基于基于 TMS320F2812 DSPsTMS320F2812 DSPs 的的模糊自调整模糊自调整 PIDPID 速度控制器的速度控制器的

设计与实现设计与实现

摘要摘要• 本文讨论了如何将模糊自调整本文讨论了如何将模糊自调整 PIDPID 控制器应控制器应

用在交流调速系统中用在交流调速系统中 ,, 着重于着重于 TITI 公司的最新公司的最新 3232位定点位定点 DSPDSP 如何实现基于如何实现基于 TMS320F2812TMS320F2812 的控的控制器用制器用 C++C++ 语言模糊搜索方法语言模糊搜索方法 .. 作者最后应用该作者最后应用该控制器在控制器在 MCK2812MCK2812 的的 PMSMPMSM 速度可调整矢量控速度可调整矢量控制器系统中制器系统中 .. 该控制器是该控制器是 TechnosoftTechnosoft 公司的运公司的运动控制的开发环境动控制的开发环境 .. 结果表明该控制器明显改进结果表明该控制器明显改进系统的动态特性和静态特性系统的动态特性和静态特性 ..

•关键词关键词 :: 模糊自校正模糊自校正 PIDPID 控制器 控制器 TMS320F28TMS320F2812 12 交流调速交流调速

绪论绪论 • 近年来近年来 ,, 人们逐渐将模糊自调整人们逐渐将模糊自调整 PIDPID 控制器应用控制器应用

在交流电机的速度控制中在交流电机的速度控制中 .. 对交流调速系统实现更高对交流调速系统实现更高精度和更高速度的动态特性和静态特性更有效精度和更高速度的动态特性和静态特性更有效 .. 但是但是交流调速运算法则对于实现系统模型的不耦合需要交流调速运算法则对于实现系统模型的不耦合需要实现复合坐标变换实现复合坐标变换 ,, 模糊自调整模糊自调整 PIDPID 控制器需要在控制器需要在线计算修正线计算修正 PIDPID 三个参数三个参数 .. 所以人们为了确保程序的所以人们为了确保程序的实时运行必须使用高性能的处理器。因此实时运行必须使用高性能的处理器。因此 ,, 最新的最新的 TITI公司的公司的 3232 位定点位定点 DSPDSP 的的 TMS320F2812TMS320F2812 是运动控制是运动控制领域中最好的领域中最好的 DSPDSP 芯片。它的哈佛结构适合于极强芯片。它的哈佛结构适合于极强的高速运算和信号处理的高速运算和信号处理 ,, 在芯片上的两个事件管理能在芯片上的两个事件管理能够简化外围电路够简化外围电路 ,, 因此它的作用是为交流速度可调整因此它的作用是为交流速度可调整系统的模糊自调整系统的模糊自调整 PIDPID 控制算法的实现作保证控制算法的实现作保证 ..

控制器的设计控制器的设计A.A. 模糊自调整模糊自调整 PIDPID 控制结构的要素控制结构的要素• 模糊自调整模糊自调整 PIDPID 控制算法在线自调整控制算法在线自调整 PIDPID 的三个参数通的三个参数通

过寻找过寻找 PIDPID 三个参数三个参数 ,, 速度误差和转动速度误差率以及模糊速度误差和转动速度误差率以及模糊逻辑控制原理之间的模糊关系以此来满足不同误差和误差变逻辑控制原理之间的模糊关系以此来满足不同误差和误差变化率对化率对 PIDPID 参数不同的需求参数不同的需求 !!

• 如图如图 11 所示所示 ,r(t),r(t) 是参考输入是参考输入 ,e,e 是速度误差是速度误差 ,△e,△e 是速度误是速度误差变化率差变化率 ,E,E 和△和△ EE 是系统误差和系统误差变化率的反馈语言是系统误差和系统误差变化率的反馈语言变量的模糊集变量的模糊集 .U(t).U(t) 模糊模糊 PIDPID 控制器的最终输出控制器的最终输出 ..

• Kp,Ki,KdKp,Ki,Kd 自调整的原理自调整的原理 :: 根据被控对象在取样时间根据被控对象在取样时间内的误差和误差变化率内的误差和误差变化率 ,, 我们可以确定参数修正大小我们可以确定参数修正大小 ..兼顾控制对象的静态特性兼顾控制对象的静态特性 (( 搞出或者低于给定值搞出或者低于给定值 )) 和响和响应的动态特性应的动态特性 (( 接近或者偏离给定值接近或者偏离给定值 ).). 它的运算法则是它的运算法则是转换输入变量为模糊变量转换输入变量为模糊变量 ,, 然后利用模糊法则知识匹配然后利用模糊法则知识匹配它们它们 .. 如果它们符合一些规则如果它们符合一些规则 ,, 执行该规则的结果执行该规则的结果 ..

• 传统传统 PIDPID 控制器的离散表达式如下控制器的离散表达式如下 ::

B,B, 模糊语言变量值的确定模糊语言变量值的确定 ,, 隶属函数和模糊控制规则隶属函数和模糊控制规则1. 1. 模糊语言变量值的确定模糊语言变量值的确定

•当选用的语言变量值时当选用的语言变量值时 ,, 要兼顾控制法则的灵活要兼顾控制法则的灵活性和简单性和可行性的要求性和简单性和可行性的要求 .. 本文以本文以 PMSMPMSM 速度速度可调系统为例可调系统为例 ,, 两个输入语言变量两个输入语言变量 EE 和△和△ EE 以及以及三个输出语言变量 和 被定义为三个输出语言变量 和 被定义为 , , 它代表它代表 :{:{ 负大负大 ,,负小负小 ,,灵灵 ,, 正小正小 ,, 正大正大 }.}. 根据实根据实际情况际情况 ,E, ,E, 和 积分区域为和 积分区域为 [-6 -5 -4 -3 -2[-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6]. -1 0 1 2 3 4 5 6]. 语言变量值被分为五个变量模语言变量值被分为五个变量模糊集如下糊集如下 ::

2.2. 隶属函数的确定隶属函数的确定 • 模糊隶属函数的形状比较陡模糊隶属函数的形状比较陡 ,, 精度比较高精度比较高 ,, 对系统的鲁棒性能比对系统的鲁棒性能比较好较好 ,,当误差接近零时我们用精度比较高的三角隶属函数而当误差比当误差接近零时我们用精度比较高的三角隶属函数而当误差比较大的时候较大的时候 ,, 我们用精度比较低的高斯隶属函数我们用精度比较低的高斯隶属函数 ..

模糊自调整模糊自调整 PIDPID 速度控制器的实现速度控制器的实现A.A. 硬件设计硬件设计• 20032003 年由年由 TITI 公司提出的公司提出的 TMS320F2812TMS320F2812 是一种高性能的是一种高性能的

3232 位定点位定点 DSP.DSP.迄今为止迄今为止 ,, 该芯片是运动控制领域中性能最好该芯片是运动控制领域中性能最好的的 ..与与 C240XC240X系列芯片相比系列芯片相比 ,TMS320F2812,TMS320F2812 有一些独特的特有一些独特的特点如下点如下 ::

• 高性能的高性能的 3232 位位 CPU,CPU, 高性能的静态高性能的静态 CMOSCMOS技术技术 -150MHZ-150MHZ• 1.8V1.8V的核心电压的核心电压 ,3.3V,3.3V的的 I/OI/O电压电压 ,,损耗非常低损耗非常低• 芯片上包含芯片上包含 128K*16128K*16的的 flashflash存储器和存储器和 18K*1618K*16的的 SRAMSRAM 以以

及及 4K4K 的的 ROM,12ROM,12 位的位的 ADCADC• 开发工具包括开发工具包括 :ANSI C/C++ :ANSI C/C++ 编译器编译器 // 汇编程序汇编程序 // 连接器连接器 ,,代码代码

集成编译环境集成编译环境 IDE,DSP/BIOS,JTAGIDE,DSP/BIOS,JTAG 扫描控制器扫描控制器 .. 程序开发员程序开发员可以用例如可以用例如 CC 语言和语言和 C++C++ 高级语言开发程序高级语言开发程序 ,, 它将大大减少它将大大减少软件设计周期和确保最高的汇编效率软件设计周期和确保最高的汇编效率 ..

• 事件管理核心和事件管理核心和 C240XC240X系列是兼容一致的系列是兼容一致的 .. 所以所以 C24XC24X系列系列和和 240X240X系列的用户可以方便的使用系列的用户可以方便的使用 TMS3202812.TMS3202812.

• 以以 PMSMPMSM 矢量控制速度可调整系统为例矢量控制速度可调整系统为例 ,, 系统硬件分为两部系统硬件分为两部分分 :: 控制面板和驱动面板控制面板和驱动面板 .. 控制面板由控制面板由 TMS320F2812TMS320F2812 芯片芯片 ,,存储存储器器 ,, 变压芯片和外围连口组成变压芯片和外围连口组成 ..驱动面板由驱动面板由 IPMIPM 和相关部分组成和相关部分组成 ..用语速度传感器的编码器通过芯片上的用语速度传感器的编码器通过芯片上的 QEPQEP 电路获得实际速度电路获得实际速度 ,,HallHall传感器用于检测主回路的电流传感器用于检测主回路的电流 , , 取样滤波后通过芯片上取样滤波后通过芯片上 ADCADC发送的信号发送的信号 .. 用于经过用于经过 A/DA/D 转换后电流反馈信号转换后电流反馈信号 ..

B.B. 软件设计软件设计 TMS320F2812TMS320F2812提供了提供了 C/C++C/C++ 语言语言 ,, 所以我们可以用所以我们可以用 CC 语言编语言编程程 ..

• 1,1, 偏移的确定偏移的确定• 模糊搜索平台的整个搜索通过编程语言，关键是如何确定模糊搜索平台中输模糊搜索平台的整个搜索通过编程语言，关键是如何确定模糊搜索平台中输

出的位置。模糊搜索平台作为二维出的位置。模糊搜索平台作为二维 m*nm*n，， m=13m=13 。。 N=13N=13 。。 TMS320F2812TMS320F2812芯片上数据存储器根据一维空间顺序表达，所以我们需要通过模糊搜索平台芯片上数据存储器根据一维空间顺序表达，所以我们需要通过模糊搜索平台转换二维矩阵结构为一维数组，并且按照顺序在存储器中排列。因此，我们转换二维矩阵结构为一维数组，并且按照顺序在存储器中排列。因此，我们用“偏移起始位置”方法在存储器中确定输出的位置。偏移通过如下公式来用“偏移起始位置”方法在存储器中确定输出的位置。偏移通过如下公式来确定：确定：

• EE 位于积分区域中的误差，△位于积分区域中的误差，△ EE 是位于积分区域中的误差变化率。是位于积分区域中的误差变化率。例如：例如：

• 存储器中输出地址为：起始地址存储器中输出地址为：起始地址 +37 +37

22．．用用 CC 语言实现模糊语言实现模糊 PIDPID 控制器控制器• 通过通过 CC 语言实现模糊搜索平台的搜索。我们语言实现模糊搜索平台的搜索。我们

定义三个数组分别代替△定义三个数组分别代替△ KpKp 搜索平台，△搜索平台，△ KiKi 搜搜索平台和△索平台和△ KdKd 搜索平台，例如：搜索平台，例如： a[169]a[169] ，， b[16b[169]c[169]9]c[169]。最后通过“输出地址。最后通过“输出地址 ==数组的起始地数组的起始地址址 ++ 偏移”获得输出。在使用程序语言的过程中偏移”获得输出。在使用程序语言的过程中实现模糊自调整实现模糊自调整 PIDPID 控制器，我们必须注意以下控制器，我们必须注意以下几个问题：几个问题：

• 模糊规则的限幅，输入语言变量将被限制在模糊规则的限幅，输入语言变量将被限制在 --66 到到 66之间。之间。

• PIDPID 控制器输出的限幅控制器输出的限幅• 速度调整之后速度调整之后 , , 为了给下一个为了给下一个 PIDPID 调整做为准调整做为准备，流速误差备，流速误差 , , 早期的误差和更早期速度误差变早期的误差和更早期速度误差变量它们的值必须互相交换。量它们的值必须互相交换。

• CCS2.2CCS2.2 是用于是用于 TMS32-F2812TMS32-F2812 程序开发环境的。调试程序之前，我们需程序开发环境的。调试程序之前，我们需要为项目添加一个头文件，要为项目添加一个头文件， CC 语言源文件和命令文件。在该程序中，模糊搜语言源文件和命令文件。在该程序中，模糊搜索平台用地址区域为索平台用地址区域为 0x3f9000h-0x3fA000h0x3f9000h-0x3fA000h 的的 DRAMHODRAMHO 块来定位。由于三块来定位。由于三个数组被作为局部变量定义，三个数组的起始地址是改变的。作为长度限制个数组被作为局部变量定义，三个数组的起始地址是改变的。作为长度限制的结果，我仅仅列出了程序流程图和核心源程序如下的结果，我仅仅列出了程序流程图和核心源程序如下 ((略略 ))

仿真仿真 • 为了验证该算法的可行性我们需要用为了验证该算法的可行性我们需要用 Matlab/Matlab/

SimulinkSimulink环境来仿真交流速度可调整系统。交流环境来仿真交流速度可调整系统。交流速度可调整系统的控制对象是速度可调整系统的控制对象是 PMSMPMSM，它的参数，它的参数如下：如下：

•

• 矢量控制速度可调整算法应用在该系统中。传矢量控制速度可调整算法应用在该系统中。传统的统的 PIDPID 控制器和模糊自调整控制器和模糊自调整 PIDPID 控制器分别用控制器分别用在速度回路中。控制效果如下： 在速度回路中。控制效果如下：

结论结论 • 文详细描述了基于文详细描述了基于 TMS320F2812 DSPsTMS320F2812 DSPs 结构结构

特征如何用特征如何用 C++C++ 语言编写模糊自调整语言编写模糊自调整 PIDPID 控制控制器程序，并且描述了模糊自调整器程序，并且描述了模糊自调整 PIDPID 控制器的运控制器的运算法则。作为一种新的电机控制的特殊用途的算法则。作为一种新的电机控制的特殊用途的 DDSPs TMS320F2812SPs TMS320F2812 ，拥有自己高兴性能和完整，拥有自己高兴性能和完整的结构，将是未来运动控制领域的主流产品，所的结构，将是未来运动控制领域的主流产品，所以它对于用基于以它对于用基于 TMS320F2812TMS320F2812 用编程语言实现用编程语言实现模糊自调整模糊自调整 PIDPID 控制有着重要的意义。最后，实控制有着重要的意义。最后，实验结果表明：模糊自调整验结果表明：模糊自调整 PIDPID 控制器能够明显的控制器能够明显的改善系统的动态特性和静态特性。改善系统的动态特性和静态特性。