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.應用案例54.1.直線電機驅動的二級倒立擺的控制54.2.磁懸浮球系統(tǒng)的控制74.3.三容水箱過程控制實驗系統(tǒng)的控制84.4.采用磁流變液阻尼器的1/4車輛振動實驗系統(tǒng)的控制9一. 產(chǎn)品簡介快速控制原型（Rapid Controller Prototyping，RCP）和硬件在回路實時仿真(Hardware-in-Loop，HIL)是目前國際上控制系統(tǒng)設計的常用方法，它把計算機仿真（純軟件）和實時控制（硬件在回路）有機結合起來，用戶可把仿真結果直接用于實時控制，

2、極大提高控制系統(tǒng)的設計效率。目前，這一系統(tǒng)或設計方法已經(jīng)在高校和實驗室得到普遍采用，最典型的例子為德國的dSPACE快速控制系統(tǒng)原型設計系統(tǒng)。dSPACE卡是一個基于MATLAB/Simulink開發(fā)環(huán)境的自動代碼生成工具，擁有快速控制原型開發(fā)和硬件在環(huán)仿真功能。應用這種方法，可使電控單元系統(tǒng)及機械控制系統(tǒng)的開發(fā)和測試簡捷和高效。因此，dSPACE已經(jīng)成為運動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，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設計好控制算法，將輸入、輸出接口替換為公司的cSPACE模塊，編譯整個模塊就能自動生成DSP代碼，在控制卡上運行后就能生成相應的控制信號，從而方便地實現(xiàn)對被控對象的控制。運行過程中通過cSPACE提供的MATLAB接口模塊，可實時修改控制參數(shù)，并以圖形方式實時顯示控制結果；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對這些數(shù)據(jù)進行離線處理，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

4、計常用的快速控制原型和硬件在回路原理進行開發(fā)，硬件功能與德國dSPACE 公司的 DS1104卡相當，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，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)，并且外擴高性能的AD、DA和正交編碼信號處理模塊，具有豐富的硬件接口，可以同時控制多臺電機。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進行開發(fā)，方便用戶使用，同時能充分利用MATLAB強大的科學計算、信號分析處理、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進行開發(fā)，能在線修改10個變量和實時顯示4個變量，自動存儲數(shù)據(jù)，結構簡單，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，轉換時間為250ns，輸入范圍為（0，3V）l 6通道的16bit AD，轉換時間為3.1us，輸入范圍為（-10，10V）或（-5，5V）l 4通道16bit的DA，建立時間為10us，輸出范圍為（-10，+10V）l 3通道獨

6、立的PWM信號，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單元正交編碼信號處理模塊l 1路RS232串口l 1路增強型CAN接口l 128k×16bit 的片內(nèi)flash 和18k×16bit 的SARAMl 三個32 bit 的系統(tǒng)定時器，4個16 bit通用定時器用戶額外可擴充的功能：l 5通道PWM信號，分辨率為16位l 1路RS232串口l 多達20個可單獨編程的復用口，亦可用作通用I/O 口l 三個外部中斷口，并有外圍中斷擴展模塊，可支持多達45 個外圍中斷我公司cSPACE控制系統(tǒng)與國

7、外同類系統(tǒng)主要性能對比 表1 cSPACE與國外同類產(chǎn)品對比表格硬件模塊cSPACEdSPACE主處理器采用TMS320F2812DSP開發(fā)，時鐘頻率為150M，指令周期為6.67ns采用TMS320F2407DSP開發(fā)，時鐘周期為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模塊正交編碼信號處理模塊4路2路RS232接口1路2路PWM信號輸出模塊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個多達數(shù)十個變量實時顯示模塊4個多達數(shù)十個使用變量在線修改模塊和實時顯示模塊的個

8、數(shù)限制  可以在10個變量在線修改模塊和4個變量實時顯示模塊之間由用戶任意組合由用戶任意組合數(shù)據(jù)保存自動保存自動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)設計好后，可以把生成的目標代碼燒寫進控制卡，從而構成脫離計算機而獨立運行的嵌入式控制系統(tǒng)，控制被控對象，整個過程用戶不需進行硬件和C語言或匯編語言的開發(fā)，極大減小用戶構建控制系統(tǒng)時間和降低成本。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)、關系和邏輯運算模塊、信號發(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)設置對話框，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（隨機信號，在離散模塊中應該使用"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)設置對話框根據(jù)"Signal Generator"模塊的"Use external signal"要求，搭建如下所示Simulink文件（文件的搭建方法請參照第五章），"Counter Free-Running"是計數(shù)器模塊，經(jīng)過一個采樣周期的時間計數(shù)值增加1，輸

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

13、cope模塊中顯示的信號的如下：圖4.6 "Signal Generator"模塊產(chǎn)生的鋸齒波信號隨機信號的發(fā)生采用"Random Number"模塊，以下為設置的參數(shù)：圖4.7 "Random Number"模塊參數(shù)設置對話框搭建如下所示Simulink文件，觀測隨機信號：圖4.8 隨即信號發(fā)生Simulink文件下圖分別為在仿真時Scope觀測的隨即信號和模塊生成代碼后由DSP發(fā)送到上位機監(jiān)控界面接收到的隨機信號。 圖4.9 仿真和實時運行時觀測到的隨機信號對于Commonly Used Blocks中的模塊，有些模塊需要設置采樣

14、時間，如"Random Number"和"Counter Free-Running"模塊，這時需要設定相應的采樣時間，并且所有模塊的采樣時間要一致；有些模塊不需要設置采樣時間，如"Gain"增益模塊，采樣時間設置的值為"-1"即可，表示繼承其它模塊的采樣時間。推薦設置的采樣時間為0.005s。模塊更詳細的使用請參照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，每個模塊均對應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)擴出的6通道，實際上是獨立的三通道，如下圖所示：圖4.11 MATLAB自帶的TMS320F2812DSP硬件接口模塊“ADC”模塊對應控制卡的接口如下：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，具體的設置方法為：選擇double輸出設置采樣時間選擇A圖4.13 AD模塊參數(shù)設置選擇，使能多路輸出根據(jù)實際需要選擇通道數(shù)圖4.14 AD模塊參數(shù)設置這時AD模塊沒有加濾波器，采集的信號干擾比較大，"ADC_Filter"模塊是自帶平均值濾波模塊的AD采樣模塊，即每個采樣周期內(nèi)，AD先進行40次AD采樣，把40個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。但這個模塊8路AD同時使能，用戶需要用哪路把相應的接口引出即可。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處理模塊，參數(shù)設置如下圖所示

17、，其中"Module"中選擇"A"或"B"，對應控制卡的接口分別為"Encoder2"和"Encoder4"，初始值一般設置為32768，因為該計數(shù)器的長度為16位，總的計數(shù)值為216=65532，計數(shù)器的初始值設置為32768，可以增加和減少，防止溢出，當計數(shù)值過大時，會產(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（可以用于啟動電機）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），輸出與輸入對應12bit的DA模塊，控制卡上“DA2A”和“EA”接口“DA2A”和“DA2B”的輸入為（-10，+10），對應輸出為（0，4.096）“EA”和“EB”輸入的范圍為（-10，+10），輸出與輸入對應；三路DA模塊自帶有限幅功能。12bit的DA模塊，控制卡上“DA2B”和“EB”接口當要同時使用“WM-DAC2”和“WM-DAC3”時，使用這個模塊，用法一樣，不能同時把以上兩個模塊放到同一個mdl文件里，否則會編譯出錯第一路正交編碼信號模塊，控制卡上

19、“Encoder1”接口輸出為編碼信號經(jīng)過解碼后的脈沖個數(shù)，是A相或B相信號四倍頻以后的值第三路正交編碼信號模塊，控制卡上“Encoder3”接口當要同時使用“Encoder1”和“Encoder1”時，使用這個模塊，用法一樣，不能同時把以上兩個模塊放到同一個mdl文件里，否則會編譯出錯第二路正交編碼信號模塊，控制卡上“Encoder2”接口輸出為編碼信號經(jīng)過解碼后的脈沖個數(shù)，是A相或B相信號四倍頻以后的值，計數(shù)器長度為32bit，工作頻率為6M第四路正交編碼信號模塊，控制卡上“Encoder4”接口注：以上模塊為cSPACE外擴的硬件電路的模塊，TMS320F2812DSP自帶的資源MATL

20、AB自身均有相應的模塊，具體使用方法請參照MATLAB說明文檔4.3 Parameters Tuning子工具箱Parameters Tuning子工具箱包括以下10個變量在線修改模塊，使用這些模塊可以在程序運行時通過cSPACE界面實時修改變量的值，請參照節(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"是四個變量顯示模塊，使用這些模塊可以在程序運行時采用cSPAC

21、E界面實時觀測變量的值，并且可以選擇保存相應的數(shù)據(jù)，請參照節(jié)了解變量觀測模塊的使用。圖4.18 變量實時顯示模塊4.5 System Blocks子工具箱系統(tǒng)模塊用于標志采用的DSP板卡是TMS320F2812DSP芯片，并且能控制Simulink文件的編譯和運行，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卡并自動運行、啟動監(jiān)控界面按鈕F2812 eZdspTMS320F2812DSP控制卡模塊，每一個simulink控制算法文件均需要添加這個模塊五. 應用

22、案例5.1. 直線電機驅動的二級倒立擺的控制倒立擺是一個典型的快速、多變量、非線性、強耦合、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、隨動性以及跟蹤等許多關鍵問題。因此人們常常利用倒立擺檢驗各種控制算法對不穩(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，多級擺控制是控制領域研究的難點。其中二級倒立擺的實物圖如下圖所示：上擺桿編碼器二下擺桿編碼器一光柵圖5 直線電機驅動的二級倒立擺二級擺包括直線電機、上擺桿和下擺桿以及測試擺桿角度的編碼器、測試電機直線位移的光柵。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和光柵輸出的直線電機的工作臺位移信號，并對信號進行處理得到六個狀態(tài)變量，然后根據(jù)最優(yōu)控制算法計算得到精確的控制量，經(jīng)過DA轉換后輸出模擬控制信號，再經(jīng)伺服驅動器放大后驅動直線電機輸出相應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 二級倒立擺控制系統(tǒng)硬件框圖對于二級倒立擺的控制，采用最優(yōu)控制算法控制二級倒立擺，下圖為最優(yōu)控制算法的cSPACE框圖圖7 二級倒立擺最優(yōu)控制算法圖中encoder1、encoder4、encoder3分別是DSP控制卡采集電機位置、下擺桿角度和下擺桿角度的正交編碼信號處理的模塊，WM-DAC1是cSPACE系統(tǒng)的DA轉換模塊。

24、編譯模塊后生成針對控制卡的目標代碼，運行程序后控制卡就能采集傳感器的信號，處理這些信號經(jīng)過得到控制量，控制量經(jīng)過DA轉換后得到模擬控制信號，驅動器對模擬控制信號進行放大后驅動直線電機使二級擺能保持穩(wěn)定。5.2. 磁懸浮球系統(tǒng)的控制圖8 磁懸浮實驗系統(tǒng)磁懸浮實驗裝置由被控對象鋼球、電磁鐵、LED平行光源、硅光電池傳感器、cSPACE控制卡以及驅動系統(tǒng)組成，它的原理是采用LED平行光源和光電傳感器測量被控對象鋼球與電磁鐵之間的距離變化，控制系統(tǒng)采集變化的信號并進行PID、超前校正等控制器的運算，得到控制信號，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實驗系統(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)、自動生成可行性代碼、參數(shù)在線調(diào)節(jié)、變量在線觀測和自動存儲的功能，使磁懸浮球電控單元的開發(fā)和控制算法的實現(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)學生的學習興趣，是自動控制、計算機控制技術、機電一體化等課程很好的實驗裝置，也是控制理論研究的很好的實驗平臺。以下為磁懸浮球系統(tǒng)的PID控制算法框圖：圖9 磁懸浮球實驗系統(tǒng)PID控制算法5.3. 三容水箱過程控制實