m; %摆杆转动轴心到杆质心的长度求得矩阵a和b的值如下：a = 0 1.0000 0 0 0 -0.1164 1.2373 0 0 0 0 1.0000 0 -0.7164 67.9221 0b = 0 -1.4551 0 8.95465、LQR控制算法介绍最优控制理论主要是依据庞德里亚金的极值原理，通过对性能指标的优化寻找可以使目标极小的控制器。其中线性二次型性能指标因为可以通过求解Riccatti方程得到控制器参数，并且随着计算机技术的进步，求解过程变得越来越简便，因而在线性多变量系统的控制器设计中应用较广。利用线性二次型性能指标设计的控制器称作LQR控制器。假设线性时不变系统的状态方程模型为（1）可以引入最优控制的性能指标，即设计一个输入量，使得（2）为最小，其中和分别为对状态变量和输入变量的加权矩阵。如果该系统受到外界干扰而偏离零状态，应施加怎样的控制, 才能使得系统回到零状态附近，并同时满足达到最小, 那么这时的 就称之为最优控制。由线性二次型最优控制理论可知，若想使最小化，则控制信号应该为：（3）式中 就是Riccati 方程的解，是线性最优反馈增益矩阵。这时只需求解Riccati代数方程：（4）就可获得值以及最优反馈增益矩阵值。（5）6、PID控制算法及整定方法简介在工业控制中，应用最广泛和成熟的控制器是PID控制器即比例-积分-微分控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值和实际值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点，并且形成了完整、成熟的设计和参数整定方法，很容易被掌握，这也为PID控制器用于控制磁悬浮球系统提供了理论依据和实践经验。PID控制系统原理图 常规PID控