CN110045609B - 一种基于pid-滑模变结构算法的小型起竖装置控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于PID‑滑模变结构算法的起竖装置控制系统属于起竖装置控制系统领域，具体涉及一种起竖装置控制系统的机械结构的设计、以DSP芯片为核心的控制电路和以IPM为核心的功率驱动电路的硬件部分的设计、基于SVPWM电机控制算法与PID‑滑模变结构算法相结合的控制算法的设计，并采用MATLAB/GUI作为软件开发平台，进行上位机软件的开发。本控制系统基于PID‑滑模变结构算法削弱了传统滑模变算法产生的抖振，在保证系统具有高鲁棒性的同时，最终可以实现小型起竖装置控制系统的精确平稳控制。

Description

一种基于PID-滑模变结构算法的小型起竖装置控制系统

技术领域

本发明属于起竖装置控制系统领域，具体涉及一种小型起竖装置控制系统机械结构的设计、以DSP芯片为核心的控制电路和以IPM为核心的功率驱动电路的硬件部分的设计、基于SVPWM电机控制算法与PID滑模变结构算法相结合的控制算法的设计。

背景技术

小型起竖装置控制系统作为筒装(仓储)弹药发射系统的一个重要组成部分，对于保护弹药安全及保证武器系统高精度发射具有重要的作用。由于液压系统具有典型的非线性，系统存在流量压力关系、电磁转换、阀门工作死区非线性，阻尼系数、流量系数、油温时变性以及液体压缩、饱和摩擦等问题，这些问题直接导致电液控制系统出现了参数变化大、非线性程度高、易受外界干扰的特点，这些特点严重制约了电液控制系统的精确控制，因此在车载火炮和中小型导弹发射装置起竖系统中，电驱动已经开始逐步取代液压驱动，并成为未来一个重要的发展趋势。

本发明利用交流伺服控制的方式对小型起竖装置控制系统进行驱动。伺服系统，又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。从最初的液压伺服马达、功率步进电机，后来又发明出直流电机伺服系统，直至今日，采用先进控制策略和全数字控制的交流伺服系统。随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术和电机制造技术取得了巨大进步，目前在雷达和武器随动系统、机器人、大规模集成电路制造、数控机床和激光加工等领域，伺服控制系统都扮演着支柱角色。尤其是随着机电一体化和智能制造技术的发展，伺服控制系统作为电力传动自动控制系统的一个重要分支，已经成为现代工业、国防现代化和高科技领域不可缺少的重要部分。在交流伺服控制系统中，先后出现过感应式交流伺服电机驱动系统，永磁交流电机伺服系统，以及磁阻交流电机驱动系统，在上世纪九十年代初，又出现了具有直接驱动能力的各类直线伺服电机及其驱动系统，从而揭开了交流直线伺服控制系统取代交流旋转伺服控制系统的序幕，其中以永磁交流伺服电机驱动系统发展最快，在当前已占据了主导的地位。因此，研究利用永磁交流伺服控制系统进行起竖装置开关控制具有重要的意义，可以利用先进的控制策略和高度集成化的控制模块对小型起竖装置控制系统进行精确控制。本发明开发了基于DSP芯片TMS320F28335的PID-滑模变结构控制算法为核心的交流伺服控制系统，具有较高的准确性与鲁棒性。

发明内容

针对现有的小型起竖装置控制系统存在的问题，本发明公开的基于DSP芯片TMS320F28335的PID-滑模变结构控制算法为核心的交流伺服控制系统要解决的技术问题是：提供一套小型起竖装置控制系统，可应用于实现弹舱盖开启和关闭的高精度平稳运动控制。本发明的技术方案如下：

本发明公开的一种小型起竖装置控制系统的机械结构包括盖体，支撑臂，转轴，键等部分。盖体的基本尺寸是φ450mm，厚10mm，材料选用的是优质的铝合金6063-T，焊接性能和耐蚀性优良。考虑到盖体零件要和支撑臂零件进行连接，所以设计出伸出盖体的凸台，并分别在其上面设计了4个螺纹孔在盖体零件的两个伸出的部分同其他支撑零件相连接。选用螺栓连接方式，采用8个M5的内六角螺钉进行连接固定。支撑臂所用材料仍然是6063-T铝合金。在一端设计了通孔从而方便与盖体连接，另一端是和传动轴配合的孔，并设计了键槽，起到径向定位的功能。转轴的材料为45钢，根据扭转强度条件设计轴最细部分的直径，轴扭转的强度条件为：

式中，τ为扭转切应力，单位为Mpa，T为轴受的扭矩，单位N·mm,W为轴的抗扭截面系数，单位mm²，n为轴的转速，单位r/min，P为轴传递的功率，单位kW，d为计算截面处轴的直径，单位为mm，。[τ]为许用扭转切应力，单位是Mpa，常用45钢材料的许用应力值为30-40N·mm，A₀值为125-148。

由上式可得轴的直径计算公式：

根据转轴的工作条件和材料，查表可得，A₀＝130，则：

由于轴的最小直径处安装联轴器，并通过联轴器与电动机相连接，设有一个键槽，则：

d_min'＝d_min(1+7％)＝8.82×(1+7％)＝9.43mm (4)

综合考虑，可取最小转轴的直径是10mm，与支撑臂相配合的轴径取为15mm。

轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置，固定则是为了保证轴上零件在运转过程中保持原位不变。轴上零件的轴向定位方式是轴肩定位，主要用于两个支撑臂的轴向定位，另一侧是利用轴端挡圈来限制支撑臂轴向移动，从而保证其轴向定位。周向是利用键进行周向定位，在支撑臂和转轴上各有键槽，根据国家标准设计标准的键和键槽进行配合，从而对轴上零件进行固定。为保证结构的工艺性，轴上键槽沿轴的同一母线布置，并在轴和轴肩端部设置相应的倒角。为提高轴的疲劳强度应尽量减少应力集中，在结构设计方面，轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以本发明设计的转轴尽可能减小相邻轴段直径的差值，在轴径变化处设置较大的过渡圆角半径。零件材料如表1所示。

表1零件材质

本发明公开的小型起竖装置控制系统的控制系统硬件总体设计包括控制板和驱动板两大部分。控制板主要以主控芯片DSP为控制核心，包括电源电路模块、复位模块、ADC模块、JTAG调试模块等一些外围电路设计。控制电路实现功能是获得相关指令信号和反馈信号，进行相关控制算法的解算，生成用于控制功率模块的PWM信号。驱动板包括整流电路、逆变电路、电流采样电路、功率模块和电源电路等，其功能是实现能量的交流-直流-交流形式变换，从而驱动电机力矩、速度、位置实现精准控制。系统上电后，DSP上的ADC模块采集永磁同步电机的三相电流值和母线电压值，QEP模块通过编码器采集电机的位置和速度值，DSP利用采集到的三相电流值、母线电压值和电机位置信息进行SVPWM控制算法的解算，然后将解算完成的控制信号通过PWM模块输入到驱动板上的IPM模块，从而控制三组桥臂的通断产生正弦型交流电压，并输入到永磁同步电机的三相绕组中，从而控制电机按照给定的位置曲线进行精准跟踪。本发明的控制系统采用TMS320F28335作为控制器的主控芯片。功率电路采用的是交-直-交电压型逆变器形式，主要由整流桥、滤波电容、逆变器、保护电路和采样构成。整流桥和滤波电容一起构成直流电压源，将恒频恒压的220V交流电源变换成直流电源，而逆变器实现直流电源到变频变压交流电的转换，为永磁同步电机提供控制所需要的交变电流。IPM中集成了六个IGBT功率器件，六路功率开关信号由DSP的增强型脉宽调制器ePWM产生。通过控制逆变器开关通断顺序和时间分配规律，在逆变器的输出端可以输出等幅、宽度可调的矩形波电压，从而激励电机三相绕组产生交变电流。整流环节采用典型电容滤波的单相桥式不控整流电路和GBJ2510单相不控整流扁桥堆。功率模块及其驱动、保护电路采用国际整流器公司(IR)的智能功率模块IRAM256-1567A，结合IRAM256的器件手册，对IPM的主电路进行了合理设计。当驱动器带大惯量负载进行频繁制动时，伺服电机将处于发电工作方式，而系统整流电流部分采用的是不控整流电路，整流模块和逆变器模块之间包含有较大的储能电容，它钳制着直流母线电压不能迅速反向，电流无法回馈到电网系统，如果仅靠逆变器本身来吸收再生电能将会导致电容的电荷在短时间内堆积，直流母线电压将快速上升，很容易造成储能电容、功率模块等的损坏，为此驱动器必须加入能耗制动电路。电路工作过程为：电阻采样电路得到的直流母线电压采样值V_fbBus，通过集成运放LM393构成的迟滞比较器与REF3033组成的基准电路提供的设定值作比较，当系统制动使得电流母线电压上升到一定值时，比较器输出制动使能信号，信号输入到CMOS驱动芯片IR2101的LIN管脚，从而驱动IRF540开通，将接在P300两端的制动电阻并联在直流母线上消耗多余能量，直到直流母线电压下降到安全值后将制动电阻切除。相电流采样电路利用采样电阻进行设计，采用3PEAK公司的TP1562A的双路运放，具有轨至轨输出能力，并且具有出色的EMI抑制能力。利用0.02Ω的精密电阻进行电流采集，从而产生两端电势信号PHW+和PHW-。运放产生增益为8.32，V_ref是来自REF3033输出的基准电压3.3V进行分压获得1.65V抬升电压，采样的电流范围是9.9A。为测量电机的转速，电机同轴方向上安装有2500线的增量式正交编码器，采用5V供电。编码器输出A+，A-，B+，B-，Z+，Z-六路信号，其中A-，B-，Z-是A，B，Z信号的互补信号。为了提高脉冲信号的可靠性，每个差分信号需要并联一个120Ω的匹配电阻，然后经过RC滤波，而后将差分信号通过增强型的COMS四路差分接收器AM26C32转换为5V单端信号，为防止信号畸变，出现斜坡现象，通过六反向施密特触发器74LVC14还原较理想的3.3V逻辑电平脉冲信号之后再送入DSP的eQEP模块，通过计数脉冲数量来计算电机的实际速度和位置。将上述各模块合理连接成硬件电路PCB板，PCB板采用双层设计，大小为长155mm宽110mm，一般PCB上铜线厚度仅为36μm，考虑到电路中流过的电流较大，所以选择将走线加厚到72μm，在具体设计中考虑到功率模块IPM和整流桥堆的体积大且需要散热，将其置于底层，其他元件均置于顶层，板上进行局部覆铜与地网络连接，模拟网络与数字网络通过单点连接。

本发明公开的小型起竖装置控制系统的控制算法包括SVPWM电机控制算法与PID滑模变结构算法。SVPWM电机控制算法其理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来获得。两个矢量的作用时间在一个周期内分多次施加，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。空间矢量调制的第一步是判断U_α和U_β所决定的空间电压矢量U_ref所处的扇区。根据U_ref落在第N扇区的充分必要条件，则有：

定义3个变量A、B、C，则有：若U₁>0，则A＝1，否则A＝0；若U₂>0，则B＝1，否则B＝0；若U₃>0，则C＝1，否则C＝0。令N＝4C+2B+A,则可以得到N与扇区的关系，如表2所示。

表2 N值与扇区的对应关系

N	3	1	5	4	6	2
							扇区号	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ	Ⅵ

采用上述方法只需要经过简单的加减及逻辑运算即可确定所在的扇区，非常适合于微处理器的数字化运算，对于提高系统的相应速度和进行仿真都是很有意义的。以DSP的PWM模块为例，假设开关频率为f_s，DSP时钟为f_dsp，PWM计数值为N_Tpwm＝f_dsp/f_s/2，则对时间转换为计数值进行如下推导：

其中U'_α和U'_β为实际值的标幺值，令发波系数，

同理可以得到：

各扇区基本空间矢量的作用时间如表3所示。

表3各扇区基本空间矢量的作用时间

当合成电压矢量端点落在正六边形与外接圆之间时，已发生过调制，输出电压将发生失真，必须采取过调制处理，这里采用一种比例缩小算法。定义每个扇区中先发生的矢量作用为TNx，后发生的矢量作用时间为TNy。当TNx+TNy≤TNPWM时，矢量端点在正六边形之内，不发生过调制；当TNx+TNy>TNPWM时，矢量端点超出正六边形，发生过调制。输出的波形会出现严重的失真，需采取以下措施：

设将电压矢量端点轨迹端点拉回至正六边形内切圆内时两非零矢量作用时间分别为TNx'，TNy'，则有比例关系：

因此可用下式求得TNx'，TNy'，TN0，TN7：

永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型如下：

方程(13)表示的是系统机械运动的方程，是典型的二阶系统；方程(14)表示的是永磁同步电机的电磁部分，是一个非线性、强耦合系统，产生的电磁转矩可表示为：

对于电磁部分，采用基于i_d＝0的转子磁链定向矢量控制方式，即使得电磁转矩与i_q成正比，可获得直流电机的控制特性。只要准确的控制参考电流i_qref就可以实现对电机转矩的动态控制：

i_d＝0

(16)

对于机械运动部分，以状态变量θ_m、ω_m作为输入，并构造相应的切换函数，使得系统的状态按照预定轨迹趋近并沿滑模面运动。利用滑模变结构控制的强鲁棒性来抑制和克服参数J、B变化和负载扰动对系统产生的不利影响。

综上所述，采用如下控制策略：给定i_dref＝0，采用PI控制器进行电流环控制，实现非线性耦合部分即方程(14)的解耦；位置和速度闭环控制采用的是滑模变结构控制算法，以给定位置θ_ref、实际位置θ_m、转速ω_m作为控制器的输入，控制器的输出作为电流环的参考电流i_dref，从而实现滑模变结构控制与矢量控制的有效结合。此控制方法体现了线性控制和非线性控制相结合的特点，既保留了矢量控制的特点，又体现了滑模变结构控制的强鲁棒性。

将方程(13)表示成状态方程矩阵形式，其中的负载转矩作为扰动处理，则有：

其中

u＝i_qref

状态变量x为

设给定位置为r，定义误差向量为

其中e＝r-x₁则

取切换函数

其中c为滑模面参数，根据Hurwitz条件，c>0

对式(14)求导，可得到

令

可得

对于二阶非线性系统：

其中

是关于状态变量x及其导数的函数，u(t)为控制输入，d(t)为外部扰动。则式(24)可化为：

则使系统状态变量进入并沿着滑动模态运动的理想控制律为：

由于理想控制律中的d(t)是不可测的，所以该控制律不能作为实际的控制信号，需采取等效控制律和切换控制律相结合的控制策略，即：

其中，u_pid为切换控制律，u_eq为等效控制律，k_p、k_i、k_d分别为PID控制律的比例、积分和微分增益。令k_p>0,k_i>0,k_d＝0，构造Lyapunov函数：

由Lyapunov稳定性判据可知，控制系统满足滑模可达性条件，且当s→∞时，

所以该系统为大范围渐进稳定。

附图说明

图1为小型起竖装置装配体三维模型图和装配好的实物图。

图2为所设计的整流电路图。

图3为所设计的IPM主电路图。

图4为所设计的能耗制动电路图。

图5为所设计的相电流采样电路。

图6为所设计的编码器信号处理电路。

图7为所设计的硬件电路驱动板PCB视图

图8为所设计的硬件电路驱动板实物图

图9为所设计的SVPWM程序算法流程图

图10为SVPWM算法MATLAB仿真图

图11为MATLAB仿真得到的阶跃响应下的电机转速曲线

图12为MATLAB仿真得到的阶跃响应下的SVPWM模块Ta、Tb、Tc的波形

图13为MATLAB仿真得到的阶跃响应下的相电流Ia、Ib、Ic的波形

图14为MATLAB仿真得到的阶跃响应下的dq轴电流曲线

图15为MATLAB仿真得到的阶跃响应下的电磁转矩和负载转矩曲线

图16为伺服控制系统框图

图17为小型起竖装置控制系统MATLAB/Simulink仿真图

图18为小型起竖装置控制系统角度仿真曲线

图19为小型起竖装置控制系统实物图

图20为小型起竖装置控制系统上位机界面图

图21为SVPWM电压波形实验结果图

图22为驱动器输出电流实验检测结果图

图23为小型起竖装置开启时角度跟随曲线

图24为小型起竖装置开启时角度跟踪误差曲线

图25为小型起竖装置关闭时角度跟随曲线

图26为小型起竖装置关闭时角度跟踪误差曲线

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步的详细说明：

本发明所公开的小型起竖装置机械结构基本尺寸是φ450mm，厚10mm，材料选用的是优质的铝合金6063-T，焊接性能和耐蚀性优良，加工性能极佳，且密度比钢铁要小，重量轻。考虑到盖体零件要和支撑臂零件进行连接，所以设计出伸出盖体的凸台，并分别在其上面设计了4个螺纹孔在盖体零件的两个伸出的部分同其他支撑零件相连接。选用螺栓连接方式，采用8个M5的内六角螺钉进行连接固定。支撑臂所用材料仍然是6063铝合金。在一端设计了通孔从而方便与盖体连接，另一端是和传动轴配合的孔，并设计了键槽，起到径向定位的功能。传动轴的作用是传递力矩，接收来自永磁同步电机的输出力矩，从而带动盖体旋转。最小转轴的直径是10mm，与支撑臂相配合的轴径取为15mm。轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置，固定则是为了保证轴上零件在运转过程中保持原位不变。轴上零件的轴向定位方式是轴肩定位，主要用于两个支撑臂的轴向定位，另一侧是利用轴端挡圈来限制支撑臂轴向移动，从而保证其轴向定位。周向是利用键进行周向定位，在支撑臂和转轴上各有键槽，根据国家标准设计标准的键和键槽进行配合，从而对轴上零件进行固定。为保证结构的工艺性，轴上键槽沿轴的同一母线布置，并在轴和轴肩端部设置相应的倒角。为提高轴的疲劳强度应尽量减少应力集中，在结构设计方面，轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以本文设计的转轴尽可能减小相邻轴段直径的差值，在轴径变化处设置较大的过渡圆角半径。

本发明所公开的小型起竖装置开关控制硬件系统包括控制板和驱动板两大部分。控制板主要以主控芯片DSP为控制核心，包括电源电路模块、复位模块、ADC模块、JTAG调试模块等一些外围电路设计。控制电路实现功能是获得相关指令信号和反馈信号，进行相关控制算法的解算，生成用于控制功率模块的PWM信号。驱动板包括整流电路、逆变电路、电流采样电路、功率模块和电源电路等，其功能是实现能量的交流-直流-交流形式变换，从而驱动电机力矩、速度、位置实现精准控制。系统上电后，DSP上的ADC模块采集永磁同步电机的三相电流值和母线电压值，QEP模块通过编码器采集电机的位置和速度值，DSP利用采集到的三相电流值、母线电压值和电机位置信息进行SVPWM控制算法的解算，然后将解算完成的控制信号通过PWM模块输入到驱动板上的IPM模块，从而控制三组桥臂的通断产生正弦型交流电压，并输入到永磁同步电机的三相绕组中，从而控制电机按照给定的位置曲线进行精准跟踪。附图8从右上角顺时针旋转其名称及功能分别为：①驱动电源模块：将交流电转换成直流电，提供给IPM的母线电压；②编码器接口模块：具有差分输入功能，保证增量式光电编码器信号可靠输入到DSP芯片中，增强编码器信号的传输；③直流逻辑电源模块：为功率模块内部功率管提供逻辑控制电源，输入值为24V；④控制板接口模块：提供与DSP控制板的接口，对强电和弱电进行隔离；⑤电流采样电路：利用精密电阻对三相电流进行采样；⑥IPM外围电路：对IPM提供基本的外围电路。控制软件设计是整个控制系统设计的关键部分之一，它将直接影响整个控制系统的性能。

本发明所公开的小型起竖装置控制系统的软件部分主要包括具有通信、存储及显示功能的上位机和下位机电路驱动软件，两部分相互独立，其中上位机软件采用MATLAB/GUI软件编写，下位机采用C语言为主体的编程方式，利用了C语言编写算法的方便性，保证整个软件系统的紧凑性。同时，在软件编写的过程中充分考虑到软件以后的可测试性、易于修改和可移植性，本发明完全按照模块化的设计思想，构建整个软件系统，并在TI的集成开发环境Code composer studio(CCS)7.0中进行程序编译调试。根据附图16所示的交流伺服系统三环控制，结合整个控制系统框架，下位机软件采用模块化方式进行编写，包括DSP系统初始化程序、外设和中断初始化程序和主循环中断程序的编写等。DSP在运行算法之前需要对其内部的时钟和中断进行初始化，其中系统时钟频率设为150MHz。ePWM模块用于产生六路SVPWM波形,频率是10KHz，这里采用ePWM中的3个单元ePWM1/2/3，每个单元产生两路互补带有死区的波形，由于是三个单元寄存器配置相同，所以在寄存器TBCTL中设置同步信号，使其计数同步进行，保证IPM中的三相桥的同步动作，采用增减计数模式，死区单元时间设置为0.8us，最终实现具有死区时间的互补PWM输出。eQEP模块用于检测编码器A、B、Z三相信号，可以轻松实现电机速度的M法、T法与MT法检测，配置eQEP对正交脉冲输入的上下沿均能计数，即对其进行4倍频。SCI模块用于与上位机的通讯，设置8位数据长度，波特率为921600，停止位为1，不进行奇偶校验。ADC模块用于检测三相电流和母线电压，所以使用ADCA1、ADCB1、ADCA3、ADCA7，配置ADC时钟频率为18.75MHz，采用ePWM1来启动ADC。主程序流程是系统初始化并进行启动自检后，开启中断允许，不断的等待中断或执行中断程序(ISR)的循环过程，具体的状态执行都是在中断中执行。各主要模块均是在中断服务程序中进行的。DSP接收位置环的输出，即速度指令，进行转速调节，速度环的输出作为电流环的给定。上位机软件是控制系统与用户之间交互的直接载体，其主要功能包括通信规则的设置，控制器启动，被控对象实时位置信息显示以及反馈信息存储。本发明利用MATLAB语言进行上位机软件的开发。MATLAB软件具有文本编程模式和GUI图形化编程模式，编程方便、功能强大，另外，MATLAB强大的数据处理能力对系统的开发很有优势。上位机采用通用PC机作为硬件设计平台，采用MATLAB/GUI作为软件开发平台，采用RS-232串行通信方式实现上位机和下位机间的通信。本系统下位机将采集到的数据通过串口发送到上位机，上位机通过MATLAB的串口中断机制接收数据，然后对数据进行分析、处理、存储、显示等。该界面主要分为五个部分：串口配置部分、数据接收部分、曲线绘制部分、数据存储部分、控制命令输入部分。各部分功能如下：

(1)串口配置部分：该部分包括四个可配置的参数，调整该组参数可以改变上位机数据收发协议类型，在软件开始使用前，需将该组的四个参数配置为与控制系统软件相一致的通信规则。

(2)数据接收部分：可以实时接收显示已传输的数据，并可以进行不同数据类型的显示，以配合下位机不同数据收发数据类型。

(3)曲线绘制部分：软件将接收到的盖体位置信息以0.01s的时间间隔绘制在曲线绘制窗口中，两点之间可以直接连接成曲线，并在右侧可以实时显示本时刻的最大误差等。

(4)数据存储部分：可以将数据进行现场保存，以便进行后续分析。

(5)控制命令输入部分：可以向下位机发送数据或者直接利用按钮进行命令的输入。

具体操作步骤为：首先进行配置串口，包括端口、波特率、校验位、数据位、停止位参数的设定，接下来按下开盖按钮，此时会在数据接收存储框内实时显示接收的角度位置数据、电压值、电流值，在绘图框内显示系统跟随目标曲线的情况，此外还可以实时显示当前最大误差值等。实验装置如附图19所示，为弹舱盖控制系统实物图，图中自左下角顺时针依次为DSP控制板、驱动板、永磁同步电机、稳压电源、示波器、笔记本电脑、起竖装置结构本体，其中DSP控制板和功率驱动板组成系统下位机，主要负责控制律的计算和输出；笔记本电脑作为上位机，负责接收下位机的信号并进行绘制储存。实验中所采用的永磁同步电机参数如表4所示。实验中系统输入电压为220V，50Hz，逆变器PWM调制频率为8KHz，电流环采样频率为125us，速度和位置环采样频率为1ms。

表4永磁同步电机参数

上位机接收的小型起竖装置开启角度信息如附图23所示。附图24所示的是小型起竖装置开盖时实际角度与目标角度的误差曲线。表5所示是针对误差数据得到的小型起竖装置开盖控制的实际效果。其中最大误差是指实际角度与目标角度差值绝对值的最大值，稳态误差是指系统趋于稳态时的差值，平均误差是指所有时刻误差值的平均值，误差方差是指所有误差的方差，相对误差是指误差绝对值与真实值比值，即绝对误差所占真实值的百分比。相对误差更能反映测量的可信程度。由表5可以看出，基于PID滑模变结构控制算法控制的起竖装置最大角度误差为1.324°，稳态误差为1.293°，相对误差方差为0.154，且在运行过程中起竖装置开启非常平稳，无冲击现象，具有较强的跟踪目标曲线的能力。

表5起竖装置开盖控制效果

利用上位机进行小型起竖装置关盖角位移等相关数据的采集，并将采集到的数据进行分析处理。上位机接收的小型起竖装置关闭角度信息如附图25所示。附图26所示的是小型起竖装置关盖时实际角度与目标角度的误差曲线。表6所示是针对误差数据得到的小型起竖装置关盖控制的实际效果。由表6可以看出，基于PID滑模变结构控制算法控制的小型起竖装置关盖最大角度误差为1.303°，稳态误差为0.148°，相对误差方差为0.453，在整个过程中，盖体运行平稳，具有较强的跟随目标曲线的能力。

表6起竖装置关盖控制效果

Claims (3)

1.一种基于PID-滑模变结构算法的小型起竖装置控制系统，其特征在于机械结构包括盖体、支撑臂、传动轴、键；盖体的基本尺寸是φ450mm，厚10mm，材料选用的是优质的铝合金6063-T，焊接性能和耐蚀性优良；考虑到盖体要和支撑臂进行连接，所以设计出伸出盖体的凸台，并分别在其上面设计了4个螺纹孔在盖体的两个伸出的部分同支撑臂相连接；选用螺栓连接方式，采用8个M5的内六角螺钉进行连接固定；支撑臂所用材料是6063-T铝合金；在一端设计了通孔从而方便与盖体连接，另一端是和传动轴配合的孔，并设计了键槽，起到径向定位的功能；传动轴的材料为45钢，最小传动轴的直径是10mm，与支撑臂相配合的轴径取为15mm；轴上零件的轴向定位方式是轴肩定位，主要用于两个支撑臂的轴向定位，另一侧是利用轴端挡圈来限制支撑臂轴向移动，从而保证其轴向定位；周向是利用键进行周向定位，在支撑臂和传动轴上各有键槽，根据国家标准设计标准的键和键槽进行配合，从而对轴上零件进行固定；所述小型起竖装置控制系统，对于电磁部分，采用转子磁链定向矢量控制方式，即使得电磁转矩与控制电流成正比，可获得直流电机的控制特性；通过准确的控制参考电流就可以实现对电机转矩的动态控制；对于机械运动部分，以状态变量实际转角、转速作为输入，并构造相应的切换函数，使得系统的状态按照预定轨迹趋近并沿滑模面运动；利用滑模变结构控制的强鲁棒性来抑制和克服参数变化和负载扰动对系统产生的不利影响；所述小型起竖装置控制系统，其控制策略如下：给定参考电流，采用PI控制器进行电流环控制，实现非线性耦合部分的解耦；位置和速度闭环控制采用的是滑模变结构控制算法，以给定位置角度、实际角度、转速作为控制器的输入，控制器的输出作为电流环的参考电流，从而实现滑模变结构控制与矢量控制的有效结合；此控制方法体现了线性控制和非线性控制相结合的特点，既保留了矢量控制的特点，又体现了滑模变结构控制的强鲁棒性。

2.根据权利要求1所述的一种基于PID-滑模变结构算法的小型起竖装置控制系统，其特征在于该系统的硬件总体设计包括控制板和驱动板两大部分；控制板主要以主控芯片DSP为控制核心，包括电源电路模块、复位模块、ADC模块、JTAG调试模块一些外围电路设计；控制电路实现功能是获得相关指令信号和反馈信号，进行相关控制算法的解算，生成用于控制功率模块的PWM信号；驱动板包括整流电路、逆变电路、电流采样电路、功率模块和电源电路，其功能是实现能量的交流-直流-交流形式变换，从而驱动电机力矩、速度、位置实现精准控制；系统上电后，DSP上的ADC模块采集永磁同步电机的三相电流值和母线电压值，QEP模块通过编码器采集电机的位置和速度值，DSP利用采集到的三相电流值、母线电压值和电机位置信息进行SVPWM控制算法的解算，然后将解算完成的控制信号通过PWM模块输入到驱动板上的IPM模块，从而控制三组桥臂的通断产生正弦型交流电压，并输入到永磁同步电机的三相绕组中，从而控制电机按照给定的位置曲线进行精准跟踪。

3.根据权利要求2所述的一种基于PID-滑模变结构算法的小型起竖装置控制系统，其特征在于该系统的软件部分主要包括具有通信、存储及显示功能的上位机和下位机电路驱动软件，两部分相互独立，其中上位机软件采用MATLAB/GUI软件编写，下位机采用C语言为主体的编程方式，并在TI的集成开发环境Code composer studio 7.0中进行程序编译调试；下位机软件采用模块化方式进行编写，包括DSP系统初始化程序、外设和中断初始化程序和主循环中断程序的编写；采用RS-232串行通信方式实现上位机和下位机间的通信；本系统下位机将采集到的数据通过串口发送到上位机，上位机通过MATLAB的串口中断机制接收数据，然后对数据进行分析、处理、存储、显示；该MATLAB上位机界面主要分为五个部分：串口配置部分、数据接收部分、曲线绘制部分、数据存储部分、控制命令输入部分。

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