Matlab與 DSP混合實(shí)現(xiàn)無傳感器矢量控制
遲寧 楊建武
摘要： 本文介紹了一種采用 MATLAB及 CCS對(duì)異步電機(jī)無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試的方法,。應(yīng)用 MATLAB語言強(qiáng)大的分析能力和繪圖功能,，與 DSP高速運(yùn)算的優(yōu)勢相結(jié)合,，在自行搭建的無傳感器矢量控制系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了調(diào)速實(shí)驗(yàn)，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,。
Abstract：
Key words :
摘要: 本文介紹了一種采用 MATLAB及 CCS對(duì)異步電機(jī)無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試的方法,。應(yīng)用 MATLAB語言強(qiáng)大的分析能力和繪圖功能，與 DSP高速運(yùn)算的優(yōu)勢相結(jié)合,，在自行搭建的無傳感器矢量控制系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了調(diào)速實(shí)驗(yàn),，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。
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,，開發(fā)過程比較復(fù)雜。不過,，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，充分利用兩者的特長,，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)無軸傳動(dòng)[3]控制系統(tǒng)中重要的組成部分，國內(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],，而國外的產(chǎn)品價(jià)格又非常昂貴，由此,，本文自行開發(fā)了一套基于 PI調(diào)節(jié)器的無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)無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求,。
2.無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 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)的開發(fā)過程中,，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,。如此過程反復(fù)進(jìn)行，在 DSP的開發(fā)工具,、 Matlab工作空間之間來回多次切換,，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集成開發(fā)環(huán)境 CCS及目標(biāo) DSP連接起來，利用 Matlab的分析能力來調(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變量一樣簡單,。工具包 Matlab Link for CCS Development Tools的使用，可以使上述問題迎刃而解,，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)象來實(shí)現(xiàn)，簡單,、方便,、快捷。以下用調(diào)試上述無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的例子來說明 Matlab-DSP集成開發(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 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)。
接下來設(shè)置仿真參數(shù)和 Real-Time Workshop選項(xiàng),，編譯仿真模型,。并利用 MATLABLink 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 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,，并通過觀察探針點(diǎn)數(shù)據(jù)來調(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電機(jī)三相電的兩相電流,。DSP控制器在對(duì)檢測到的電流信號(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來驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，通過改變輸出脈沖信號(hào)的頻率來實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速,。
電機(jī)參數(shù)為： Rs="10"Ω,；Rr=5.6Ω；Ls =0.3119H,；Lr=0.3119H,；Lm = 0.297H；P = 4,；J=0.001 kg.m2
通過 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，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,，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
由圖 5可見,， 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,。
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 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,。
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