基于LM3S8962的神經元控制直流調速系統

　　直流電動機具有良好的起制動性能，能大范圍內平滑調速，因而在可控的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。然而傳統的直流調速系統所采用的是由分立元件構成的復雜PID模擬控制系統。常規PID控制雖然具有結構簡單、穩定性好、易于工程實現等優點，但該方法過分依賴控制對象的模型參數，魯棒性差。對于復雜系統如對機器人的控制，由于其負載模型參數的大范圍變化以及非線性因素的影響，常規PID控制難以達到滿意的效果。本文提出一種基于LM3S8962 ARM芯片的模糊控制系統，以替代傳統的PID模擬控制，提高直流調速系統的控制性能。

　　1 控制系統的控制方案

　　系統控制框圖如圖1所示，采用串級控制，分為轉速環(外環)和電流環(內環)。為了提高系統響應的快速性和限流的必要性，電流環仍采用傳統的PI調節器，而轉速則采用神經元控制器，以提高其魯棒性。

　　2 單神經元PSD自適應控制算法

　　單神經元自適應PSD算法控制框圖見圖2。

　　圖2中狀態轉換器的輸人為設定值r(k)和過程輸出y(k)，轉換器的作用是獲得單神經元的三個輸入量x1(k)，x2(k)，x3(k)，在這里：

　　其中：Wi(k)(i=1，2，3)為對應于神經元輸入xi(k)的加權系數。

　　控制器總輸出為：

　　z(k)為教師信號，在這里取z(k)=e(k)。這是因為控制效果主要與e(k)和△e(k)有關。為了保證學習算法的收斂性和控制的魯棒性，一般采用規范化學習算法以構成單神經元PSD控制規律，所以單神經元自適應PSD的控制算法如下：

　　3 控制系統的硬件設計

　　控制系統以LM3S8962為核心，LM3S8962是基于ARM?CortexTM-M3的32位RISC控制器，具有內部存儲器、4個通用定時器、遵循 ARM FiRM規范的看門狗定時器、控制器局域網(CAN)、10／100以太網控制器、同步串行接口(SSI)、2個完全可編程的UART、4個10位 ADC、模擬比較器、I2C、6個PWM輸出、2個QEI模塊。

　　系統主電路采用晶閘管三相全控橋式電路，控制電路主要由LM3S8962芯片構成，一是完成速度脈沖的采樣、控制算法的實現和控制極脈沖的輸出等。二是完成起、停控制，鍵盤及顯示器接口等。系統硬件方框圖如圖3所示。

　　從LM3S8962芯片出來的PWM輸出信號，經過光電隔離驅動，送入晶閘管控制極，實現對全控橋的控制。

　　電流檢測回路采用霍爾電流傳感器CSNP661檢測直流電流Id，當檢測到電流值超過設定的限幅值時ARM立即進行中斷處理，封鎖輸出給晶閘管的PWM信號，并發出聲光報警信號。

　　系統采用測速發電機測量電動機轉速，把轉速信號轉換成電壓信號，經分壓電阻送給ARM的ADC轉換輸入中斷。

　　4 控制系統軟件設計

　　軟件結構：本系統軟件采用功能模塊設計方法，軟件由系統、主程序、中斷服務子程序及其他相關的子程序組成。

　　主程序主要完成芯片的初始化、變量的初始化等。

　　中斷程序主要包括ADC轉換結束中斷等幾個部分。

　　在串行口中斷中，主要完成與主機信息的傳輸，根據制定的串行通信協議，按照主機的命令進行各種動作。

　　在ADC中斷中，通過ADC轉換的數值經過計算得到當前負載電流值，進行電流環調節，每經過一定次數電流環調節，就進行一次速度環調節，以保證系統按照要求進行控制。

　　5 仿真實驗

　　為檢驗本系統的控制性能，對直流電機(額定數據：380 V，37 A，200 r／min)進行了空載起動和突加負載的仿真實驗，得出電流和轉速的變化曲線如圖4和圖5所示。

　　6 結語

　　實驗結果表明，本系統結構簡單，控制可靠，能保持快速響應及無靜差和較小超調等優良性能，采用了高性能高精度的ARM芯片的模糊控制器，能達到很高的控制精度。同時，系統具有較強的擴展能力，可以通過串行口或者以太網與上位機通信。