基于神经网络和DSP-TMSF2812的风力摆伺服控制系统设计

发布时间：2020-01-29 19:16

【摘要】：现今,国内使用于风力摆上的伺服控制器多为简单的PID控制且核心处理器大多为MCU。鉴于MCU的数据处理能力欠佳、数据运算速度慢,灵活性不足等诸多局限,难以满足风力摆的功能要求和精确控制等因素,设计以32位浮点DSP-TMSF2812@150 MHz为核心的高精度风力摆伺服控制系统,包含三维陀螺仪加速度计传感器集成模块MPU-6050、LED显示屏、人机交互系统及万向节结构等组成闭环控制系统,采用陀螺仪经姿态解算为控制系统提供神经网络PID精确控制的风机转速数据和脉冲宽度调试技术控制大电流驱动芯片BTN7971,精确控制直流风机的转速、方向、启停等诸多工况,实现对激光笔位置的精确控制,具有仅以直流风机为动力控制下快速起摆、画线、恢复静止的功能,并能准确画圆,且受风力影响后能够快速恢复画圆状态,具有很好的鲁棒性。实验结果表明:该神经网络风力摆伺服控制系统具有控制精度高、灵活性好、实时性好等优点。
【图文】：

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工业、航天飞行器、机器人行走控制中都有着很重要的研究意义，如行走过程中的平衡控制、人造卫星在空中的姿态控制和飞行器发射中的垂直度控制等，具有很高的研究价值和使用意义［1－2］。1风力摆伺服控制系统概述风力摆伺服控制系统，它以DSP数字信号处理器TMS320-F2812作为核心，用陀螺仪、电机驱动模块、风机及万向节结构等搭建伺服风力摆控制系统，F2812处理器通过基于神经网络PID控制算法的电机控制模块精确控制4个风机的转速，使风力摆按照一定规律运动，同时让激光笔在地面画出所要求的运动轨迹(原理如图1所示)，同时系统采用三维角度陀螺仪传感器MPU-6050反馈模块实时监控检测风力摆的姿态。图1风立摆原理示意图设计的系统利用PWM脉冲宽度调控技术通过电机驱动模块更好地去驱动电机，这样可以十分有效地对4个风机的转速、方向以及加速度等进行适合的调控，可以精确控制风机的状态，同时设计的这个风力摆系统精确控制并实现了在直流电机提供动力的情况下画直线，进行摆动和静止以及画圆或椭圆，并能准确画出各种想要的图形，同时希望它在受外力扰动影响下，也可以实现自己想要的运动。风力摆风机控制是风力摆整个系统中最重要的控制环节［3］，它以TI公司TMS320F2812DSP伺服控制器为核心，通过先进神经网络PID控制算法，由三维角速度陀螺仪加速度计模块MPU-6050对风力摆三维运动状态的数字信号进行采集、计算，得出相应的输出值，输出到风机控制回路参与风力摆姿态控制。图2为风力摆伺服控制系统框图。图2风力摆伺服控制系统原理图2伺服控制系统关键硬件设计2.1总体结构设计此系统以TMS320F2812为主控制芯片，片上集成丰富的片内、外设资源。在设计时充分利用主控制芯片32位浮点进行数字信号处理，主

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飧龇缌?摆系统精确控制并实现了在直流电机提供动力的情况下画直线，进行摆动和静止以及画圆或椭圆，并能准确画出各种想要的图形，同时希望它在受外力扰动影响下，也可以实现自己想要的运动。风力摆风机控制是风力摆整个系统中最重要的控制环节［3］，它以TI公司TMS320F2812DSP伺服控制器为核心，通过先进神经网络PID控制算法，由三维角速度陀螺仪加速度计模块MPU-6050对风力摆三维运动状态的数字信号进行采集、计算，得出相应的输出值，输出到风机控制回路参与风力摆姿态控制。图2为风力摆伺服控制系统框图。图2风力摆伺服控制系统原理图2伺服控制系统关键硬件设计2.1总体结构设计此系统以TMS320F2812为主控制芯片，片上集成丰富的片内、外设资源。在设计时充分利用主控制芯片32位浮点进行数字信号处理，主频150MHz，，处理性能高达150MPIS。根据设计实际需要各部分所实现的功能，将控制系统大体分四大部分:主控制器部分、陀螺仪加速度计调理模块、电源OLED模块和键盘输入报警模块部分，控制器的总体硬件结构见图3。图3DSP伺服控制器基本结构框图此系统通过键盘来进行功能切换修改参数，通过接受MPU-6050传回的姿态数据，闭环控制风机的输出，达到对风力摆的控制，完成指定任务后报警模块提示任务的结束。外部接有OLED显示屏，以便用户去读取重要数据［4－5］。2.2电源调理部分设计由于主控制器DSP芯片需要DC1.8V内核供电、DC3.3V的I/O外部电压、DC3.3V内部Flash电压，同时外设调理电路所需的5V、±15V等供电电压，加之控制系统承担大量数据运算［4］等，因此必须有良好的电源供电调理电路设计。综合各项指标，此系统选取TI公司芯片TPS767D318双路稳压芯片，分别输出可调至DC3.3V供I/O电源和可调至DC1.8V内

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