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直線無刷直流電動機單神經元PID控制仿真

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:300

 摘要:研究了一種新型永磁直線無刷直流電動機的精確定位系統。以DSP(TMS320I.F2407)作為核心控制器,光柵作為位置傳感器,控制策略采用的改進的單神經元PID控制算法。通過在Ansoft的Simplorer6綜合仿真平臺下進行的系統仿真,驗證了控制策略的有效性,為進一步研究奠定了基礎。

 0  前 言

   永磁直線無刷直流電動機(Linear PermanentMagnet Brushless DC Motor,簡稱LPMBDCM)具有單位出力大、調速性能好、定位精度高及易于控制優點[1]。由于永磁直線直流無刷電動機兼具有無刷機和直線電機的特點,所以換相和邊端效應等因素產生的推力脈動對于其達到精確定位就提出了更高的要求。

   PID控制具有結構簡單、穩定性能好、可靠性高等優點,尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。PID控制中一個關鍵的問題便是PID參數的整定。但是在實際的應用中,許多被控過程機理復雜,具有高度非線性、時變不確定性和純滯后等特點。在噪聲、負載擾動等因素的影響下,過程參數甚至模型結構均會隨時間和工作環境的變化而變化。這就要求在PID控制中,不僅PID參數的整定不依賴于對象數學模型,并且能夠在線調整,以滿足實時控制的要求。

   本系統采用DSP(17MS320LF2407)作為核心控制器,使用先進的光柵線位移傳感器測量電機的位移,在控制算法的選取上,盡可能在提高控制性能的同時降低運算量,以達到實時性的要求。并根據具體的控制要求選用最佳的控制方法?;谝陨峡紤],擬采用具有較好自適應能力而且算法簡單的單神經元PID控制,并在Ansoft的Simplorer6綜合仿真平臺下進行系統仿真,對控制器的性能優化。

l  系統的組成及工作原理

1.1控制系統的組成

   通過安裝在電機動子的3個霍爾傳感器產生換相信號,經過DSP采集處理轉換為PWM波信號,經光電耦合電路與柵極驅動(IR2130),控制相應的IGBT導通,實現電機的換相。

電機的位移量由光柵線位移傳感器測量。所得結果經過DSP處理可得出電機的位移和速度。DSP根據設定的位移和速度,采用相應的算法,達到對電機的精確控制。如圖1。

  圖1  直線直流無刷電機控制系統

TMS320LF2470內部有6個捕獲單元輸入腳(QEPl一QEP6)。其中用QEPl一QEP3作為為霍爾傳感器的輸入引角,將QEP4/QEP5設置為光電編碼脈沖電路,作為光柵尺兩路正交信號的輸入引腳,從4倍頻信號的頻率得到電動機的速度;通過辨向電路判別電路信號的先后順序,得到電動機的運動方向。光柵尺的電信號輸出參數如圖2。

   圖2光柵尺的電信號輸出參數

1.3控制算法

本系統采用單神經元自適應PID控制方法,如圖3所示。圖中SG為轉換圖,SN為單神經元控制器,K是控制增益,β為反系數,控制器的輸入e為給定位移r與實際位移c的偏差。其中ω1ω2ω3分別對應PID中的kikpkd三個系數。

 (2 —1)

根據增量式算法可得: 設系統誤差目標函數為 學習算法按梯度法則,沿系統誤差的負方向調整權值ω使得E快速趨于零。 (2—4)式中,η對應于p的學習系數。運用有監督的hebb學習規則,經過規范化處理,可得以下結果。

式中, 分別為相應的學習速率。其取值可先由現場實驗和仿真來確定。在實際應用中,由于微分項對干擾信號過于敏感,而影響系統的穩態性能,不希望它起作用。忽略微分項,在實用過程中,可以簡化算法,節省存儲器和縮短算法時間,大大提高了單神經元控制器的實用價值。

2系統仿真研究

2.1  系統樣機

 本系統采用的是扁平型動圈式直線直流電動機,樣機由西安交大電機教研室自行設計,參數如表1所示。

2.2  電機模型

 系統模型由電動機模型、機械負載模型、功率橋模型、轉速調節器和位置調節器模型組成。電機模型是各部分中最重要的一環,只有保證電機模型的準確才能保證系統特性仿真的準確。本文利用Ansoft公司的Maxwell2D可以準確建立電機的二維有限元模型(見圖4)。該電動機模型通過有限元分析可以較準確地得出電機的動態性能,反映出電機磁場強度和電感等參數隨位置變化的情況。

 圖4 在Maxwell中的電機模型

2 3系統仿真

系統模型由電動機模型、機械負載模型、功率橋模型、位置調節器模型組成,如圖5所示。在仿真的機械負載部分給出了電機本身的質量(MASS模塊)和外加的摩擦阻力。通過方框圖建立了單神經元自適應PI控制器PWM波(由狀態機和三角波發生器產生)的占空比控制電機的位移量?;魻杺鞲衅饔蒭quation框圖代替。

 圖5 系統仿真模型

    

圖6 位移仿真波形                                 圖7推力仿真波形

 圖8 電流仿真波形

圖6一圖8給出了位移、推力和電流隨時間變化的波形??梢姰斀o定位置為0.2米時,系統在0.25s左右精確地達到指定位置。

3   結  論

本系統通過采用DSP(TMS320LF2407)作為核心控制器,光柵作為位置傳感器,加以改進的單神經元PID控制算法,在Ansoft的Simplorer6綜合仿真平臺下進行系統仿真中達到理想的控制效果??刂凭冗_到實際使用要求。仿真平臺的建立為后續的研究提供了有效的工具。

   

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