基于MATLAB的DSP快速控制原型開發(fā)系統(tǒng)

1、微納科技cSPACE快速控制原型開發(fā)系統(tǒng)（基于MATLAB的DSP快速控制原型開發(fā)系統(tǒng)）一.產(chǎn)品簡介1二.系統(tǒng)組成2三.硬件資源3四.應(yīng)用案例54.1.直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二級(jí)倒立擺的控制54.2.磁懸浮球系統(tǒng)的控制74.3.三容水箱過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制84.4.采用磁流變液阻尼器的1/4車輛振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制9一. 產(chǎn)品簡介快速控制原型（Rapid Controller Prototyping，RCP）和硬件在回路實(shí)時(shí)仿真(Hardware-in-Loop，HIL)是目前國際上控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的常用方法，它把計(jì)算機(jī)仿真（純軟件）和實(shí)時(shí)控制（硬件在回路）有機(jī)結(jié)合起來，用戶可把仿真結(jié)果直接用于實(shí)時(shí)控制，

2、極大提高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。目前，這一系統(tǒng)或設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在高校和實(shí)驗(yàn)室得到普遍采用，最典型的例子為德國的dSPACE快速控制系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。dSPACE卡是一個(gè)基于MATLAB/Simulink開發(fā)環(huán)境的自動(dòng)代碼生成工具，擁有快速控制原型開發(fā)和硬件在環(huán)仿真功能。應(yīng)用這種方法，可使電控單元系統(tǒng)及機(jī)械控制系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試簡捷和高效。因此，dSPACE已經(jīng)成為運(yùn)動(dòng)控制和過程控制開發(fā)的好工具，受到了全球用戶的歡迎。本公司研制的cSPACE快速控制原型和硬件在回路開發(fā)系統(tǒng)（以下簡稱cSPACE系統(tǒng)）基于TMS320F2812DSP開發(fā)，與dSPACE 公司的 DS1104卡相當(dāng)，擁有AD、DA、IO、

3、Encoder和快速控制原型開發(fā)、硬件在環(huán)仿真功能，通過Matlab/Simulink設(shè)計(jì)好控制算法，將輸入、輸出接口替換為公司的cSPACE模塊，編譯整個(gè)模塊就能自動(dòng)生成DSP代碼，在控制卡上運(yùn)行后就能生成相應(yīng)的控制信號(hào)，從而方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。運(yùn)行過程中通過cSPACE提供的MATLAB接口模塊，可實(shí)時(shí)修改控制參數(shù)，并以圖形方式實(shí)時(shí)顯示控制結(jié)果；而且DSP采集的數(shù)據(jù)可以保存到磁盤，研究人員可利用MATLAB對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，下圖為利用cSPACE工具的開發(fā)流程圖。圖1 cSPACE開發(fā)流程圖二. 系統(tǒng)組成微納科技cSPACE快速控制原型和硬件在回路開發(fā)系統(tǒng)根據(jù)國際上控制系統(tǒng)設(shè)

4、計(jì)常用的快速控制原型和硬件在回路原理進(jìn)行開發(fā)，硬件功能與德國dSPACE 公司的 DS1104卡相當(dāng)，擁有dSPACE- DS1104所具備的大部分接口功能和快速控制原型開發(fā)、硬件在回路仿真技術(shù)，具體包括以下三大部分：一、 cSPACE系統(tǒng)的控制卡采用高性能的TMS320F2812DSP開發(fā)，并且外擴(kuò)高性能的AD、DA和正交編碼信號(hào)處理模塊，具有豐富的硬件接口，可以同時(shí)控制多臺(tái)電機(jī)。圖2 cSPACE的DSP控制卡二、 cSPACE系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境是基于廣大科研人員所熟悉的MATLAB/Simulink進(jìn)行開發(fā)，方便用戶使用，同時(shí)能充分利用MATLAB強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算、信號(hào)分析處理、圖形處理功能。

5、圖3 cSPACE的MATLAB開發(fā)環(huán)境三、 cSPACE系統(tǒng)的控制界面采用MATLAB/Simulink進(jìn)行開發(fā)，能在線修改10個(gè)變量和實(shí)時(shí)顯示4個(gè)變量，自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡單，方便用戶使用。圖4 cSPACE的監(jiān)控界面三. 硬件資源cSPACE的硬件資源如下所示：l 主處理器為TMS320F2812 DSP，處理能力為150MIPSl 16通道的12bit AD，轉(zhuǎn)換時(shí)間為250ns，輸入范圍為（0，3V）l 6通道的16bit AD，轉(zhuǎn)換時(shí)間為3.1us，輸入范圍為（-10，10V）或（-5，5V）l 4通道16bit的DA，建立時(shí)間為10us，輸出范圍為（-10，+10V）l 3通道獨(dú)

6、立的PWM信號(hào)，分辨率為16位，1通道有兩路輸出，共6路輸出，這6路輸出也可以作為輸出的IO引腳使用l 2路輸入IO引腳l 4通道QEP單元正交編碼信號(hào)處理模塊l 1路RS232串口l 1路增強(qiáng)型CAN接口l 128k×16bit 的片內(nèi)flash 和18k×16bit 的SARAMl 三個(gè)32 bit 的系統(tǒng)定時(shí)器，4個(gè)16 bit通用定時(shí)器用戶額外可擴(kuò)充的功能：l 5通道PWM信號(hào)，分辨率為16位l 1路RS232串口l 多達(dá)20個(gè)可單獨(dú)編程的復(fù)用口，亦可用作通用I/O 口l 三個(gè)外部中斷口，并有外圍中斷擴(kuò)展模塊，可支持多達(dá)45 個(gè)外圍中斷我公司cSPACE控制系統(tǒng)與國

7、外同類系統(tǒng)主要性能對(duì)比 表1 cSPACE與國外同類產(chǎn)品對(duì)比表格硬件模塊cSPACEdSPACE主處理器采用TMS320F2812DSP開發(fā)，時(shí)鐘頻率為150M，指令周期為6.67ns采用TMS320F2407DSP開發(fā)，時(shí)鐘周期為40MAD6路高性能的16bitAD模塊8路高性能的16bitAD模塊DA4路高性能的16bitDA模塊8路高性能的16bitDA模塊正交編碼信號(hào)處理模塊4路2路RS232接口1路2路PWM信號(hào)輸出模塊8路8路IO接口8路IO接口16路軟件功能cSPACEdSPACE變量在線修改模塊10個(gè)多達(dá)數(shù)十個(gè)變量實(shí)時(shí)顯示模塊4個(gè)多達(dá)數(shù)十個(gè)使用變量在線修改模塊和實(shí)時(shí)顯示模塊的個(gè)

8、數(shù)限制  可以在10個(gè)變量在線修改模塊和4個(gè)變量實(shí)時(shí)顯示模塊之間由用戶任意組合由用戶任意組合數(shù)據(jù)保存自動(dòng)保存自動(dòng)保存變量顯示方式圖形化顯示圖形化顯示cSPACE系統(tǒng)硬件成本底，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，可以把生成的目標(biāo)代碼燒寫進(jìn)控制卡，從而構(gòu)成脫離計(jì)算機(jī)而獨(dú)立運(yùn)行的嵌入式控制系統(tǒng)，控制被控對(duì)象，整個(gè)過程用戶不需進(jìn)行硬件和C語言或匯編語言的開發(fā)，極大減小用戶構(gòu)建控制系統(tǒng)時(shí)間和降低成本。四. MATLAB/Simulink工具箱以下WM-cSPACE是cSPACE在MATLAB中的工具箱：安裝好軟件后，打開MATLAB/Simulink，如圖2.5可以看到WM-cSPACE工具箱。在WM-cSP

9、ACE Toolbox目錄下有Commonly_Used_Blocks，Hardware_Interface，Parameters_Tuning，System_Blocks和Variables_Display子目錄，如圖3.1，下面將分別介紹這些子目錄模塊。圖4.1 WM-cSPACE工具箱4.1 Commonly Used Blocks子工具箱Commonly Used Blocks子工具箱中的模塊是從MATLAB/Simulink工具箱中選出來的常用的模塊，包括代數(shù)、關(guān)系和邏輯運(yùn)算模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、離散微分積分等模塊，方便用戶使用，模塊的功能由模塊旁邊的英文說明所示（如圖3.2）。圖4.

10、2 Commonly Used Blocks子工具箱下面以"Signal Generator"和"Random Number"信號(hào)發(fā)生器模塊為例說明模塊的使用：雙擊"Signal Generator"模塊打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，如下圖所示，在"Wave form"下拉列表中選擇需要的波形，包括a sine wave（正弦波）， square wave（方波）， sawtooth wave（鋸齒波）， or random wave（隨機(jī)信號(hào)，在離散模塊中應(yīng)該使用"Random Number"模塊）；&

11、quot;Time (t)" 中選擇"Use external signal"，這樣才能在離散的Simulink文件中使用。其中正弦波的產(chǎn)生也可以用"Sine Wave"模塊產(chǎn)生。圖4.3 Signal Generator參數(shù)設(shè)置對(duì)話框根據(jù)"Signal Generator"模塊的"Use external signal"要求，搭建如下所示Simulink文件（文件的搭建方法請(qǐng)參照第五章），"Counter Free-Running"是計(jì)數(shù)器模塊，經(jīng)過一個(gè)采樣周期的時(shí)間計(jì)數(shù)值增加1，輸

12、出是計(jì)數(shù)值，"Sample Time" 是采樣時(shí)間的值，本文件的采樣時(shí)間為0.005s，故"Sample Time"增益模塊的增益為0.005，模塊的輸出就是實(shí)際的時(shí)間，并且作為"Signal Generator"模塊的"Use external signal"。圖4.4 信號(hào)發(fā)生器Simulink文件啟動(dòng)仿真，在Scope模塊中顯示的信號(hào)的如下：圖4.5 "Signal Generator"模塊產(chǎn)生的正弦信號(hào)設(shè)置"Signal Generator"模塊的波形輸出為鋸齒波，S

13、cope模塊中顯示的信號(hào)的如下：圖4.6 "Signal Generator"模塊產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)隨機(jī)信號(hào)的發(fā)生采用"Random Number"模塊，以下為設(shè)置的參數(shù)：圖4.7 "Random Number"模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框搭建如下所示Simulink文件，觀測(cè)隨機(jī)信號(hào)：圖4.8 隨即信號(hào)發(fā)生Simulink文件下圖分別為在仿真時(shí)Scope觀測(cè)的隨即信號(hào)和模塊生成代碼后由DSP發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控界面接收到的隨機(jī)信號(hào)。 圖4.9 仿真和實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)觀測(cè)到的隨機(jī)信號(hào)對(duì)于Commonly Used Blocks中的模塊，有些模塊需要設(shè)置采樣

14、時(shí)間，如"Random Number"和"Counter Free-Running"模塊，這時(shí)需要設(shè)定相應(yīng)的采樣時(shí)間，并且所有模塊的采樣時(shí)間要一致；有些模塊不需要設(shè)置采樣時(shí)間，如"Gain"增益模塊，采樣時(shí)間設(shè)置的值為"-1"即可，表示繼承其它模塊的采樣時(shí)間。推薦設(shè)置的采樣時(shí)間為0.005s。模塊更詳細(xì)的使用請(qǐng)參照MATLAB的幫助文檔。4.2 Hardware Interface子工具箱打開WM-cSPACE /Hardware Interface子工具箱，可以看到以下cSPACE控制卡的Simulink硬件接口

15、模塊，每個(gè)模塊均對(duì)應(yīng)控制卡上的硬件接口，這些模塊包括MATLAB自帶的TI TMS320F2812DSP模塊和微納科技開發(fā)的cSPACE模塊，模塊在simulink中的位置如下圖所示。圖4.10 WM-cSPACE /Hardware Interface子工具箱白色背景的模塊是 MATLAB自帶的TI TMS320F2812DSP模塊，其中PWM有已經(jīng)擴(kuò)出的6通道，實(shí)際上是獨(dú)立的三通道，如下圖所示：圖4.11 MATLAB自帶的TMS320F2812DSP硬件接口模塊“ADC”模塊對(duì)應(yīng)控制卡的接口如下：ADCINA7ADCINA0公共地圖4.12 AD硬件接口把“ADC”模塊拖到simulin

16、k算法文件中，具體的設(shè)置方法為：選擇double輸出設(shè)置采樣時(shí)間選擇A圖4.13 AD模塊參數(shù)設(shè)置選擇，使能多路輸出根據(jù)實(shí)際需要選擇通道數(shù)圖4.14 AD模塊參數(shù)設(shè)置這時(shí)AD模塊沒有加濾波器，采集的信號(hào)干擾比較大，"ADC_Filter"模塊是自帶平均值濾波模塊的AD采樣模塊，即每個(gè)采樣周期內(nèi)，AD先進(jìn)行40次AD采樣，把40個(gè)采樣值的平均值作為本次采樣的值，如此AD采樣的精度極大地提高。但這個(gè)模塊8路AD同時(shí)使能，用戶需要用哪路把相應(yīng)的接口引出即可。圖4.15 帶平均值濾波功能的AD模塊QEP模塊是TMS320F2812DSP自帶的正交編碼信號(hào)處理模塊，參數(shù)設(shè)置如下圖所示

17、，其中"Module"中選擇"A"或"B"，對(duì)應(yīng)控制卡的接口分別為"Encoder2"和"Encoder4"，初始值一般設(shè)置為32768，因?yàn)樵撚?jì)數(shù)器的長度為16位，總的計(jì)數(shù)值為216=65532，計(jì)數(shù)器的初始值設(shè)置為32768，可以增加和減少，防止溢出，當(dāng)計(jì)數(shù)值過大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溢出，需要用以下介紹的由微納科技公司開發(fā)的模塊。圖4.15 QEP模塊參數(shù)設(shè)置以下是微納科技開發(fā)的cSPACE模塊，包括3路DA模塊、四路編碼器模塊、IO控制模塊（可以用于啟動(dòng)電機(jī)）模塊。圖4.16 DSP控制卡硬件接口模

18、塊微納科技開發(fā)的cSPACE模塊介紹如下：模塊功能16bit的DA模塊，控制卡上“DA1”接口，輸入的范圍為（-10，+10），輸出與輸入對(duì)應(yīng)12bit的DA模塊，控制卡上“DA2A”和“EA”接口“DA2A”和“DA2B”的輸入為（-10，+10），對(duì)應(yīng)輸出為（0，4.096）“EA”和“EB”輸入的范圍為（-10，+10），輸出與輸入對(duì)應(yīng)；三路DA模塊自帶有限幅功能。12bit的DA模塊，控制卡上“DA2B”和“EB”接口當(dāng)要同時(shí)使用“WM-DAC2”和“WM-DAC3”時(shí)，使用這個(gè)模塊，用法一樣，不能同時(shí)把以上兩個(gè)模塊放到同一個(gè)mdl文件里，否則會(huì)編譯出錯(cuò)第一路正交編碼信號(hào)模塊，控制卡上

19、“Encoder1”接口輸出為編碼信號(hào)經(jīng)過解碼后的脈沖個(gè)數(shù)，是A相或B相信號(hào)四倍頻以后的值第三路正交編碼信號(hào)模塊，控制卡上“Encoder3”接口當(dāng)要同時(shí)使用“Encoder1”和“Encoder1”時(shí)，使用這個(gè)模塊，用法一樣，不能同時(shí)把以上兩個(gè)模塊放到同一個(gè)mdl文件里，否則會(huì)編譯出錯(cuò)第二路正交編碼信號(hào)模塊，控制卡上“Encoder2”接口輸出為編碼信號(hào)經(jīng)過解碼后的脈沖個(gè)數(shù)，是A相或B相信號(hào)四倍頻以后的值，計(jì)數(shù)器長度為32bit，工作頻率為6M第四路正交編碼信號(hào)模塊，控制卡上“Encoder4”接口注：以上模塊為cSPACE外擴(kuò)的硬件電路的模塊，TMS320F2812DSP自帶的資源MATL

20、AB自身均有相應(yīng)的模塊，具體使用方法請(qǐng)參照MATLAB說明文檔4.3 Parameters Tuning子工具箱Parameters Tuning子工具箱包括以下10個(gè)變量在線修改模塊，使用這些模塊可以在程序運(yùn)行時(shí)通過cSPACE界面實(shí)時(shí)修改變量的值，請(qǐng)參照節(jié)了解變量在線修改模塊的使用。圖4.17 變量在線修改模塊4.4 Variables Display子工具箱下圖中"WM-Read1"，"WM-Read2"，"WM-Read3"，"WM-Read4"是四個(gè)變量顯示模塊，使用這些模塊可以在程序運(yùn)行時(shí)采用cSPAC

21、E界面實(shí)時(shí)觀測(cè)變量的值，并且可以選擇保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)，請(qǐng)參照節(jié)了解變量觀測(cè)模塊的使用。圖4.18 變量實(shí)時(shí)顯示模塊4.5 System Blocks子工具箱系統(tǒng)模塊用于標(biāo)志采用的DSP板卡是TMS320F2812DSP芯片，并且能控制Simulink文件的編譯和運(yùn)行，如下圖所示。圖4.18 系統(tǒng)模塊模塊的功能說明如下：WM Model BuilderSimulink控制算法文件編譯生成可執(zhí)行代碼按鈕WM Model Run生成的代碼下載到DSP卡并自動(dòng)運(yùn)行、啟動(dòng)監(jiān)控界面按鈕F2812 eZdspTMS320F2812DSP控制卡模塊，每一個(gè)simulink控制算法文件均需要添加這個(gè)模塊五. 應(yīng)用

22、案例5.1. 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二級(jí)倒立擺的控制倒立擺是一個(gè)典型的快速、多變量、非線性、強(qiáng)耦合、自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，必須采取有效的控制算法才能使之穩(wěn)定。倒立擺在控制過程中，能有效反映諸如鎮(zhèn)定性、魯棒性、隨動(dòng)性以及跟蹤等許多關(guān)鍵問題。因此人們常常利用倒立擺檢驗(yàn)各種控制算法對(duì)不穩(wěn)定性、非線性和快速系統(tǒng)的控制能力，以及各種控制算法的有效性。倒立擺的控制研究具有理論意義，多級(jí)擺控制是控制領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。其中二級(jí)倒立擺的實(shí)物圖如下圖所示：上擺桿編碼器二下擺桿編碼器一光柵圖5 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二級(jí)倒立擺二級(jí)擺包括直線電機(jī)、上擺桿和下擺桿以及測(cè)試擺桿角度的編碼器、測(cè)試電機(jī)直線位移的光柵。cSPACE快速控制原型系統(tǒng)接

23、收來自光電編碼器的擺桿角度信號(hào)和光柵輸出的直線電機(jī)的工作臺(tái)位移信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理得到六個(gè)狀態(tài)變量，然后根據(jù)最優(yōu)控制算法計(jì)算得到精確的控制量，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換后輸出模擬控制信號(hào)，再經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)輸出相應(yīng)的力來控制擺桿倒立平衡。下圖為硬件組成的原理框圖。圖6 二級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)硬件框圖對(duì)于二級(jí)倒立擺的控制，采用最優(yōu)控制算法控制二級(jí)倒立擺，下圖為最優(yōu)控制算法的cSPACE框圖圖7 二級(jí)倒立擺最優(yōu)控制算法圖中encoder1、encoder4、encoder3分別是DSP控制卡采集電機(jī)位置、下擺桿角度和下擺桿角度的正交編碼信號(hào)處理的模塊，WM-DAC1是cSPACE系統(tǒng)的DA轉(zhuǎn)換模塊。

24、編譯模塊后生成針對(duì)控制卡的目標(biāo)代碼，運(yùn)行程序后控制卡就能采集傳感器的信號(hào)，處理這些信號(hào)經(jīng)過得到控制量，控制量經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換后得到模擬控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器對(duì)模擬控制信號(hào)進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)使二級(jí)擺能保持穩(wěn)定。5.2. 磁懸浮球系統(tǒng)的控制圖8 磁懸浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象鋼球、電磁鐵、LED平行光源、硅光電池傳感器、cSPACE控制卡以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，它的原理是采用LED平行光源和光電傳感器測(cè)量被控對(duì)象鋼球與電磁鐵之間的距離變化，控制系統(tǒng)采集變化的信號(hào)并進(jìn)行PID、超前校正等控制器的運(yùn)算，得到控制信號(hào)，通過放大器控制電磁鐵繞組中的電流，使之產(chǎn)生與鋼球的重力相平衡的電磁力，這樣鋼球就可以懸浮在空中而處于平衡狀態(tài)。微納科技的磁懸浮球?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)采用cSPACE快速控制原型系統(tǒng)開發(fā)，具有MATLAB/Simulink圖形化開發(fā)、自動(dòng)生成可行性代碼、參數(shù)在線調(diào)節(jié)、變量在線觀測(cè)和自動(dòng)存儲(chǔ)的功能，使磁懸浮球電控單元的開發(fā)和控制算法的實(shí)現(xiàn)變得更加簡捷和高效。系統(tǒng)控制效果直觀，富有趣味性，能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、機(jī)電一體化等課程很好的實(shí)驗(yàn)裝置，也是控制理論研究的很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以下為磁懸浮球系統(tǒng)的PID控制算法框圖：圖9 磁懸浮球?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)PID控制算法5.3. 三容水箱過程控制實(shí)