Matlab與 DSP混合實現(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對異步電機無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)進行調(diào)試的方法。應(yīng)用 MATLAB語言強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)試及直接目標代碼生成的方法能避免傳統(tǒng)計算機模擬的復(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。
Abstract：
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摘要: 本文介紹了一種采用 MATLAB及 CCS對異步電機無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)進行調(diào)試的方法。應(yīng)用 MATLAB語言強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)試及直接目標代碼生成的方法能避免傳統(tǒng)計算機模擬的復(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。
Matlab是一個強大的分析、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，與單片機及計算機的 CPU的編程設(shè)計方法有類似之處，但 DSP比單片機的運算速度快得多，又比 CPU 的功耗及設(shè)計復(fù)雜度低得多，但是其分析和可視化能力遠不及 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，有力的促進控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。
伺服驅(qū)動裝置是印刷機無軸傳動[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)試及直接目標代碼生成的方法能避免傳統(tǒng)計算機模擬的復(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 q軸電流沒達到設(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)律進行速度估計，經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)后，輸出量就是待求的電機轉(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進行仿真。當仿真結(jié)果滿意時再把算法修改成 C/C++語言，再在硬件的 DSP目標板上實現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)偏差，需要再用 Matlab對算法進行修正，再在 DSP上編寫修正的算法程序。如此過程反復(fù)進行，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，當系統(tǒng)比較復(fù)雜時，還需要分步驗證各個中間結(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 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 CCS的操作，即整個目標 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-Time Workshop選項，編譯仿真模型。并利用 MATLABLink for CCS Development Tools建立與目標 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 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。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，并最終在 DSP2812目標板上運行。
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三相電的兩相電流。DSP控制器在對檢測到的電流信號進行相應(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，通過改變輸出脈沖信號的頻率來實現(xiàn)異步電動機的變頻調(diào)速。
電機參數(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)境下對目標 DSP的存儲器數(shù)據(jù)進行訪問，再利用 Matlab強大的分析和可視化工具對其數(shù)據(jù)進行訪問，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，最后將滿意的調(diào)試結(jié)果生成的目標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)，電機帶額定負載運行，獲得的動態(tài)響應(yīng)曲線如下圖所示。
5 實驗結(jié)果
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。
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目標板的操作，包括訪問 DSP存儲器和寄存器等，又可利用 Matlab的強大工具對 DSP存儲器中的數(shù)據(jù)進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，易于實現(xiàn)。同時，具有一定自適應(yīng)能力的 PI速度估算方法能夠?qū)﹄姍C轉(zhuǎn)速做出準確的估計，實驗結(jié)果驗證了此系統(tǒng)設(shè)計方案的正確性和可行性。
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