基于微控制器的多電機同步控制算法與系統(tǒng)設(shè)計

劉立

摘 要：多電機控制技術(shù)在工業(yè)中具有廣泛的用途。分析了微控制器的基本概念和多電機同步控制系統(tǒng)的組成，并對基于微控制器的多電機同步控制算法與系統(tǒng)設(shè)計進行了分析和闡述。

關(guān)鍵詞：微控制器；多電機；系統(tǒng)設(shè)計；同步控制算法

中圖分類號：TM301.2 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.068

當(dāng)前，多臺電機的系統(tǒng)設(shè)計均以微控制器為基礎(chǔ)。研究基于微控制器的多電機同步控制算法和系統(tǒng)設(shè)計，對提升多臺電機聯(lián)合運行效率、開發(fā)多臺電機的運行潛力有著極為重要的意義，也是當(dāng)前多臺電機聯(lián)合運行研究領(lǐng)域的重要研究方向。

1 微控制器簡析

1.1 分類方式

微控制器的分類方式較多。我們既可以根據(jù)數(shù)據(jù)總線的寬度將其分為8位機、16位機和32位機，也可以根據(jù)存儲器的具體結(jié)構(gòu)將其分為Harvard結(jié)構(gòu)和Von Neumann結(jié)構(gòu)，還可以根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)中程序存儲器的不同將其分為OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和閃存Flash等不同類型的微控制器。

1.2 程序存儲器

程序存儲器是微控制器的重要組成部分。我們可以根據(jù)數(shù)據(jù)總線的寬度將其存儲器在邏輯上分為成對的8 KB、16 KB或32 KB等不同的種類，然后使用不同的閃存單元來支持相應(yīng)的應(yīng)用編程。

1.3 運行模式

運行模式對微控制器的影響是非常顯著的。在啟動微控制器的器件之后，根據(jù)其運行模式的設(shè)定，可以執(zhí)行駐留于器件內(nèi)部專用ROM的加載程序。在這一過程中，每當(dāng)收到一個回車符號，其內(nèi)部的串口就能執(zhí)行自動的波特率功能，并且還能與主機的波特率同步。除此之外，在分析其運行模式的過程中，由于其具有簡單的引導(dǎo)加載程序接口，因此實際上允許其使用幾種方法來實現(xiàn)PC機與目標(biāo)微控制器間的通信。

2 多電機同步控制系統(tǒng)分析

圖1 多電機同步控制系統(tǒng)框架圖

多電機同步控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，多電機同步控制系統(tǒng)是由同步控制器、工控機、協(xié)議轉(zhuǎn)換器和變頻器組成。其中，同步控制器具有最重要的通訊、檢測、控制三大功能模塊，是整個控制系統(tǒng)的核心；協(xié)議轉(zhuǎn)換器是上位機與同步控制器之間的橋梁，其主要功能就是實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換記憶同步傳動參數(shù)的雙向傳遞；變頻器的主要功能是驅(qū)動同步電機。一般情況下，一塊同步控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對五路電機的同步控制。

3 多電機同步控制算法與系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PID控制算法

PID控制算法是基于微控制器的多電機同步控制算法的基

礎(chǔ)和前提，主要是以比例、積分和微分為理論基礎(chǔ)的控制算法。在PID控制算法40余年的應(yīng)用過程中，其對諸多新興控制策略的誕生和完善都起到了重要作用。根據(jù)該算法在多電機領(lǐng)域中的應(yīng)用，其作為一個低階和可預(yù)測的控制算法，始終具有良好的控制效果。

計算多電機同步控制系統(tǒng)的偏差的基本公式為：

e（t）=c（t）-r（t）. （1）

3.2 模糊控制算法

模糊控制算法對基于微控制器的多電機同步控制算法的重要性是不言而喻的。這一控制算法誕生于1965年，其以非線性和時變系統(tǒng)為理論基礎(chǔ)，至今得到了很好的發(fā)展。該算法是語言類型的控制工具，這意味著它能夠便利地被人類的邏輯和意識所理解與應(yīng)用。在模糊控制算法的基本結(jié)構(gòu)中，知識庫為最上層結(jié)構(gòu)，然后下端分別為輸入隸屬度函數(shù)、推理規(guī)則和輸出隸屬度函數(shù)。知識庫使精確輸入通過模糊化、模糊推理和反模糊化之后最終得到精確的輸出。

討論各種模糊現(xiàn)象離不開相應(yīng)隸屬函數(shù)的計算。建立模糊隸屬函數(shù)的方法較多，不同的模糊問題有不同的方法。通常采用的方法有兩種，分別是統(tǒng)計規(guī)律法和隨機分割法。

3.2.1 統(tǒng)計規(guī)律法

在概率論中，經(jīng)常使用統(tǒng)計規(guī)律法計算古典概率，例如在n次試驗中，事件A發(fā)生的概率P（A）為：

P（A）= . （2）

古典概率的定義、方法同樣適用于隸屬函數(shù)，其中，P（A）相當(dāng)于隸屬函數(shù)μA（u），n表示論域U中的一群元素，“A事件出現(xiàn)的次數(shù)”用“u屬于模糊子集A的次數(shù)”表示，則：

μA（u）= . （3）

概率是事件A可能出現(xiàn)的可能性，隸屬函數(shù)是元素u從屬于子集A的程度。前者充滿隨機性，后者則呈現(xiàn)出客觀模糊性。

3.2.2 隨機分割法

采用統(tǒng)計規(guī)律法求得的是隸屬函數(shù)的值，而不是函數(shù)，采用隨機分割法可求出隸屬函數(shù)的值。這種方法的要點是隨機分割模糊統(tǒng)計試驗?zāi)Ｐ?。在分割時，注意要使用模糊概念，例如把體積劃分成特大、大、較大、中、較小、小、特小等七個不同的級別。

現(xiàn)采用三分法。所謂“三分法”，就是指把討論的空間Ω劃分成三個子空間A1、A2、A3，且設(shè)A1、A2的分界點（面）為ξ，A2、A3的分界點（面）為η.這樣，如果確定了（ξ，η），就確定了一次分割。

隨機分割法把（ξ，η）看作是一對隨機變量，在抽樣調(diào)查中求出ξ，η的概率分布，再推導(dǎo)出隸屬函數(shù)μAi（u）。其中，i是子空間數(shù)。如果是3個子空間，則i=1，2，3.

使用隨機分割法計算隸屬函數(shù)的公式如下。

設(shè)（ξ，η）是滿足p（ξ，η）=1的一組連續(xù)隨機向量，又假設(shè)（ξ，η）的每次取值對應(yīng)一個映射e，則e（ξ，η）︰Ω→U={A1，A2，A3}，且：

e（ξ，η）（x）= . （4）

則3個模糊子集對應(yīng)的3個隸屬函數(shù)由下列公式確定：

. （5）

. （6）

. （7）

式（4）（6）中：Pξ（u）和Pμ（u）分別為ξ和μ的邊緣分布密度函數(shù)。

3.3 控制方式選擇

控制方式選擇是基于微控制器的多電機同步控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容之一。在控制方式選擇的過程中，有主從式結(jié)構(gòu)和平行式結(jié)構(gòu)可供選擇，工作人員在選擇時需要考慮多個方面的因素，例如傳動要求和精度、性價比和控制能力等。在選擇空中方式時，工作人員應(yīng)當(dāng)注意到其具有一定的滯后性。這一滯后性主要是由其結(jié)構(gòu)形態(tài)和其他因素所決定的。

3.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于微控制器的多電機同步控制系統(tǒng)設(shè)計的重中之重。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，工作人員應(yīng)以上位PC機器、CAN總線和DSP控制板為結(jié)構(gòu)的支點。除此之外，CAN總線能夠使PC機器更好的通訊，這一通訊對象也包括CAN總線本身。

3.5 通信模式設(shè)計

通信模式設(shè)計是基于微控制器的多電機同步控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在通信模式設(shè)計中，CAN總線有效實現(xiàn)了上位機與下位機之間的通信。這意味著上下位機能夠通過總線建立聯(lián)系，所以在通信模式的設(shè)計過程中，工作人員應(yīng)當(dāng)以主電機的轉(zhuǎn)速信號為通信信號，以DSP為基礎(chǔ)設(shè)計同步算法，由此跟蹤主電機的轉(zhuǎn)速信號，使主電機與從電機之間能夠達到同步，并進行有效的信號通信。

4 結(jié)束語

在設(shè)計系統(tǒng)之前，首先應(yīng)全面了解微控制器的基本概念、運行方式和組成結(jié)構(gòu)等基本信息，然后在此基礎(chǔ)上通過大量的技術(shù)實踐，不斷促進我國多電機同步控制算法與系統(tǒng)設(shè)計整體水平的有效提升。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕