基于ＬＭ３Ｓ８９６２ ＡＲＭ的神經元控制直流調速系統

摘 要：介紹采用LM3S8962作為主控器件、結合智能控制理論的直流調速系統設計及實現。主要內容涉及神經元控制器、硬件、軟件設計，并對該系統進行了仿真實驗。從仿真結果可知：該系統具有良好的控制性能，并能達到很高的控制精度。

關鍵詞：ARM;神經元控制;直流調速系統;直流電機

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1718002

Neuron Control DC Speed Regulation System Based on LM3S8962ARM

LIAO Jingsheng

(Maoming College，Maoming，525000，China)

Abstract：This paper introduces the design and realization of DC speed regulation system controlled by neuron controller based on LM3S8962ARM.This article mainly introduces the design of neuron controller，the hardware and the software.This system is simulated，and the simulation results prove that this speed regulation system not only has better control performance，but also can gain higher control precision.

Keywords：ARM;neuron control;DC speed regulation system;DC motor

收稿日期：20080324 直流電動機具有良好的起制動性能，能大范圍內平滑調速，因而在可控的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。然而傳統的直流調速系統所采用的是由分立元件構成的復雜PID模擬控制系統。常規PID控制雖然具有結構簡單、穩定性好、易于工程實現等優點，但該方法過分依賴控制對象的模型參數，魯棒性差。對于復雜系統如對機器人的控制，由于其負載模型參數的大范圍變化以及非線性因素的影響，常規PID控制難以達到滿意的效果。本文提出一種基于LM3S8962 ARM芯片的模糊控制系統，以替代傳統的PID模擬控制，提高直流調速系統的控制性能。

1 控制系統的控制方案

系統控制框圖如圖1所示，采用串級控制，分為轉速環(外環)和電流環(內環)。為了提高系統響應的快速性和限流的必要性，電流環仍采用傳統的PI調節器，而轉速則采用神經元控制器，以提高其魯棒性。

圖1 控制系統框圖2 單神經元PSD自適應控制算法

單神經元自適應PSD算法控制框圖見圖2。

圖2 單神經元自適應PSD算法控制框圖圖2中狀態轉換器的輸入為設定值r(k)和過程輸出y(k)，轉換器的作用是獲得單神經元的三個輸入量x1(k)，x2(k)，x3(k)，在這里：

x1(k)=e(k)=r(k)-y(k)

x2(k)=Δe(k)=e(k)-e(k-1)

x3(k)=Δ2e(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)

單神經元控制器的輸出為：Δu(k)=K∑3I=1Wi(k)xi(k)其中:Wi(k) (i=1，2，3) 為對應于神經元輸入xi(k)的加權系數。

控制器總輸出為:

u(k)=u(k－1)+Δu(k)

=u(k－1)+K∑3i=1Wi(K)xi(k)

學習規則為:Wi(k+1)=Wi(k)+ηiri(k)其中ηi為學習速率，ri(k)是遞進信號并取作:ri(k)=z(k)u(k)［e(k)+Δe(k)］z(k)為教師信號，在這里取z(k)=e(k)。這是因為控制效果主要與e(k)和Δe(k)有關。為了保證學習算法的收斂性和控制的魯棒性，一般采用規范化學習算法以構成單神經元PSD控制規律，所以單神經元自適應PSD的控制算法如下:

u(k)=u(k－1)+K(k)∑3i=1Wi(k)xi(k)

W′i(k)=Wi(k)∑3i=1Wi(k)

W1(k+1)=W1(k)+ηIe(k)u(k)［e(k)+Δe(k)］

W2(k+1)=W2(k)+ηPe(k)u(k)［e(k)+Δe(k)］

W3(k+1)=W3(k)+ηDe(k)u(k)［e(k)+Δe(k)］

其中ηi(i=I，P，D)分別稱積分、求和、微分學習速率。由于采用規范化學習算法，一般ηi都取的較大。

K(k)=K(k－1)+cK(k－1)TV(k－1)，

sign e(k)=sign e(k－1)時

K(k)=0.75K(k－1)

sign e(k)≠sign e(k－1)時其中：TV(k)=TV(k－1)+L*sign［Δe(k)－TV(k－1)Δ2e(k)］，TV=Δe(k)Δ2e(k)，Δe(k)，Δ2e(k)是求和、微分二項絕對平均值，0.025≤c≤0.05，0.05≤L*≤0.1。

3 控制系統的硬件設計

控制系統以LM3S8962為核心，LM3S8962是基于ARMRCortexTM-M3的32位RISC控制器，具有內部存儲器、4個通用定時器、遵循ARM FiRM規范的看門狗定時器、控制器局域網(CAN)、10/100以太網控制器、同步串行接口(SSI)、2個完全可編程的UART、4個10位ADC、模擬比較器、I2C、6個PWM輸出、2個QEI模塊。

系統主電路采用晶閘管三相全控橋式電路，控制電路主要由LM3S8962芯片構成，一是完成速度脈沖的采樣、控制算法的實現和控制極脈沖的輸出等。二是完成起、停控制，鍵盤及顯示器接口等。系統硬件方框圖如圖3所示。

圖3 系統硬件方框圖從LM3S8962芯片出來的PWM輸出信號，經過光電隔離驅動，送入晶閘管控制極，實現對全控橋的控制。

電流檢測回路采用霍爾電流傳感器CSNP661檢測直流電流Id，當檢測到電流值超過設定的限幅值時ARM立即進行中斷處理，封鎖輸出給晶閘管的PWM信號，并發出聲光報警信號。

系統采用測速發電機測量電動機轉速，把轉速信號轉換成電壓信號，經分壓電阻送給ARM的ADC轉換輸入中斷。

4 控制系統軟件設計

軟件結構：本系統軟件采用功能模塊設計方法，軟件由系統、主程序、中斷服務子程序及其他相關的子程序組成。

主程序主要完成芯片的初始化、變量的初始化等。

中斷程序主要包括ADC轉換結束中斷等幾個部分。

在串行口中斷中，主要完成與主機信息的傳輸，根據制定的串行通信協議，按照主機的命令進行各種動作。

在ADC中斷中，通過ADC轉換的數值經過計算得到當前負載電流值，進行電流環調節，每經過一定次數電流環調節，就進行一次速度環調節，以保證系統按照要求進行控制。

5 仿真實驗

為檢驗本系統的控制性能，對直流電機(額定數據：380 V，37 A，200 r/min)進行了空載起動和突加負載的仿真實驗，得出電流和轉速的變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 空載啟動轉速變化曲線圖5 突加負載時電流、轉速變化曲線

6 結 語

實驗結果表明，本系統結構簡單，控制可靠，能保持快速響應及無靜差和較小超調等優良性能，采用了高性能高精度的ARM芯片的模糊控制器，能達到很高的控制精度。同時，系統具有較強的擴展能力，可以通過串行口或者以太網與上位機通信。

參 考 文 獻

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作者簡介 廖京盛 男，1962年出生，華南理工大學控制工程專業工程碩士。茂名學院計算機與電子信息學院講師，從事自動化、電氣工程的教學和研究，研究方向為單片機和嵌入式在自動化方面的應用開發。

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