MATLAB DSP在無(wú)傳感器矢量控制中的應用

1.引言

　　Matlab是一個(gè)強大的分析、計算和可視化工具，特別適用于控制系統的分析和模擬，但由于其依賴(lài)的平臺是計算機及其 CPU，因而由于 CPU系統功耗的原因，使得 MATLAB程序的執行速度相對于高速信號的輸入/輸出顯得很慢，遠不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)信號處理的要求，而 DSP就其軟件的編程能力而言，與單片機及計算機的 CPU的編程設計方法有類(lèi)似之處，但 DSP比單片機的運算速度快得多，又比 CPU 的功耗及設計復雜度低得多，但是其分析和可視化能力遠不及 Matlab，開(kāi)發(fā)過(guò)程比較復雜。不過(guò)，目前有一種新的技術(shù)，可以將 DSP和 Matlab兩者密切結合起來(lái)，充分利用兩者的特長(cháng)，有力的促進(jìn)控制系統的實(shí)現。

　　伺服驅動(dòng)裝置是印刷機無(wú)軸傳動(dòng)[3]控制系統中重要的組成部分，國內大部分產(chǎn)品是采用帶速度傳感器的專(zhuān)用變頻器調速，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(kāi)發(fā)了一套基于 PI調節器的無(wú)速度傳感器矢量控制系統，并且在自行搭建的實(shí)驗平臺進(jìn)行了調速實(shí)驗，在實(shí)驗過(guò)程中，運用了 Matlab與 DSP混合編程的調試方法，實(shí)驗結果表明，采用 Matlab調試及直接目標代碼生成的方法能避免傳統計算機模擬的復雜編程過(guò)程，減少了工作量，有助于提高系統的綜合效率 , 且能夠保持系統良好的動(dòng)靜態(tài)調速控制性能，很好地滿(mǎn)足了印刷機無(wú)軸傳動(dòng)控制系統的要求。

　　2.無(wú)速度傳感器矢量控制系統介紹

　　由于采用高性能的矢量控制方法且缺省了速度傳感器，那么如何準確的獲取轉速信息，且保持伺服系統較高的控制精度，滿(mǎn)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自適應控制方法 ，利用在同步軸系中 q軸電流的誤差信號實(shí)現對電機速度的估算 ，整體結構如圖 1所示。角速度給定值 ω*與推算角速度反饋值 ω的誤差送入速度調節器，速度調節器的輸出即為電磁轉矩的給定值 Te*，由 iq1 = LrTe/PmLmФd2可以計算出電流的 q軸分量給定值 iq1*，當 q軸電流沒(méi)達到設定值時(shí)，可由 Rs產(chǎn)生的 q軸電壓和 ω1σLs產(chǎn)生的 d軸電壓來(lái)調節。因此，iq1*與定子電流 q軸分量的實(shí)際值 iq1的誤差信號送入 PI調節器調節器的輸出 uq1’為定子電流 q軸分量誤差引起定子電壓 q軸分量的調節量。

　　其中速度推算模塊以不含有真實(shí)轉速的轉子磁鏈方程以及坐標變換方程作為參考模型，以含有待辨識轉速的 PI自適應律為可調模型，以定子電流轉矩分量作為比較輸出量，采用比例積分自適應律進(jìn)行速度估計，經(jīng)過(guò) PI調節后，輸出量就是待求的電機轉速。這種方法計算量小，結構簡(jiǎn)單，容易實(shí)現。

　　3. Matlab與 DSP混合編程的調試方法

　　在傳統的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，總是先用 MATLAB進(jìn)行仿真。當仿真結果滿(mǎn)意時(shí)再把算法修改成 C/C++語(yǔ)言，再在硬件的 DSP目標板上實(shí)現。發(fā)現偏差，需要再用 Matlab對算法進(jìn)行修正，再在 DSP上編寫(xiě)修正的算法程序。如此過(guò)程反復進(jìn)行，在 DSP的開(kāi)發(fā)工具、 Matlab工作空間之間來(lái)回多次切換，非常不便，當系統比較復雜時(shí)，還需要分步驗證各個(gè)中間結果和最終結果。如果能夠把 Matlab和 DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 CCS及目標 DSP連接起來(lái)，利用 Matlab的分析能力來(lái)調試 DSP代碼，那么操作 TI DSP的存儲器或者寄存器就可以像操作 Matlab變量一樣簡(jiǎn)單。工具包 Matlab Link for CCS Development Tools的使用，可以使上述問(wèn)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(gè)目標 DSP對于 Matlab像透明的一樣，所有操作只利用 Matlab命令和對象來(lái)實(shí)現，簡(jiǎn)單、方便、快捷。以下用調試上述無(wú)速度傳感器矢量控制系統的例子來(lái)說(shuō)明 Matlab-DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境在控制系統中的應用。在 Matlab命令窗口中輸入 Simulink，打開(kāi) Simulink模塊窗，建立異步電動(dòng)機矢量控制變頻調速系統的模型，如圖 2所示，結構簡(jiǎn)單明了，全部實(shí)現模塊化，容易擴展，可以根據實(shí)際需要，改變每一模塊的參數。

　　接下來(lái)設置仿真參數和 Real-Time Workshop選項，編譯仿真模型。并利用 Matlab Link for CCS Development Tools建立與目標 DSP的連接。利用 CCSLink工具，可以把數據從 CCS中傳送到 Matlab工作空間中，也可以把 Matlab中的數據傳送到 CCS中，而且通過(guò) RTDX（實(shí)時(shí)數據交換技術(shù)），可以在 Matlab和實(shí)時(shí)運行的 DSP硬件之間建立連接，在它們之間實(shí)時(shí)傳送數據而不使正在 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(gè)觀(guān)察 DSP實(shí)時(shí)運行狀態(tài)的窗口，大大簡(jiǎn)化了調試工作。Matlab、CCSlink、CCS和硬件目標 DSP的關(guān)系如圖 3所示。

我們可以在 Matlab中修改一個(gè)參數或變量，并把修改值傳遞給正在運行的 DSP，從而可以實(shí)時(shí)地調整或改變處理算法，并通過(guò)觀(guān)察探針點(diǎn)數據來(lái)調試程序。最后把 CCSlink和 Embedded Target for C2000 DSP Platform. 相結合，可以直接由調試好的 Simulink模型生成 DSP2812 的可執行代碼，并加載到 DSP目標板中，這樣我們就可以在同一的 Matlab環(huán)境中完成系統算法的設計、仿真、調試、測試，并最終在 DSP2812目標板上運行。

4. 系統調試

　　實(shí)驗臺硬件結構如圖 4所示，變頻器系統用 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(lái)驅動(dòng)異步電機，通過(guò)改變輸出脈沖信號的頻率來(lái)實(shí)現異步電動(dòng)機的變頻調速。