基于ＤＳＰ直流電機(jī)速度的模糊控制系統(tǒng)研究

摘 要：介紹一種基于模糊控制的直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)。該模糊控制器設(shè)計為二維模糊控制器，以速度反饋和給定轉(zhuǎn)速的誤差及誤差的變化率作為模糊控制器的輸入變量，采用帶調(diào)整因子的模糊控制器不需要建立模糊查詢表。運(yùn)用DSP強(qiáng)大的計算能力直接按實(shí)時計算輸出控制量，實(shí)現(xiàn)編碼器的解碼、速度的測量。試驗(yàn)表明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力，適應(yīng)于各種不同的場合。

關(guān)鍵詞：DSP 模糊控制；直流電機(jī)；數(shù)字信號處理;二維模糊控制器

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)10-057-04

Fuzzy System DSP-based for DC Motor Speed Control

ZHANG Zongbao，ZHOU Hongfu

(School of Mechanical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，510640，China )

Abstract：This paper presents a fuzzy control based on the DC motor speed control system.The fuzzy controller is designed for two-dimensional fuzzy controller whose input variable are the speed feedback，the error and the rate of change of error given the speed.The fuzzy controller using adjustment factor does not require a fuzzy query table.By using DSP calculation power of direct real-time control of DSP，it can realize decode encoder，measurve speed.The test shows that the system is robust and strong anti-jamming capability and can adapt to a variety of occasions.

Keywords：DSP fuzzy;control;DC motor;digital signal processing;two-dimensional fuzzy controller

1 引 言

電機(jī)控制系統(tǒng)分為發(fā)動機(jī)和電動機(jī)2個方面，就電動機(jī)的控制目標(biāo)來說，主要有速度控制和位置控制2大類。電機(jī)的速度控制系統(tǒng)也稱為電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，他廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工、造紙、紡織、礦山和交通等工業(yè)部門。直流電機(jī)由于具有良好的調(diào)速特性，寬廣的調(diào)速范圍，長期以來在要求調(diào)速的地方，特別是對調(diào)速性能指標(biāo)要求較高的場合得到了廣泛的應(yīng)用。特別是近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多變量、非線性控制系統(tǒng)，控制參數(shù)多，各個參數(shù)之間相互影響，抗干擾能力較弱，不適合需要高控制性能的場合。因此，為了增強(qiáng)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性，提高調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度^[1]，本文提出了基于模糊控制的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)。以往的直流電機(jī)多由單片機(jī)附加許多種接口設(shè)備構(gòu)成，不僅復(fù)雜而且速度也受到限制，難以實(shí)現(xiàn)從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數(shù)字控制，也不方便擴(kuò)展。而應(yīng)用數(shù)字信號處理器(DSP)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)伺服系統(tǒng)卻可以只用1片DSP就可以替代單片機(jī)和各種接口，由于DSP芯片的快速運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更智能化的算法^[2];可以通過高速網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行系統(tǒng)升級和擴(kuò)展;可以實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。

2 直流電機(jī)工作原理

任何電機(jī)的工作原理都是建立在電磁力和電磁感應(yīng)這個基礎(chǔ)上的，直流電機(jī)也是如此^[3]。直流電機(jī)的工作原理如圖1所示。

圖1 直流電機(jī)的工作原理

電機(jī)具有1對磁極，電樞繞組只是1個線圈，線圈兩端分別在2個換向片上，換向片上壓著電刷A和B。當(dāng)電樞在磁場中轉(zhuǎn)動時，線圈中要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E，這個電動勢的方向（由右手定則確定）與電流或外加電壓的方向總是相反，所以稱為反電勢，他與發(fā)動機(jī)中的電動勢的作用時不同的。直流電機(jī)電樞繞組中的電流與磁通Φ相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩^[4]。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常用下式表示：

T=KtΦIn

式中，T為電磁轉(zhuǎn)矩（N#8226;m）；Φ為對磁極的磁通（Wb）；Ia為電樞電流（A）；Kt為與電機(jī)有關(guān)的常數(shù)，Kt＝9.55 Ke。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該模糊控制系統(tǒng)以DSP(TMS320LF 2407)作為控制核心和運(yùn)算核心。TI公司的TMS320LF2407是專門面向運(yùn)動控制應(yīng)用的數(shù)字信號處理器，其上包含電機(jī)控制應(yīng)用所需要的各個主要功能模塊。他不僅有16位定點(diǎn)處理器內(nèi)核，更重要的是他將許多電機(jī)控制常用的接口集成到1個DSP控制器上。

系統(tǒng)硬件基本上包括1個以TMS320LF2407為處理核心的DSP板，1個配套的功率驅(qū)動板和直流電動機(jī)。實(shí)現(xiàn)編碼器的解碼、速度的測量、模糊控制算法和相應(yīng)的人機(jī)界面。本系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示：

圖2 硬件框圖

該系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動器是自行設(shè)計，所設(shè)計的驅(qū)動電路采用脈寬調(diào)制技術(shù)，用到的電力電子器件是電壓控制型器件N溝道MOS管以及信號控制開關(guān)三極管。電路原理圖見圖3。

圖3 驅(qū)動器電路圖

4 系統(tǒng)控制設(shè)計

模糊控制是指模糊理論在控制技術(shù)上的應(yīng)用，可以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，控制邏輯更加接近人類思維，直接采用人類語言型控制規(guī)則，使得控制機(jī)理和控制策略易于理解和接受，設(shè)計簡單，便于維護(hù)和推廣。

4.1 光電編碼器測速

測速元件是速度閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。該系統(tǒng)中采用增量式光電編碼器測量直流電機(jī)的實(shí)時速度，進(jìn)而通過模糊算法得到實(shí)時電機(jī)驅(qū)動的PWM控制量，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的閉環(huán)控制。系統(tǒng)選用ZKX-6-50BM7型增量式光電編碼器是一種高精度角位移傳感器。

[BT4+*3]4.1.1 編碼器的解碼

系統(tǒng)直流電機(jī)編碼器共有A，B兩相輸出，輸入/輸出波型如圖4所示： 

圖4 編碼器正轉(zhuǎn)輸入輸出

鑒于A，B相的波型特點(diǎn)：A相和B相的相位總是相差90°，如果可以在A相的下降沿，判斷出B相的電平狀態(tài)，即可判斷出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)：當(dāng)A相的下降沿來時，B相為高電平時，則為正轉(zhuǎn)；反之為反轉(zhuǎn)。為了防止DSP處理不過來，而導(dǎo)致編碼器丟步，降低了系統(tǒng)的精度。這里把A相接到DSP的外中斷輸入引腳，當(dāng)A相的下降沿來時，測觸發(fā)程序中斷，進(jìn)行相應(yīng)的脈沖計算和轉(zhuǎn)向檢測。連接電路圖5如下：

圖5 連接電路圖

[BT4+*4]4.1.2 M/T法測速

同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測轉(zhuǎn)速。他是用規(guī)定時間間隔Tg以后的第一個測速脈沖去終止時鐘脈沖計數(shù)器，并由此計數(shù)器值m來確定檢測時間T。

檢測的時間為：

T=Tg+ΔT

設(shè)電機(jī)在T (s)時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度位移為X(rad)，則其實(shí)際轉(zhuǎn)速值為：

nM=60#8226;X2πT=60#8226;X2π(Tg+ΔT)

如果電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈脈沖發(fā)生器輸出P個脈沖，在T時間內(nèi)，計數(shù)值為m1，則角位移X為X=2πm1/P。同時，考慮在檢測時間T=Tg+ΔT內(nèi)，由計數(shù)頻率為關(guān)的參考時鐘脈沖來定時，且計數(shù)值為m2，則檢測時間T可表示為T=m2/fc。于是被測的速度為：

nM=60fc#8226;m1pm2(r/min)

通過分析可知（M法和T法不介紹）:M法測量轉(zhuǎn)速在極端情況下會產(chǎn)生±1個轉(zhuǎn)速脈沖的誤差，而T法在極端情況下，時間的測量會產(chǎn)生±1個高頻脈沖周期，由于轉(zhuǎn)速脈沖的頻率遠(yuǎn)小于高頻脈沖的頻率，因此如果用轉(zhuǎn)速脈沖信號的上升沿/下降沿來同步計數(shù)器的起止，在預(yù)定的測速時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速脈沖信號的計數(shù)值將為整數(shù)(無誤差)，只有高頻時鐘脈沖會產(chǎn)生±1的誤差，因其很小，影響可以忽略，所以系統(tǒng)采用M/T法可適用于測量高、低速的場合，且具有較高的測速精度，但檢測時間不宜過長。

4.2 速度控制設(shè)計

作為一種人工智能手段，模糊控制將輸入量按一定的模糊控制規(guī)則自動進(jìn)行推理運(yùn)算，模仿專家經(jīng)驗(yàn)，從而獲取問題的求解，在處理不確定性和不精確性問題時具有良好的魯棒性。該模糊控制器設(shè)計為二維模糊閉環(huán)控制器，以速度反饋和給定轉(zhuǎn)速的誤差e及誤差的變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，經(jīng)模糊控制器進(jìn)行模糊化后變成模糊量E和EC，經(jīng)過模糊控制推理和模糊決策后，得到?jīng)Q策后的控制輸出模糊量，再經(jīng)去模糊化處理，利用DSP計算得到精確的輸出量u，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM去控制被控對象。模糊控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 模糊控制系統(tǒng)框圖

4.3 速度控制算法

自帶調(diào)整因子的模糊控制器，他根據(jù)誤差的大小，對誤差和誤差變化率進(jìn)行不同的加權(quán)處理。對于二維模糊控制系統(tǒng)，當(dāng)誤差較大時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，這時對在控制規(guī)則中誤差的加權(quán)應(yīng)取大些。相反，當(dāng)誤差較小時，此時系統(tǒng)己接近穩(wěn)態(tài)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，為此必須減小超調(diào)，這就要求在控制規(guī)則中誤差變化率起的作用大些，即對誤差變化率加權(quán)取大一些。在本系統(tǒng)中，對誤差及誤差變化和控制量的模糊控制集及其論域定義為：{±6，±5，±4，±3，±2，±1，0}，根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差模糊量E的當(dāng)前值，采用不同的α值自調(diào)整如下：

采用帶調(diào)整因子的模糊控制器不需要建立模糊查詢表，而是利用DSP強(qiáng)大的計算能力直接按實(shí)時計算輸出控制量，從而節(jié)省大量存儲空問，同時也可以方便地實(shí)現(xiàn)對控制策略的調(diào)整。



#include \"global.c\"

#define Ke1 [JY]//偏差Error模糊化系數(shù)

#define Kde 2 [JY]//偏差變化率DError模糊化系數(shù)

#define Ku20[JY]//輸出U增量去模糊化系數(shù)

*****自適應(yīng)模糊算法*****

int fuzzy(int Error，int DError)

{int a;int U;

if(Error>Ke*6) Error = 6;[JY]//輸入變量模糊化

else if(Error>Ke*5)Error = 5;

U=INT［0.89E+(1-0.89)EC］ E=±6

U=INT［0.74E+(1-0.74)EC］ E=±5

U=INT［0.55E+(1-0.55)EC］ E=±4

U=INT［0.43E+(1-0.43)EC］ E=±3

U=INT［0.36E+(1-0.36)EC］ E=±2

U=INT［0.22E+(1-0.22)EC］ E=±1

U=INT［0.12E+(1-0.12)EC］ E=0

else if(Error>Ke*4)Error = 4;

else if(Error>Ke*3)Error = 3;

else if(Error>Ke*2)Error = 2;

else if(Error>Ke)Error = 1;

else if(Error>=0)Error = 0;

else

{…

}

//根據(jù)E來確定不同的a自調(diào)整值，系數(shù)放大100倍

{[ZK（]case6:case -6:a = 89;break;

case5: case -5:a = 74;break;

case4: case -4:a = 55;break;

case3: case -3:a = 43;break;

case2: case -2:a = 36;break;

case1: case -1:a = 22;break;

case0:a = 12; break;

efault: break; }

U = a*Error+(100-a)*DError;[JY]//算出模糊輸出控制量增量

U = U*Ku/100;[JY]//去模糊化

return U;[ZK）]

}

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

直流電動機(jī)控制系統(tǒng)采用CCS3.1軟件集成開發(fā)環(huán)境，軟件主要實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)速度的檢測，轉(zhuǎn)速的計算，電流與轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，PWM信號的生成以及故障信號的處理等功能。直流電動機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要包括速度檢測，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，電流調(diào)節(jié)，PWM波生成等幾部分組成。并通過中國電子公司硬件仿真器、DEC2407控制板和自制的驅(qū)動器進(jìn)行了速度控制試驗(yàn)如圖7所示。通過編碼器來檢測直流電機(jī)運(yùn)行速度，運(yùn)用PC機(jī)的遠(yuǎn)程終端來顯示直流電機(jī)的速度控制情況，如圖8所示。

5 結(jié) 語

本文利用DSP實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的模糊控制，使直流電機(jī)的速度控制優(yōu)越性能得到了廣泛應(yīng)用，使用DSP實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)控制則不僅比傳統(tǒng)的模擬電路成本低，而且結(jié)構(gòu)簡單、方便擴(kuò)展。

通過實(shí)驗(yàn)說明模糊控制的速度控制器比PID控制更好，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能，并且模糊控制技術(shù)能優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力^[5]，適應(yīng)于各種不同的場合。

圖7 速度控制試驗(yàn)圖

圖8 電機(jī)運(yùn)行速度反饋圖

參 考 文 獻(xiàn)

［1］賈東耀，曾智剛.基于模糊控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)Matlab的位置［J］.電機(jī)電器技術(shù)，2002(5):2-6.

［2］張東亮，常宏敏，田新亮，等.無刷直流伺服電機(jī)的DSP全數(shù)字控制系統(tǒng)研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報，2002(5):485-488.

［3］鄧星鐘.機(jī)電傳動控制［M］.3版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.

［4］張崇巍，李漢強(qiáng)，陳伯時.運(yùn)動控制系統(tǒng)［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002.

［5］李勇，羅隆福，許加柱，等.基于模糊控制的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)［J］.大電機(jī)技術(shù)，2006（1）:66-68.

作者簡介 張宗寶 男，1976年出生，四川綿陽人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)橹圃煜到y(tǒng)的計算機(jī)控制。

周宏甫 男，1958年出生，湖北人，博士。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。