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文档简介
1、微纳科技 cSPACE 快速原型原型(基于的 DSP 快速)一.二.三.四.简介1系统组成2硬件. 4应用案例64.1.4.2.4.3.4.4.直线电机驱动的倒立摆的. 6. 8磁悬浮球系统的三容过程实验系统的. 9采用磁流变液阻尼器的 1/4 车辆振动实验系统的. 10一.简介快速原型(Rapid Controller Prototyping,RCP)和硬件在回路实时(Hardware-in-Loop,HIL)是目前国际上系统设计的常用方法,它把计算机仿真(纯软件)和实时(硬件在回路)有机结合起来,用户可把结果直接用于实时,极大提高系统的设计效率。目前,这一系统或设计方法已经在高校和得到普遍
2、采用,最典型的例子为德国的 dSPACE 快速系统原型设计系统。dSPACE 卡是一个基于拥有快速原型开发和硬件在环/Simulink 开发环境的自动代码生成工具,功能。应用这种方法,可使电控单元系统及机械系统的开发和测试简捷和高效。因此,dSPACE 已经成为运动和过程开发的好工具,受到了全球用户的欢迎。本公司研制的 cSPACE 快速原型和硬件在回路(以下简称cSPACE 系统)基于 TMS320F2812DSP 开发,与 dSPACE 公司的 DS1104 卡相当,拥有 AD、DA、IO、Encoder 和快速原型开发、硬件在环功能,通过/Simulink 设计好算法,将输入、输出接口替
3、换为公司的 cSPACE1模块,编译整个模块就能自动生成 DSP 代码,在卡上运行后就能生成相应的信号,从而方便地实现对被控对象的。运行过程中通过 cSPACE 提供的接口模块,可实时修改参数,并以图形方式实时显示结果;而且 DSP的数据可以保存到磁盘,研究可利用对这些数据进行离线处理,下图为利用 cSPACE 工具的开发流程图。图 1 cSPACE 开发流程图二.系统组成微纳科技 cSPACE 快速原型和硬件在回路根据国际上系统设计常用的快速原型和硬件在回路原理进行开发,硬件功能与德国dSPACE 公司的 DS1104 卡相当,拥有 dSPACE- DS1104 所具备的大部分接口功能和快速
4、原型开发、硬件在回路技术,具体包括以下三大部分:一、cSPACE 系统的卡采用高性能的 TMS320F2812DSP 开发,并且外扩2高性能的 AD、DA 和正交编码信号处理模块,具有丰富的硬件接口,可以同时多台电机。图 2 cSPACE 的 DSP卡二、cSPACE系 统 的 开 发 环 境 是 基 于 广 大 科 研/Simulink 进行开发,方便用户使用,同时能充分利用大的科学计算、信号分析处理、图形处理功能。所 熟 悉 的强图 3 cSPACE 的界面采用开发环境/Simulink 进行开发,能三、cSPACE 系统的修改10 个变量和实时显示 4 个变量,自动数据,结构简单,方便用
5、户使用。3图 4 cSPACE 的界面三.硬件cSPACE 的硬件如下所示:l 主处理器为 TMS320F2812 DSP,处理能力为 150MIPSl 16 通道的 12bit AD,转换时间为 250ns,输入范围为(0,3V)l 6 通道的 16bit AD,转换时间为 3.1us,输入范围为(-10,10V)或(-5,5V)l 4 通道 16bit 的 DA,建立时间为 10us,输出范围为(-10,+10V)l 3 通道的 PWM 信号,分辨率为 16 位,1 通道有输出,共 6 路输出,这 6 路输出也可以作为输出的 IO 引脚使用l 2 路输入 IO 引脚l 4 通道 QEP 单
6、元正交编码信号处理模块l 1 路 RS232 串口l 1 路增强型 CAN 接口l 128k×16bit 的片内 flash 和 18k×16bit 的 SARAMl 三个 32 bit 的系统定时器,4 个 16 bit 通用定时器用户额外可扩充的功能:l 5 通道 PWM 信号,分辨率为 16 位4l 1 路 RS232 串口l 多达 20 个可单独编程的复用口,亦可用作通用 I/O 口l 三个外部中断口,并有中断扩展模块,可支持多达 45个中断我公司 cSPACE系统与国外同类系统主要性能对比表 1 cSPACE 与国外同类对比表格5硬件模块cSPACEdSPACE主
7、处理器采用 TMS320F2812DSP 开发,时钟频率为 150M,指令周期为6.67ns采用 TMS320F2407DSP 开发,时钟周期为 40MAD6 路高性能的 16bitAD 模块8 路高性能的 16bitAD 模块DA4 路高性能的 16bitDA 模块8 路高性能的 16bitDA 模块正交编码信号处理模块4 路2 路RS232 接口1 路2 路PWM 信号输出模块8 路8 路IO 接口8 路 IO 接口16 路cSPACE 系统硬件成本底,系统设计好后,可以把生成的目标代码烧写进卡,从而脱离计算机而运行的系统,被控对象,整个过程用户不需进行硬件和 C 语言或汇编语言的开发,极
8、大减小用户构建控制系统时间和降低成本。四. 应用案例4.1. 直线电机驱动的倒立摆的倒立摆是一个典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统,必须采取有效的算法才能使之稳定。倒立摆在过程中,能有效反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多关键问题。因此人们常常利用倒立摆检验各种算法对不稳定性、非线性和快速系统的能力,以及各种算法的有效性。倒立摆的研究具有理论意义,多级摆是领域研究的难点。其中倒立摆的实物图如下图所示:6软件功能cSPACEdSPACE变量修改模块10 个多达数十个变量实时显示模块4 个多达数十个使用变量修改模块和实时显示模块的个数限制可以在 10 个变量修改模块和 4
9、个变量实时显示模块之间由用户任意组合由用户任意组合数据保存自动保存自动保存变量显示方式图形化显示图形化显示图 5 直线电机驱动的倒立摆摆包括直线电机、上摆杆和下摆杆以及测试摆杆角度的编码器、测试电机直线位移的光栅。cSPACE 快速原型系统接收来自光电编码器的摆杆角度信号和光栅输出的直线电机的工作台位移信号,并对信号进行处理得到x,f1 ,f2 , x,f1 ,f2 六个状态变量,然后根据最优算法计算得到精确的量,经过 DA 转换后输出模拟信号,再经伺服驱动器放大后驱动直线电机输出相应的摆杆倒立平衡。下图为硬件组成的原理框图。直线电机倒立摆计算机上摆杆摆角下摆杆摆角图 6倒立摆系统硬件框图对于
10、倒立摆的,采用最优算法倒立摆,下图为最优控制算法的 cSPACE 框图7角度编码器角度编码器直线传感器伺服驱动器DSP卡光栅编码器一下摆杆编码器二上摆杆图 7倒立摆最优算法图中 encoder1、encoder4、encoder3 分别是 DSP卡电机位置、下摆杆角度和下摆杆角度的正交编码信号处理的模块,WM-DAC1 是 cSPACE 系统的DA 转换模块。编译模块后生成卡的目标代码,运行程序后卡就能传感器的信号,处理这些信号经过得到量,量经过 DA 转换后得到模拟信号,驱动器对模拟信号进行放大后驱动直线电机使摆能保持稳定。4.2. 磁悬浮球系统的图 8 磁悬浮实验系统磁悬浮实验装置由被控对
11、象钢球、电磁铁、LED 平行光源、硅光电池传感器、cSPACE卡以及驱动系统组成,它的原理是采用 LED 平行光源和光电传感器测量被控对象钢球与电磁铁之间的距离变化系统变化的信号并8进行 PID、超前校正等器的运算,得到信号,通过放大器电磁铁绕组中的电流,使之产生与钢球的重力相平衡的电磁力,这样钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。微纳科技的磁悬浮球实验系统采用 cSPACE 快速原型系统开发,具有/Simulink 图形化开发、自动生成可行性代码、参数调节、变量在线观测和自动的功能,使磁悬浮球电控单元的开发和算法的实现变得更加简捷和高效。系统效果直观,富有趣味性,能够很好地培养学生的学习兴趣,
12、是自动、计算机技术、机电等课程很好的实验装置,也是控制理论研究的很好的实验平台。以下为磁悬浮球系统的 PID算法框图:图 9 磁悬浮球实验系统 PID算法4.3. 三容微纳科技三容过程过程实验系统的实验系统是学习和研究过程原理的实验系统 , 由 三 容和 微 纳 科 技 cSPACE系 统 组 成 , 用 户 可 以 在/Simulink 环境下采用 PID 算法对三容的液位、流量进行控制,实验系统还附带有温度实验。9图 10 过程实验系统4.4. 采用磁流变液阻尼器的 1/4 车辆振动实验系统的磁流变液阻尼器是利用磁流变液的流变效应而制作的结构简单、功耗小、可控性强、阻尼力可实时调节的智能型
13、阻尼器。此类阻尼器在机械、汽车以及土木工程等领域的振动方面具有广阔的应用前景。为研究磁流变阻尼器和半主动算法的有效性,采用一套完整的模拟车辆系统试验平台,包括模拟车辆系统、系统、系统和程控电流源等,采用 cSPACE 系统,分别实现 on-off、连续和模糊三种策略,对磁流变减振器进行半主动实验。10图 11 磁流变液阻尼器振动实验平台采用模糊的 cSPACE算法框图如下图所示:11图 12 磁流变液阻尼器模糊图中 ADC 模块为 cSPACE 的 AD 模块,用于算法上质量块(车体)和下质量块(转向架)的速度信号;“A1”和“A3”模块用于对的速度信号进行变换,得到实际的速度信号,用车体的速度信号减去转向架的速度信号得到相对速度信号;“WM-Read1ab”模块用于在计算机上观测车体的速度和车体和转向架之间的相对速度信号;“ifsyst
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