直流电机神经元PID调速系统设计与仿真

直流电机神经元PID调速系统设计与仿真

夏俊保

（南京钢铁集团特钢事业部棒材厂江苏南京210044）

摘要：对于传统ＰＩ双闭环直流电机调速体系存在呼应速度慢、超调量大、抗干扰才能及自适应才能差等问题，提出了一种双闭环直流电机调速体系的神经元PID转速调理器规划办法。该转速调理器选用神经元操控器和份额操控相结合进行规划，然后构成了一种具有自学习、自适应才能的神经元PID控制器，然后与传统单神经元PID规划的转速调理器操控作用进行了比照。结果表明，依据神经元PID转速调理器的双闭环直流电机调速体系具有较快的呼应速度、杰出的动态和静态稳定性、较强的自适应才能和抗干扰才能。

关键词：直流电机；神经元PID；调速体系规划；仿真

1体系规划计划

该直流电机调速体系的构造，全部体系是一个闭环构造，硬件构造包含：单片机、直流电机、编码器，软件算法上首要运用PID算法。单片机AT91SAM7X18输出的PWM信号操控电机的速度和转向；编码器与直流电机衔接，不断收集电机转速，并转换成两列相位相差90°的脉冲序列供单片机采样。单片机选用捕捉计数功用收集脉冲序列，核算电机的转速，以此作为反应参数供PID核算，最终输出PWM信号；一起单片机依据这两个脉冲序列的超前与滞后联系判别电机是正转或回转。硬件电路的规划首要介绍电机驱动电路。

2原理

2.1PWM原理

脉宽调制（PWM）即是操控逆变电路开关器材的通断，在输出波形的半个周期中发生多个滑润且低次谐波少的脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形。按必定规矩对各脉冲的宽度进行调制，即可改动输出电压的大小和频率。

2.2编码器原理

光电编码器，是一种经过光电转换将输出轴上的机械几许位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

在本体系中，运用的是增量式编码器。它是直接运用光电转换原理输出3组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90°，然后可方便地判别出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。

2.3PID原理

PID操控，即份额、积分、微分操控。份额操控：操控器的输出与输入差错信号成份额联系，当仅有份额操控时体系输出存在稳态差错。积分操控：操控器的输出与输入差错信号的积分成正比联系。跟着时刻的添加，积分项会增大，它推进操控器的输出增大使稳态差错进一步减小，直到等于零。

3仿真分析

神经元PID转速调理器参数设置如下：份额系数

Ｋｐ＝0.015，积分系数Ｋｉ＝0.001，微分系数Ｋｄ＝0.1，神经元份额增益Ｋ＝100，神经元初始权值ｗ1（0）＝ｗ2（0）＝0.1，神经元学习率η1＝η2＝10。单神经元PID转速调理器参数设置如下：神经元份额增益Ｋ＝0．5，神经元初始权值ｗ1（0）＝ｗ2（0）＝ｗ3（0）＝0．1，神经元学习率η1＝0．６，η2＝0．1，η3＝0．9。直流电机参数设置为：额定电压ＵＮ＝2４0Ｖ，励磁电压Ｕｆ＝2４0Ｖ，电枢电阻Ｒａ＝0．5Ω，电枢电感Ｌａ＝0．01Ｈ，励磁电阻Ｒｆ＝2４0Ω，励磁电感Ｌｆ＝0，滚动惯量Ｊ＝0．05ｋｇ•ｍ2。滞环电流调理器宽度设为2，直流斩波器直流电源为2８0Ｖ，直流斩波器电感Ｌｓ＝0．01Ｈ。仿真景象1：参阅转速ωｒｅｆ＝120ｒａｄ／ｓ，直流电机起动时负载转矩为5Ｎ•ｍ，在0.6ｓ时负载转矩由5Ｎ•ｍ突增到25Ｎ•ｍ。

4PID参数整定

4.1PID参数整定计划

PID参数是经过凑试法进行整定，先选用经历参数，调查电机运转作用，即调查电机的实践转速曲线，故依据示波器原理运用PC端软件实时改写转速曲线；再依据实践作用进行参数调整，直至得到满足的PID参数。该构造由PC端上位机、MCU及其外围电路、电机、编码器4有些构成。其间上位机与MCU经过串口进行通讯，MCU经过PWM波操控电机转速，一起用过A/D采样有些实时收集电机转速，并将这些数据守时发送给上位机显现。

进行PID参数调理时，选用如下过程：（1）先去掉积分项和微分项，由0逐步加大P，获得临界振动状况，设定P为当时值的60%-70%；（2）P断定后，设定一个较大的Ti，再逐步减小，获取临界振动状况的Ti，设定Ti为当时值的150%～180%。该整定计划的关键在于，PC端软件画出精确的电机转速曲线。

4.2上位机的编写

依据规划计划，PC端软件应包含以下3个模块：串口通讯模块，首要完结串口参数的设置，数据发送与接纳；曲线制作模块，依据接纳到的采样数据制作速度与时刻的二维坐标图；参数设置模块，用于设置指令中的参数，如电机速度、PI参数等。

4.2.1串口通讯模块

C#中，串口通讯仅选用SerialPort控件即可。首要装备好串口的5个参数：端口号、波特率、停止位、校验位、数据位。在装备端口号时，若每次都检查所用的端口号，会很费事，因而选用主动获取端口号的办法：Foreach（stringcominSystem.IO.Ports．Serial-Port.GetPortNames（））this.comboBoxPortName.Items.Add（com）；comboB-oxPortName.SelectedIndex=comindex；comindex+=1；serialport．PortName=comboBoxPort.Text；串口的翻开与封闭则较为简略，运用serial-port.Open（）和serialport.Close（）两个函数即可，serial-port.IsOpen（）办法用于判别串口是不是翻开。Serial类调用重载的Write办法发送数据，将数据写入串口输出缓冲区；接纳数据则选用DataＲeceived事情，只要输入缓冲区的数据个数到达ＲeceivedBytes-Threshold的设定值，该事情便会主动触发，经过serial-port.Ｒead（）函数将数据读出，进行后续处理。

4.2.2曲线制作模块

在C#中，进行图形程序编写时用到的是GDI+（图形设备接口）。Graphics类封装一个GDI+绘图图面，画图办法都被包含在其间。绘图程序通常分为两个过程：创立Graphics目标；运用Graphics目标的办法绘图、显现文本或处理图画。在.NET中，GDI+的一切绘图功用都包含在Sys-tem.Drawing.Text、System.Drawing、System.Drawing．Darwing2D等命名空间中，因而要先引证相应的命名空间。

结束语

这篇文章选用神经元PID操控和单神经元PID操控别离规划了双闭环直流电机调速体系的转速调理器，并进行了负载转矩突变和参阅转速改变的比照仿真。仿真结果表明，依据神经元PID转速调理器的双闭环直流电机调速体系呼应速度快，动态和静态调理作用优胜，操控器具有较强的抗干扰才能和自适应才能，操控器构造和算法简略易完成，在工程实践中具有较好的使用前景。

参考文献：

［1］缪仲翠，党建武，张鑫，等．ＰＳＯ优化分数阶ＰＩλ控制的双闭环直流调速控制［Ｊ］．计算机工程与应用，2015，51（7）：252－257．

［2］沈凤龙．基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＫ的双闭环直流调速系统仿真［Ｊ］．辽东学院学报，2010，17（1）：41－44．