基于DSP的直线电机模糊PID控制系统研究与实现

论文摘要

直线电机因为其特有的性能,现在广泛的应用于各种精密定位场合中。随着定位精度和速度响应的要求越来越高,一方面对直线电机的加工要求越来越严格；另一方面在直线电机加工好后,基本性能已确定,要使直线电机表现出优良的性能,这对控制系统的要求也越来越高。常规PID控制作为最早的控制策略,现在仍然广泛应用于实际的工业控制中。模糊算法是一种最近几十年逐渐发展起来的智能控制策略,随着支持模糊算法的硬件芯片的产生,模糊算法也越来越多的应用于各个领域。然而两种算法仍有不足之处。常规PID控制一般适应于控制对象模型已经建立,并且是线性的情况下,实际上在许多场合,控制对象不是线性的,并且数学模型也不能建立,而且所处的工作环境干扰较多,如果只使用常规PID控制,达不到控制效果。模糊算法是一种非线性控制,能适用于非线性系统中,并且有较好的动态性能和一定的抗干扰能力。但是模糊算法没有固定的分析和建立模型的方法,只能通过专家经验和实际控制过程得到模糊规则,这样导致控制精度不是很高,存在静态误差,不能适用于直线电机的高速高精度控制中。针对上述问题结合本设计的永磁同步直线电机的高速响应要求,本文在研究了PID控制和模糊控制的基础上提出将两种算法相结合构建一个模糊PID控制器用于永磁同步直线电机的速度闭环,同时提出改进型的模糊算法。本文完成了整个直线电机的控制系统的设计,包括硬件平台和软件算法。硬件包括以DSP芯片为核心的控制板和以功率模块IRAMS10UP60B为核心的驱动板。软件算法包括三个闭环：位移闭环,速度闭环和电流闭环。其中位移闭环和电流闭环采用常规PID控制算法,速度闭环采用设计的模糊PID控制算法。在Matlab软件平台上建立直线电机控制系统的仿真模型,通过仿真实验对比分析速度闭环采用两种算法的速度响应曲线,仿真结果表明模糊PID控制比PID控制更适用于本系统。最后在搭建好的硬件平台上对直线电机控制系统进行实验,通过实验发现速度闭环采用模糊PID控制具有超调小,抗干扰能力强,好的动态性能,能够满足电机的定位精度高,速度响应快的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文内容安排
• 第2章 系统方案及硬件设计
• 2.1 系统需求分析
• 2.2 直线电机控制系统整体设计
• 2.3 控制系统硬件设计
• 2.3.1 TMS320F2812芯片概述
• 2.3.2 基于DSP芯片的控制电路整体设计
• 2.3.3 电流检测电路设计
• 2.3.4 位置信号检测电路设计
• 2.3.5 电源电路设计
• 2.3.6 驱动电路设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 模糊PID算法研究
• 3.1 模糊控制理论
• 3.2 模糊PID控制器的结构设计
• 3.3 模糊PID控制器中PID参数的整定算法
• 3.4 模糊PID控制器中模糊算法的设计
• 3.4.1 模糊化和隶属函数的建立
• 3.4.2 模糊规则的建立和推理算法的设计
• 3.4.3 解模糊算法的设计
• 3.5 直线电机的数学模型
• 3.6 直线电机控制系统仿真模型
• 3.6.1 直线电机Simulink模型
• 3.6.2 直线电机控制系统仿真模型
• 3.7 仿真分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 控制系统软件设计
• 4.1 软件整体结构
• 4.2 初始化子程序
• 4.3 中断服务子程序
• 4.4 直线电机位置信号检测和PID调节
• 4.5 速度的计算和模糊PID调节
• 4.6 电流信号计算和PID调节
• 4.7 PWM波的产生
• 4.8 本章小结
• 第5章 控制系统实验结果分析
• 5.1 直线电机完整控制系统
• 5.2 实验分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 前景与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文