基于Matlab和DSP的直線電機精準位置控制

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（1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384；2.天津瑞靈石油設(shè)備有限公司，天津 300308）

直線電機驅(qū)動系統(tǒng)負載的變化將直接作用于直線電機。在設(shè)計直線電機控制系統(tǒng)時，如何提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤精度和動態(tài)響應(yīng)能力[1]，成為控制器設(shè)計的關(guān)鍵指標。TI公司的TMS320F2812 DSP是一類專業(yè)的運動控制芯片，不僅具有主頻高、速度快的優(yōu)點，而且還可以利用其帶有死區(qū)單元的PWM輸出，實現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制算法。結(jié)合在Matlab/Simulink創(chuàng)建控制算法簡單的特點，實現(xiàn)在Matlab中創(chuàng)建M文件，生成DSP代碼，控制直線電機快速、精準運動。

1 直線電機伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，直線電機伺服控制系統(tǒng)主要采用3環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 直線電機伺服控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of linear motor servo system

從內(nèi)到外依次是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，而且3個環(huán)所使用的調(diào)節(jié)器均可根據(jù)實際情況分開單獨設(shè)計。其中，電流環(huán)作為底層內(nèi)環(huán)，接受速度環(huán)傳送的電流信號，與電機反饋電流信號比較，主要作用是提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力；速度環(huán)處于中間位置，接受位置環(huán)傳送的信號，能夠抵抗負載波動干擾，確保速度穩(wěn)定；位置環(huán)[2]保證改善系統(tǒng)動態(tài)跟蹤能力和靜態(tài)性能。

在設(shè)置ELMO驅(qū)動器時，電流環(huán)和速度環(huán)就已經(jīng)完成了調(diào)整工作，即當1臺電機連接到驅(qū)動器上時，電流調(diào)節(jié)完全是自動的：軟件Composer根據(jù)頻繁的反饋信息創(chuàng)建一個電流環(huán)的技術(shù)編碼器并且能找出最優(yōu)PI參數(shù)；速度環(huán)調(diào)節(jié)中可根據(jù)提示進行速度自整定來完成速度驅(qū)動的調(diào)整，作為一個速度調(diào)節(jié)器。故在設(shè)計直線電機3閉環(huán)控制系統(tǒng)時只需要通過C space控制卡[3]采集直線電機的位置信號，與設(shè)定的信號（本實驗中為方波）作比較得到誤差信號，將該信號經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器（積分分離的PID算法）處理后得到控制信號，再經(jīng)過驅(qū)動器放大驅(qū)動直線電機，構(gòu)成直線電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 直線電機閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.2 Block diagram of linear motor closed-loop system′s hardware principle

2 積分分離的PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計

2.1 積分分離PID算法原理分析

積分分離的PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計思想是：為了避免輸入量有較大的變化而引起控制量超調(diào)，超出一個范圍，從而產(chǎn)生飽和效應(yīng)，此時，令PID調(diào)節(jié)器中的積分環(huán)節(jié)不起作用[4]，只有比例和微分環(huán)節(jié)起作用；當輸入量的變化較小時，重新使積分環(huán)節(jié)恢復(fù)，作用于系統(tǒng)，消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。

本系統(tǒng)中采用光柵尺來測量直線電機的位置信號，C space控制卡上正交編碼接口Encoder2是直線電機動子位置反饋接口，如圖3所示。

圖3 正交編碼模塊及其對應(yīng)的C space控制卡上接口Fig.3 Orthogonal coding mode and its corresponding interface on C space control card

圖3中模塊輸出的是編碼信號經(jīng)過解碼后的脈沖個數(shù)，是A相或者B相信號4倍頻以后的值。此接口會給出電機的實際位置信號與設(shè)定的預(yù)期信號比較得到偏差信號當偏差值絕對值大于一個設(shè)定的閾值為大于零的數(shù)）時，PID控制器中的積分環(huán)節(jié)不起作用，這時，控制器的輸出為

從而使控制器具有消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差的能力。

2.2 Matlab/Simulink仿真模型搭建

式（1）和式（2）給出了PD-PID控制算法，Matlab/Simulink搭建仿真模塊見圖4。其中，“Subsystem”，“Subsystem1”，“Switch”模塊，完成對積分退出與恢復(fù)的條件判斷和輸出。根據(jù)輸入條件的不同，判斷“Subsystem”或者“Subsystem1”起作用，從而決定積分環(huán)節(jié)的加入和消除。

圖4 PD-PID算法控制框圖Fig.4 The block diagram of PD-PID algorithm control

在建立控制算法M文件時，可以利用Matlab/Simulink中加載了特有的C space軟件包，該軟件包中一些模塊支持在線實時參數(shù)調(diào)整。因此，在運行時，可以首先通過在線改變參數(shù)，找到一組最優(yōu)的P，I，D參數(shù)，并將這3個參數(shù)，作為之后控制電機的實際參數(shù)，加載到PD-PID控制器中，達到直線電機精準的位置跟蹤控制。

3 C space硬件資源介紹

圖5 U型直線電機驅(qū)動平臺Fig.5 U-linear motor drive platform

Cspace電機試驗平臺不僅可以同時驅(qū)動3臺磁阻無刷電機，還包含了直線電機驅(qū)動功能。本文針對直驅(qū)技術(shù)而言，直線電機試驗平臺包括硬件和軟件2部分，主要有：U型永磁直線電機驅(qū)動平臺（如圖5所示），模塊化組件，TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812 DSP運動控制卡，控制軟件和C space快速控制原型開發(fā)系統(tǒng)。其中直線電機驅(qū)動平臺由精密直線導(dǎo)軌，直線電機（參數(shù)為：直線電機總質(zhì)量11.4 kg，直線電機移動部分質(zhì)量1.336 kg，負載塊質(zhì)量0.5 kg，磁柵分辨率5 μm。）位移傳感器，負載塊幾部分組成。軟件包括Matlab R2008a和CCS3.3，仿真器驅(qū)動軟件Composer。在本實驗平臺的Matlab/Simulink中裝載了特有的C space軟件包，用于直線電機驅(qū)動控制設(shè)計建模。

實驗可按如下過程進行：第1步，在Matlab的Work文件夾下建立Simulink算法文件編譯、修改，直至無錯誤；第2步，連接硬件，包括上位機，主機箱，直線電機之間的通訊線和控制線；第3步，Simulink文件編譯，連接到DSP；第4步，打開C space控制界面；第5步，在線改變參數(shù)，通過串口下載參數(shù)，然后啟動電機；最后，進行在線調(diào)試，并可以保存數(shù)據(jù)，利用Matlab對數(shù)據(jù)進行處理。其中，第3步和第4步用到的模塊如圖6所示，“WM Model Build”編譯Simulink 算法文件，生成DSP目標代碼，“WM Model Run”使生成的代碼下載到DSP卡并自動運行，啟動臨控界面。

圖6 C space軟件包中常用模塊Fig.6 Module commonly used in C space software

4 實驗仿真與結(jié)論

在試驗中，設(shè)定幅值為1，占空比為2/3的方波信號，采樣時間為0.005 s。由實驗平臺無需停止電機，就可進行PID參數(shù)在線調(diào)試，沒有必要采用其它的PID參數(shù)的估算方法[5]，只需通過觀察C space控制界面，在輸出曲線達到所要求標準時，記錄3個參數(shù)的數(shù)值。最終采用的參數(shù)值分別為：相對應(yīng)于比例環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的“WM-write2”“WM-write3”“WM-write4”的值分別為：3，30，0.003 3，取閾值ε為0.55。輸出控制電壓信號、位置跟隨曲線、偏差信號的實驗結(jié)果分別如圖7～圖9所示。

圖7 輸出控制信號Fig.7 Output control signal

圖8 位置跟隨曲線Fig.8 Position follow curves

圖9 偏差信號Fig.9 Deviation signal

圖7為調(diào)節(jié)器輸出的模擬控制電壓信號，通過“WM_DAC_1”通道接口，與Cspace控制卡16bit的DA相連，最終輸出（-10，+10）范圍內(nèi)的電壓值。

由圖8可以看出，雖然在電機換向時仍有一定量的超調(diào)，經(jīng)過0.2 s后，電機跟蹤效果很好。

從整個實驗現(xiàn)象可得知，PID設(shè)置不同值時，電機的實際位置控制效果不同，隨著PID參數(shù)的調(diào)節(jié)優(yōu)化，電機運動曲線逐步跟蹤設(shè)定脈沖曲線，并且誤差也很小。

本文通過對PID算法的研究設(shè)計了積分分離的PID控制器，并在Sinulink中編寫了M文件，結(jié)合了C space硬件在回路控制的優(yōu)勢，通過在線適時調(diào)整參數(shù)，找到了PID比較好的參數(shù)值，實現(xiàn)了直線電機位置精準跟蹤方波實驗。實驗結(jié)果表明：積分分離的PID調(diào)節(jié)器，能夠減小系統(tǒng)超調(diào)，改善系統(tǒng)靜、動態(tài)性能，提高了直線電機位置跟蹤的性能。又因為直線電機直接存在于硬件中，在控制算法設(shè)計時，無需創(chuàng)建直線電機的數(shù)學(xué)模型，取代了傳統(tǒng)的用理想電機數(shù)學(xué)模型代替實物帶來的弊端，也驗證了積分分離的PID控制器的有效性。

［1］陳幼平，張代林，艾武，等.基于DSP的直線電機位置伺服控制策略研究［J］.電機與控制學(xué)報，2006，10（1）：61-65.

［2］杜志強，陳幼平，艾武，等.DSP在短行程直線電機緊密位置控制中的應(yīng)用研究［J］.工業(yè)控制，2005，13（2）：131-134.

［3］曹榮敏，周惠興，梁文宇，等.基于C space的直線電機實時仿真控制系統(tǒng)研究實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2009，31（12）：81-84.

［4］胡科峰，周云飛，李作清，等.基于積分分離的PID位置控制器的設(shè)計［J］.機床與液壓，2004，32（5）：19-21.

［5］王素青，姜維福.基于MATLAB/Simulink的PID參數(shù)整定［J］.工業(yè)控制與應(yīng)用，2009，28（3）：24-28.