MATLAB-DSP在無傳感器矢量控制中的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用

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摘要:本文介紹了一種采用MATLAB及CCS對異步電機(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)平臺進(jìn)行了調(diào)速實驗，實驗結(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)良好的動靜態(tài)調(diào)速控制性能。

1.引言

Matlab是一個強(qiáng)大的分析、計算和可視化工具，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是計算機(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)行速度相對于高速信號的輸入/輸出顯得很慢，遠(yuǎn)不能滿足實時信號處理的要求，而DSP就其軟件的編程能力而言，與單片機(jī)及計算機(jī)的CPU的編程設(shè)計方法有類似之處，但DSP比單片機(jī)的運算速度快得多，又比CPU的功耗及設(shè)計復(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)的實現(xiàn)。

伺服驅(qū)動裝置是印刷機(jī)無軸傳動[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驗平臺進(jìn)行了調(diào)速實驗，在實驗過程中，運用了Matlab與DSP混合編程的調(diào)試方法，實驗結(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)良好的動靜態(tài)調(diào)速控制性能，很好地滿足了印刷機(jī)無軸傳動控制系統(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，滿足實時控制的要求，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軸電流的誤差信號實現(xiàn)對電機(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，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軸分量的實際值iq1的誤差信號送入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，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，輸出量就是待求的電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種方法計算量小，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(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)果滿意時再把算法修改成C/C++語言，再在硬件的DSP目標(biāo)板上實現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)偏差，需要再用Matlab對算法進(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，還需要分步驗證各個中間結(jié)果和終結(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TIDSP的存儲器或者寄存器就可以像操作Matlab變量一樣簡單。工具包MatlabLinkforCCSDevelopmentTools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CCS的操作，即整個目標(biāo)DSP對于Matlab像透明的一樣，所有操作只利用Matlab命令和對象來實現(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，全部實現(xiàn)模塊化，容易擴(kuò)展，可以根據(jù)實際需要，改變每一模塊的參數(shù)。

接下來設(shè)置仿真參數(shù)和Real-TimeWorkshop選項，編譯仿真模型。并利用MatlabLinkforCCSDevelopmentTools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（實時數(shù)據(jù)交換技術(shù)），可以在Matlab和實時運行的DSP硬件之間建立連接，在它們之間實時傳送數(shù)據(jù)而不使正在DSP上運行的程序停止，這項功能可以在程序運行期間為我們提供一個觀察DSP實時運行狀態(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中修改一個參數(shù)或變量，并把修改值傳遞給正在運行的DSP，從而可以實時地調(diào)整或改變處理算法，并通過觀察探針點數(shù)據(jù)來調(diào)試程序。把CCSlink和EmbeddedTargetforC2000DSPPlatform.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、仿真、調(diào)試、測試，并終在DSP2812目標(biāo)板上運行。

4.系統(tǒng)調(diào)試

實驗臺硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，變頻器系統(tǒng)用DSP作為運算控制單元，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控制器在對檢測到的電流信號進(jìn)行相應(yīng)的運算處理之后，將PI控制算法產(chǎn)生的三對SVPWM脈沖信號，作用于IPM來驅(qū)動異步電機(jī)，通過改變輸出脈沖信號的頻率來實現(xiàn)異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。

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

通過DSP與CCS的連接，可在Matlab環(huán)境下對目標(biāo)DSP的存儲器數(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其數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，也可以實現(xiàn)對工程的編譯、鏈接、加載、運行，設(shè)置斷點和探點，將滿意的調(diào)試結(jié)果生成的目標(biāo)代碼直接加載到實驗臺上。轉(zhuǎn)速輸入設(shè)定為一階躍函數(shù)，電機(jī)帶額定負(fù)載運行，獲得的動態(tài)響應(yīng)曲線如下圖所示。

5實驗結(jié)果

Figure5Experimentalresults由圖5可見，d-q軸電壓電流及磁通角響應(yīng)曲線平穩(wěn)，在動態(tài)過程中，在Matlab環(huán)境下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和實際DSP實驗平臺下的轉(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)起動時有一定的波動，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際速度變化，在穩(wěn)態(tài)時實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)計方法確實可行，實驗證明：在此環(huán)境下可以完成對DSP目標(biāo)板的操作，包括訪問DSP存儲器和寄存器等，又可利用Matlab的強(qiáng)大工具對DSP存儲器中的數(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，