摘 要：介紹采用LM3S8962作為主控器件、結(jié)合智能控制理論的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。主要內(nèi)容涉及神經(jīng)元控制器、硬件、軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。從仿真結(jié)果可知：該系統(tǒng)具有良好的控制性能，并能達(dá)到很高的控制精度。

關(guān)鍵詞：ARM;神經(jīng)元控制;直流調(diào)速系統(tǒng);直流電機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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(dòng)機(jī)具有良好的起制動(dòng)性能，能大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因而在可控的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)所采用的是由分立元件構(gòu)成的復(fù)雜PID模擬控制系統(tǒng)。常規(guī)PID控制雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但該方法過(guò)分依賴控制對(duì)象的模型參數(shù)，魯棒性差。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)如對(duì)機(jī)器人的控制，由于其負(fù)載模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響，常規(guī)PID控制難以達(dá)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(tǒng)，以替代傳統(tǒng)的PID模擬控制，提高直流調(diào)速系統(tǒng)的控制性能。

1 控制系統(tǒng)的控制方案

系統(tǒng)控制框圖如圖1所示，采用串級(jí)控制，分為轉(zhuǎn)速環(huán)(外環(huán))和電流環(huán)(內(nèi)環(huán))。為了提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和限流的必要性，電流環(huán)仍采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，而轉(zhuǎn)速則采用神經(jīng)元控制器，以提高其魯棒性。

圖1 控制系統(tǒng)框圖2 單神經(jīng)元PSD自適應(yīng)控制算法

單神經(jīng)元自適應(yīng)PSD算法控制框圖見(jiàn)圖2。

圖2 單神經(jīng)元自適應(yīng)PSD算法控制框圖圖2中狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的輸入為設(shè)定值r(k)和過(guò)程輸出y(k)，轉(zhuǎn)換器的作用是獲得單神經(jīng)元的三個(gè)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(jīng)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(duì)應(yīng)于神經(jīng)元輸入xi(k)的加權(quán)系數(shù)。

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(xué)習(xí)規(guī)則為:Wi(k+1)=Wi(k)+ηiri(k)其中ηi為學(xué)習(xí)速率，ri(k)是遞進(jìn)信號(hào)并取作:ri(k)=z(k)u(k)［e(k)+Δe(k)］z(k)為教師信號(hào)，在這里取z(k)=e(k)。這是因?yàn)榭刂菩Ч饕ce(k)和Δe(k)有關(guān)。為了保證學(xué)習(xí)算法的收斂性和控制的魯棒性，一般采用規(guī)范化學(xué)習(xí)算法以構(gòu)成單神經(jīng)元PSD控制規(guī)律，所以單神經(jīng)元自適應(yīng)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(xué)習(xí)速率。由于采用規(guī)范化學(xué)習(xí)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(shí)

K(k)=0.75K(k－1)

sign e(k)≠sign e(k－1)時(shí)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(xiàng)絕對(duì)平均值，0.025≤c≤0.05，0.05≤L*≤0.1。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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

系統(tǒng)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(gòu)成，一是完成速度脈沖的采樣、控制算法的實(shí)現(xiàn)和控制極脈沖的輸出等。二是完成起、?？刂疲I盤及顯示器接口等。系統(tǒng)硬件方框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件方框圖從LM3S8962芯片出來(lái)的PWM輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離驅(qū)動(dòng)，送入晶閘管控制極，實(shí)現(xiàn)對(duì)全控橋的控制。

電流檢測(cè)回路采用霍爾電流傳感器CSNP661檢測(cè)直流電流Id，當(dāng)檢測(cè)到電流值超過(guò)設(shè)定的限幅值時(shí)ARM立即進(jìn)行中斷處理，封鎖輸出給晶閘管的PWM信號(hào)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

系統(tǒng)采用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)分壓電阻送給ARM的ADC轉(zhuǎn)換輸入中斷。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件結(jié)構(gòu)：本系統(tǒng)軟件采用功能模塊設(shè)計(jì)方法，軟件由系統(tǒng)、主程序、中斷服務(wù)子程序及其他相關(guān)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(zhuǎn)換結(jié)束中斷等幾個(gè)部分。

在串行口中斷中，主要完成與主機(jī)信息的傳輸，根據(jù)制定的串行通信協(xié)議，按照主機(jī)的命令進(jìn)行各種動(dòng)作。

在ADC中斷中，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)值經(jīng)過(guò)計(jì)算得到當(dāng)前負(fù)載電流值，進(jìn)行電流環(huán)調(diào)節(jié)，每經(jīng)過(guò)一定次數(shù)電流環(huán)調(diào)節(jié)，就進(jìn)行一次速度環(huán)調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)按照要求進(jìn)行控制。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)本系統(tǒng)的控制性能，對(duì)直流電機(jī)(額定數(shù)據(jù)：380 V，37 A，200 r/min)進(jìn)行了空載起動(dòng)和突加負(fù)載的仿真實(shí)驗(yàn)，得出電流和轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)速變化曲線圖5 突加負(fù)載時(shí)電流、轉(zhuǎn)速變化曲線

6 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制可靠，能保持快速響應(yīng)及無(wú)靜差和較小超調(diào)等優(yōu)良性能，采用了高性能高精度的ARM芯片的模糊控制器，能達(dá)到很高的控制精度。同時(shí)，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，可以通過(guò)串行口或者以太網(wǎng)與上位機(jī)通信。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 廖京盛 男，1962年出生，華南理工大學(xué)控制工程專業(yè)工程碩士。茂名學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院講師，從事自動(dòng)化、電氣工程的教學(xué)和研究，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)和嵌入式在自動(dòng)化方面的應(yīng)用開發(fā)。

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