【《基于模糊自适应PID主从系统的实验分析案例》4200字】

基于模糊自适应PID主从系统的实验分析案例本文主、从两系统皆以TI公司DSP28335作为主控芯片，主、从两系统共用同一直流母线供电，通过CAN通信协议将主电机转速实时传送给从系统作为给定输入转速，两系统之间只有数据传输，没有机械耦合因素。以表4-4、4-5所示伺服所电机作为被控对象，进行软硬件设计及实验验证并对比分析效果。1.1实验平台1.1.1硬件设计基于MTPA的永磁同步电机调速系统实验平台硬件部分的如图4-1、图4-2、图4-3所示。图电机本体图控制器图电机带载实验平台的硬件部分主要由驱动电路和控制电路构成。其中，驱动电路采用三相全控整流，经过电容滤波，然后由功率模块构成的三相逆变部分得到电机驱动信号。驱动电路主要由三相电流检测电路、光耦隔离电路、逆变器、滤波电容和永磁同步电机组等部分构成；控制电路采用DSP作为主控芯片，主要完成6路SVPWM控制信号的生成、AD采样、转子位置和转速检测等功能，主要有编码器信号处理电路、电源电路、过压过流检测电路等部分构成。1.1.1.1主控芯片本设计用到的主控芯片为TMS320F28335，其作为面向运动控制的DSP产品，具有强大的数字信号处理能力和嵌入式控制功能，同时芯片集成了大量的外设，在高性能的电机控制领域得到了广泛应用[16]。TMS320F28335采用低功耗设计，主频最高可达150MHz；采用哈佛总线架构，可以对程序和数据同时进行操作；配备高性能的32位中央处理器，运算能力强大、对中断信号的响应快速；12位采样精度的ADC采样模块；丰富的片内存储单元和外部存储器接口；可对多种通信方式进行选择。同时，针对电机控制领域，TMS320F28335集成了多个增强型控制外设，包括6个独立的增强型脉宽调制模块，6个增强型捕获模块，增强型正交编码脉冲模块。图DSP28335整体架构1.1.1.2电源电路TMS320F28335的内核电压为3.3V，I/O电压为1.9V，而电流、电压和温度检测模块中输入电压所需为5V，其中的运算放大器需接15V的电源，编码器输入电压为1.3V，本系统的直流侧母线电压为24V，故至少需要5组电源来进行供电。图部分电源电路从图中可以看出，从接线端子引入直流24V电源，经电源滤波器LZJB11-3A滤波后进入DC-DC电源模块URB2405YMD-10WR3，输出5V电源，之后经过电容滤波后分别由LT1085CM-3.3和AS1117-ADJ芯片为DSP输出3.3V和1.9V的电源电压。1.1.1.3驱动电路驱动电路为三相半桥逆变电路，驱动芯片选用美国IR公司生产的IR2110S驱动器，该驱动芯片兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。MOS管选用的型号为IRFS3607，它是一种N沟道MOS管，其VDSmax=75V，I以单相输出为例，单相两路PWM信号分别经过光电耦合器TLP715后，进入驱动芯片IR2110S，该芯片同时具有电容自举功能，通过对自举电容进行充电，来增大控制MOS管的信号电压，进而实现单相2个MOS的有序通断。由于本系统要实现两个电机的主从控制，故共需两组驱动电路来分别控制主电机和从电机，即一共六对12个MOS管的控制，每相上下两路驱动信号互补。图为U相的驱动电路。图U相驱动电路1.1.1.4采样电路（1）电流采样电路要实现对电机的精准控制，必须要对其三相定子电流进行采样。在双闭环矢量控制系统中，必须通过控制定子电流来控制电磁转矩，检测电流的方法目前可以采用两种方法，一是通过霍尔传感器，二是通过主回路中串采样电阻的方法。本设计采用的是第一种方法，霍尔电流传感器法具有精度高、线性好、速度快、绝缘性好等优点，采用霍尔磁场电流传感器，通过调节电路将其转换为电压信号。由于三相定子电流为交流量，而DSP中I/O口只能处理零电位和正电位，故可以给采集到的电流信号一个偏移量，从而使DSP可以对其进行处理。电流采样电路如图所示。图A相电流采样电路（2）转速、位置采样电路本系统采用旋转式编码器检测电机的转速以及转子的位置，编码器以信号原理来分，有增量式编码器和绝对式编码器，设计中编码器为增量式编码器，编码器的精度取决于码盘上槽的个数，在运行过程中与光电感应模块配合，即可产生相应的脉冲信号。码盘旋转会产生两路互差90度的脉冲A和B和一路Z相脉冲，通过脉冲的频率即可判断转速，通过A与B之间的相位关系即可判断旋转方向，而位置及角度的判别则需要在程序中定义一个初始位置，通过脉冲信号与其之间的角度便可得出转子所在的扇区，码盘旋转一周会产生一个索引脉冲Z，用来判定绝对位置，消除累计误差。一般的测速方法主要有三种，即M法、T法和M/T法，由于本系统转速变化范围较大，所以采用了M法和T法，在测量低速时，为了获得更高的测量精度，使用了T法测速，而在高速时通过使用在固定时间段内读取位置变化量的M法测速。1.1.1.5保护电路PMSM调速系统运行时，故障是无法避免的。故障出现时，控制系统应能即时对故障进行相应处理，将故障对系统的影响降到最小。否则，就可能烧毁电路中的器件，甚至造成无法挽回的损失。因此，需要设计相应的保护电路，对系统的运行状态进行实时监控。这种保护主要是针对驱动电路部分进行的。当有故障发生时，DSP接收到对应的故障信号，然后DSP就会采取一定的措施将对应部分进行封锁，使系统得到有效的保护。过流、过压和欠压保护电路是控制系统中主要的保护电路，能够保证控制系统的安全。在电机运行过程中，功率开关器件损坏的主要原因之一为过大的瞬时电流，因此需要设置过流保护电路。霍尔电流传感器对电机的三相电流进行实时检测，电流值一旦超出设定的范围，就会向DSP发送过流信号，DSP就会对输出电流的幅值进行限制。过压和欠压保护对输入电压的波动范围进行限定。输入电压过高，功率开关器件可能会被击穿。输入电压过低，可能会产生无效或者错误的控制信号，造成逆变器上下两个功率器件直通，烧坏功率开关器件，因此需要对功率模块输入端的电压进行检测，保证其在允许的范围内波动。1.1.1.6通讯接口电路DSP芯片采用的电平信号为3.3V，故为了使系统与上位机之间保持正常的通讯，需要通过串联电平转换芯片来满足DSP电平信号的电压要求，而MAX3232E芯片可完成这一功能。通讯接口集合了SCI、CAN等各种通讯入口，有效地实现了系统的通讯要求。图即为部分通讯接口电路。图通讯接口电路1.1.1.7复位电路通过电阻以及电源监控芯片TPS3307-33D之间的连接配合，然后结合DSP的/XRS引脚完成对系统的复位工作。TPS3307-33D各管脚作用为：SENSE1、SENSE2、SENSE3分别用于监控三种电压；/MR即ManualReset，可连接一个外部复位触发设备来实现电路人工复位；/RESER输出低电平有效复位信号；RESET输出高电平有效复位信号。图为复位电路图，从图中可以看出该电路可以同时监控1.9V、3.3V和5V三种电压.图复位电路1.1.2系统软件结构本系统软件程序是在CCS6.0开发环境中编写完成的。CCS6.0是TI公司研发的针对标准TMS320调试器接口的交互式方法。具有以下特性：完全集成的编译器，代码调试、分析可在一个Windows环境中完成。有文件追踪能力，只重新编译最近改变过的文件，节省大量编译时间。有对图形的分析能力，可使代码调试更加直观。可在图行窗口中观察及改变c程序中的结构、数组、指针等变量，容易解析复杂结构。 整体软件架构主要包含两块内容：主程序和三个中断服务子程序，以下分别介绍：1.1.2.1主程序及初始化程序主程序完成对于DSP28335的时钟、外设以及一些子模块的参数、变量进行初始化，主体流程如图（a）所示。进入main函数初始化顺序为，首先完成CPU级设定，如系统时钟的配置，关闭中断使能，初始化PIE寄存器与PIE中断向量表。之后再对ADC、定时器、GPIO等外设功能初始化以及SVPWM、PID计算等子程序模块所用变量等进行初始化。初始化完成后进如死循环等待等待外部中断的到来。图5-SEQ图5-\*ARABIC7系统主程序流程框图1.1.2.2中断服务程序中断服务程序主要调用外部子函数进行以实现完整的系统功能。本系统设计用到了两个外设、一个定时器共三个中断服务程序，外设中断一用于启动、停止电机，外设中断二用于调整转速给定，定时器中断用于完成矢量控制系统中主要的算法部分并最终输出PWM波控制信号。本文设定定时器中断频率为10kHz，即系统PWM周期为。以下主要介绍定时器中断服务程序，流程如下： 图5-SEQ图5-\*ARABIC8系统中断服务程序流程框图电机完成初始定位后，等待进入定时器中断，进入定时器中断后：（1）进行电压电流采用并进行模数转换存入ADC相关寄存器。（2）在eQEP模块计算转子电角度以及速度，并对原数据进行更新。（3）通过计数程序判断是否进入速度环调节程序，若进入，计算转差及其变化率并将其带入模糊pi控制器得到电流给定，（4）对三相电流用测得的电角度进行坐标变换得到实际的交直轴电流，并与给定值、做差得到、并进行电流pi控制进而得到、。（5）将前馈电压与、相加得到电压值和。（6）和带入派克逆变换计算公式得到、，进而进入SVPWM计算子程序，最终得到Tcmpa、Tcmpb、Tcmpc。至此程序部分完成。所得Tcmpa、Tcmpb、Tcmpc输出给IPM做驱动信号，从而控制给到电机的三相电流以实现的矢量控制。中断服务程序中调用到了包括PID计算、ADC读取、SVPWM实现、eQEP转速测定等诸多功能子函数。以下简要介绍核心的初始位置判定以及模糊PID控制两个子模块函数结构。（1）初始位置判定子模块图5-SEQ图5-\*ARABIC9电压矢量与扇区示意图Simulink仿真中转子位置默认从0°启动，因此无需进行预定位，但是实际系统的电机转子可能停在任意一个未知位置，而进行SVPWM计算及求取等都需要用到准确的位置，这就必须对转子进行预定位。本文所用位置判定方法如下：电机按下启动键后，先进行模糊定位，从用来储存编码器输出信号的GPADAT寄存器读出当前所在扇区，然后对初始位置变量赋予当前扇区中间位置。例如寄存器显示当前位置为Ⅲ扇区，则将初始位置30°赋予位置变量POSTION，这是一个大概的位置，但是与实际精确位置的偏差在30°以内。之后先进行一次SVPWM计算并且将PWM信号给到逆变器使主回路产生电流电机进入运动状态，然后打开定时器中断。同时系统要实时监测扇区是否发生变换，当发生变换时要将精确的位置赋予POSTION。在上例中，以电机逆时针为正转，则当其发生第一次扇区变换时，程序判断其是否为从Ⅲ扇区切换到Ⅰ扇区，若是则将60°赋予POSTION，并清零eQEP计数寄存器EQep1Regs.QPOSCNT。若非从Ⅲ扇区切换到Ⅰ扇区，而是显示从Ⅰ切换到Ⅴ扇区，则相应将120°赋予POSTION，并清零eQEP计数寄存器。以此类推，判断出扇区切换点并赋予相应的精确位置。这就完成了转子的定位，得到了一个精确值。为了防止计数寄存器EQep1Regs.QPOSCNT出现漏计现象，还在电机每转10圈时重新在某一切换点进行一次精准定位，这样就使得电机转