CN108540017B - 一种在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤1，检测被控电机系统的单位阶跃响应，获得系统参数；步骤2，搭建电机跟踪控制装置，该装置包括依次连接的A/D转换模块，单片机和D/A转换模块，并在单片机上实现预测函数控制算法；步骤3，通过A/D模块采集主动电机与从动电机的相位电压差；步骤4，在单片机上使用预测函数控制算法计算从动电机电压输入；步骤5，通过D/A模块将数字电压转换为模拟电压并施加在从动电机上；步骤6，重复步骤3～5，实现电机跟踪的实时控制。利用本发明，可以实现多路信号的采集和控制，提高集成度，降低成本，且具有更好的稳定性和动态性能。

Description

一种在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及电机跟踪控制领域，具体涉及一种在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法。
背景技术
电机跟踪控制在诸如伺服系统、机器人设计等领域都有着广泛的应用，传统的电机的控制方法主要是PID控制，但这种方法忽略了被控对象模型，仅靠调节比例、积分、微分系数来保证系统的动态和稳态性能，并且参数调节很大程度上要依赖经验，特别当系统对输入、输出以及中间变量存在约束时，PID的使用范围将大打折扣。
另一类控制方法是传统的模型预测控制，这种方法需要获取系统模型，并根据模型选择建模时域、预测时域、控制时域等参数，对于电机而言，这类参数一般较大，导致使用传统的模型预测控制时，计算量较大，难以实现快速控制。
发明内容
本发明提供了一种在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法，具有简单、廉价、可行性高的特点，并可实现大批量生产，具有很高的实际应用价值。
一种在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法，包括以下步骤：
步骤1，检测被控电机系统的单位阶跃响应，获得系统参数；
步骤2，搭建电机跟踪控制装置，该装置包括依次连接的A/D转换模块，单片机和D/A转换模块，并在单片机上实现预测函数控制算法；
步骤3，通过A/D模块采集主动电机与从动电机的相位电压差；
步骤4，在单片机上使用预测函数控制算法计算从动电机电压输入；
步骤5，通过D/A模块将数字电压转换为模拟电压并施加在从动电机上；
步骤6，设置A/D模块的采样周期，重复步骤3～5，实现电机跟踪的实时控制。
本发明可以实现从动电机实时跟踪主动电机的位置，这在电机伺服系统、机器人设计等领域均有着广泛的应用。
本发明通过实时采集主动电机和从动电机相位电压差，在单片机上在线计算出从动电机电压输入，具有快速、精确的特点。
作为优选，步骤2中，预测函数控制算法步骤如下：
步骤2-1，计算中间参数：K1＝KpTdec-K2、bs＝1-as、bm＝1-am、
其中K1为第一路前向增益，K2为第二路前向增益，Kp为系统的增益，T为时间常数，as为分解模型衰减系数，bs为分解模型衰减系数余量，为一致点处分解模型衰减系数，bsh为一致点处分解模型衰减系数余量，am为模型衰减系数，bm为模型衰减系数余量，为一致点处模型衰减系数，bmh为一致点处模型衰减系数余量，lh为误差乘子，采样周期Ts＝0.005s，分解时间常数Tdec＝T×3,闭环响应时间CLTR＝T×300，一致点h＝20。
步骤2-2，计算当前时刻模型输出sm(n)
sm(n)＝sm1(n)+sm2(n)+smr(n)，
其中sm1(n)＝sm1(n-1)am+bmK1e(n-1)，sm2(n)＝sm2(n-1)as+bsK2e(n-1)，smr(n)＝smr(n-1)as+bsCV(n-1)，e(n-1)表示前一时刻的从动电机输入，CV(n-1)表示前一时刻主动电机和从动电机相位电压差；
步骤2-3，计算当前时刻从动电机输入e(n)
其中Setpoint为设定值，一般设定为0，SS＝smr(n)bsh-CVpred(n)bsh，CVpred(n)＝CV(n)+sm(n)-sm(n-r)。
作为优选，步骤3中，使用的A/D模块芯片型号为AD7606,A/D模块与单片机使用串行外设接口(SPI)方式连接。
作为优选，步骤4中，使用的单片机型号为STM32F103。
作为优选，步骤5中，使用的D/A模块芯片型号为DAC8563，D/A模块与单片机使用串行外设接口(SPI)方式连接。
作为优选，步骤6中，步骤3～5的重复周期可根据实际情况设定，建议采样时间为Ts＝0.005s。
本发明与现有技术相比具有的有益效果有：
1、以具体控制对象的模型为基础实施控制算法，针对性强，相比于传统PID等算法在稳定性和动态性能方面效果更好。
2、在单片机上实施预测函数控制算法具有简单易行的特点，算法速度快，适用于电机等高速被控对象。
3、单片机和A/D、D/A转换模块间使用SPI通信方式便于接口扩展，可以实现多路信号的采集和控制，提高集成度，降低成本。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本实施例中主动、从动电机以及电机跟踪控制装置连接示意图；
图3为本实施例中主动、从动电机位置变化记录图。
具体实施方式
下面以一组主动电机和从动电机为例，对在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法做详细描述。
如图1所示，一种在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法，包括：
步骤1，对于被控电机系统，检测系统的单位阶跃响应，获得系统的增益Kp、时间常数T以及滞后时间Tr等参数。
检测系统单位阶跃响应的具体实施方法为，移除电机跟踪装置，手动调整主动电机角度，检测旋转变压器测量电路的输出电压，电压与角度的比值即为系统的增益，按照此方法同样可测出时间常数和滞后时间。
步骤2，搭建电机跟踪控制装置，该装置包括依次连接A/D转换模块，单片机和D/A转换模块，并在单片机上实现预测函数控制算法。经检测，本具体实施例中，系统的增益Kp＝50，时间常数T＝0.01s，滞后时间Tr＝0。
在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法，其具体实施方式为：
步骤2-1，计算中间参数：K1＝KpTdec-K2、bs＝1-as、bm＝1-am、
其中K1为第一路前向增益，K2为第二路前向增益，Kp为系统的增益，T为时间常数，as为分解模型衰减系数，bs为分解模型衰减系数余量，为一致点处分解模型衰减系数，bsh为一致点处分解模型衰减系数余量，am为模型衰减系数，bm为模型衰减系数余量，为一致点处模型衰减系数，bmh为一致点处模型衰减系数余量，lh为误差乘子，采样周期Ts＝0.005s，分解时间常数Tdec＝T×3,闭环响应时间CLTR＝T×300，一致点h＝20；
步骤2-2，计算当前时刻模型输出sm(n)
sm(n)＝sm1(n)+sm2(n)+smr(n)，
其中sm1(n)＝sm1(n-1)am+bmK1e(n-1)，sm2(n)＝sm2(n-1)as+bsK2e(n-1)，smr(n)＝smr(n-1)as+bsCV(n-1)，e(n-1)表示前一时刻的从动电机输入，CV(n-1)表示前一时刻主动电机和从动电机相位电压差；
步骤2-3，计算当前时刻从动电机输入e(n)
其中Setpoint为设定值，一般设定为0，SS＝smr(n)bsh-CVpred(n)bsh，CVpred(n)＝CV(n)+sm(n)-sm(n-r)。
步骤3，通过A/D模块采集主动电机和从动电机相位电压差。
通过A/D模块采集电压差，具体是指使用芯片型号为AD7606的A/D模块，A/D模块与单片机的连接方式为使用串行外设接口(SPI)方式连接。
步骤4，在单片机上使用预测函数控制算法计算从动电机电压输入。
单片机具体是指型号为STM32F103单片机。
步骤5，通过D/A模块将数字电压转换为模拟电压并施加在从动电机上。
通过D/A模块将数字电压转换为模拟电压，具体是指使用芯片型号为DAC8563的D/A模块，D/A模块与单片机的连接方式为使用串行外设接口(SPI)方式连接。
步骤6，设置A/D模块的采样周期，重复步骤3～5，实现电机跟踪的实时控制，
实时控制具体是指，每隔0.005s对系统进行一次采样，计算从动电机输入，不断重复此过程。
如图3所示，当主动电机角度发生变化时，通过本发明方法，从动电机可以快速跟踪至主动电机的位置，从而实现电机实时跟踪控制。

Claims (5)

1.一种在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，检测被控电机系统的单位阶跃响应，获得系统参数；所述的系统参数为系统的增益Kp、时间常数T以及滞后时间Tr；
步骤2，搭建电机跟踪控制装置，该装置包括依次连接的A/D转换模块，单片机和D/A转换模块，在单片机上实现预测函数控制算法；所述的预测函数控制算法具体如下：
步骤2-1，计算中间参数：K1＝KpTdec-K2、bs＝1-as、bm＝1-am、
其中K1为第一路前向增益，K2为第二路前向增益，Kp为系统的增益，T为时间常数，as为分解模型衰减系数，bs为分解模型衰减系数余量，为一致点处分解模型衰减系数，bsh为一致点处分解模型衰减系数余量，am为模型衰减系数，bm为模型衰减系数余量，为一致点处模型衰减系数，bmh为一致点处模型衰减系数余量，lh为误差乘子，e为自然常数，采样周期Ts＝0.005s，分解时间常数Tdec＝T×3,闭环响应时间CLTR＝T×300，一致点h＝20；
步骤2-2，计算当前时刻模型输出sm(n)
sm(n)＝sm1(n)+sm2(n)+smr(n)，
其中sm1(n)＝sm1(n-1)am+bmK1e(n-1)，sm2(n)＝sm2(n-1)as+bsK2e(n-1)，smr(n)＝smr(n-1)as+bsCV(n-1)，e(n-1)表示前一时刻的从动电机输入，CV(n-1)表示前一时刻主动电机和从动电机相位电压差；
步骤2-3，计算当前时刻从动电机输入e(n)
其中Setpoi为nt设定值，设定为0，SS＝smr(n)bsh-CVpred(n)bsh，CVpred(n)＝CV(n)+sm(n)-sm(n-r)，r为滞后拍数；
步骤3，通过A/D模块采集主动电机与从动电机的相位电压差；
步骤4，在单片机上使用预测函数控制算法计算从动电机电压输入；
步骤5，通过D/A模块将数字电压转换为模拟电压并施加在从动电机上；
步骤6，设置A/D模块的采样周期，重复步骤3～5，实现电机跟踪的实时控制。
2.根据权利要求1所述的在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法，其特征在于，步骤3中，所述A/D模块芯片的型号为AD7606，所述A/D模块与所述单片机使用串行外设接口方式连接。
3.根据权利要求1所述的在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法，其特征在于，步骤4中，所述的单片机型号为STM32F103。
4.根据权利要求1所述的在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法，其特征在于，步骤5中，所述D/A模块芯片的型号为DAC8563，所述D/A模块与所述单片机使用串行外设接口方式连接。
5.根据权利要求1所述的在单片机上基于预测函数控制的电机跟踪控制方法，其特征在于，步骤6中，所述的采样周期为0.005s。
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