多軸永磁無刷直流電機運動控制系統(tǒng)的研制

山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院（濟南250061） 高芳紅 劉錦波

1 引言

運動控制系統(tǒng)作為先進制造領(lǐng)域內(nèi)計算機數(shù)控技術(shù)（CNC）中的一個核心組成部分正在發(fā)揮著越來越重要的作用。無論是在工業(yè)機器人、精密加工還是在塑料機械、化工、軋鋼等領(lǐng)域到處都能看到運動控制系統(tǒng)的使用。同時人們對運動控制系統(tǒng)的性能指標也提出了更高要求。除PID以及基于極點配置的線性控制策略外，各類新型非線性控制策略的提出也為滿足這一要求提供了發(fā)展空間[1][2]。高性能的DSP、FPGA以及各類新型高速電力電子器件和PWM技術(shù)的出現(xiàn)為這些控制策略的實時實現(xiàn)提供了可能[6]。

本文對由永磁無刷直流電機 （BLDC）組成的多軸運動控制系統(tǒng)進行了研究。傳統(tǒng)的多軸運動控制系統(tǒng)多采用多個運動控制系統(tǒng)組合組成。這種結(jié)構(gòu)體積較大、接線復(fù)雜、從而帶來設(shè)備的可靠性降低。為此，本文提出了一種新的多軸運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其每臺電機是通過同一DSP控制的，多臺逆變器便于集中。除此之外，多軸運動控制系統(tǒng)的編碼器以及BLDC電機的霍爾元件也由該DSP統(tǒng)一處理，因而大大簡化了結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)接線，提高了系統(tǒng)的可靠性。這種結(jié)構(gòu)的多軸運動控制系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于多軸小型設(shè)備如視頻檢測機、小型機器人等。

2 多軸永磁BLDC電機的運動控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 單軸永磁BLDC驅(qū)動系統(tǒng)的組成、調(diào)速原理與機械特性

圖1為單軸永磁BLDC電機的系統(tǒng)組成框圖。圖1中逆變器采用“導(dǎo)通型”開關(guān)規(guī)律，通過對逆變器中的三只共射極的IGBT開關(guān)管進行PWM控制，實現(xiàn)永磁BLDC電機的調(diào)壓調(diào)速。其相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)機械特性可以用下式表示為：

根據(jù)（1）式繪出直線永磁BLDC電機的機械特性如圖2所示[1]。

由圖2可見，通過改變PWM的占空比 !調(diào)節(jié)電樞電壓的平均值便可以實現(xiàn)對永磁BLDC電機的速度調(diào)節(jié)。

2.2 單軸永磁BLDC電機運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成

單軸永磁BLDC電機的運動控制系統(tǒng)如圖3所示。圖中，轉(zhuǎn)子的位置信息由安裝在轉(zhuǎn)軸上的編碼器測量獲得。為了提高精度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的信息則通過瞬時速度觀測器計算獲得（具體設(shè)計方法見3.2節(jié)）。轉(zhuǎn)子的位置信息與轉(zhuǎn)速的反饋信息一起，分別與位置和轉(zhuǎn)速的給定指令作差后通過控制算法處理獲得電樞電流的參考值。

上述電樞電流的參考值與實際電樞電流作差，經(jīng)電流PI控制器調(diào)節(jié)輸出，獲得電樞電壓的控制量大小。然后，通過PWM改變占空比達到調(diào)壓調(diào)速的目的。

2.3 多軸永磁BLDC電機運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成

利用圖3組成的單軸運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便可獲得多軸永磁BLDC電機組成的運動控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4中，采用單一DSP控制三臺永磁BLDC電機。每一臺BLDC電機的位置與轉(zhuǎn)速的控制算法以及結(jié)構(gòu)均與圖3相同。圖中，由上位機PC機實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的人機界面交互以及運動控制系統(tǒng)控制參數(shù)的修改、狀態(tài)信息的獲得以及故障指示等功能。而具體實時運算、狀態(tài)量的檢測與處理、故障處理PWM脈寬信號的調(diào)整則完全由下位機DSP完成。上位機PC與下位機DSP之間的通訊則通過RS232串口或CAN總線實現(xiàn)。

3 多軸永磁BLDC電機運動控制系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇AD公司的DSP（型號為ADSP2181）作為主微處理器（外部時鐘頻率為33MHZ）和XLINX公司的FPGA（型號為XC5204）配合完成運動控制系統(tǒng)的所有運算。通過FLASH實現(xiàn)FPGA配置程序和運行程序的存儲。圖5、圖6分別給出了運動控制板和驅(qū)動板的原理框圖。其中，原理圖的設(shè)計采用美國PADS軟件公司的POWERLOGIC完成。充分利用其與PCB設(shè)計的OLE（對象連接嵌入）技術(shù)，實現(xiàn)原理圖與PCB圖之間的相互發(fā)送和接受，從而給設(shè)計帶來很大的方便。FPGA的設(shè)計則采用原理圖的輸入形式（也可以采用VHDL編程的輸入方式）。利用XILINX公司的Foundation Series實現(xiàn)FPGA的配制。

3.1 單軸運動控制策略的設(shè)計

3.1.1 位置與速度環(huán)控制策略的設(shè)計

位置與速度控制器采用PID控制，其輸出可表示為：

其中，!ref為加速度的參考值。根據(jù)上式得單軸永磁BLDC電機運動控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

3.1.2 電流環(huán)控制策略的設(shè)計

電流內(nèi)環(huán)采用PI控制器。PI控制器在s域內(nèi)可表示為：

其中，Y表示PWM電壓。X表示電流偏差。

其相應(yīng)的差分方程為：

3.2 運動控制系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計

采用VC++6.0設(shè)計人機用戶界面，該用戶界面主要完成任務(wù)大致分為如下幾類：

（1）運動控制系統(tǒng)參數(shù)的修改：包括PMSM參數(shù)、負載的參數(shù)以及控制參數(shù)的修改；

（2）系統(tǒng)狀態(tài)量（位置、速度、加速度、電流等）的測量以及響應(yīng)曲線；

（3）極限參數(shù)的設(shè)定：最大電流、最大轉(zhuǎn)速、最大加速度等的設(shè)定；

（4）編碼器及HALL元件信息的設(shè)定和測量；

（5）運行控制等；

（6）故障診斷。

3.3 運動控制系統(tǒng)軟件的基本設(shè)計思想

控制系統(tǒng)的主要運行軟件主要包括二個模塊：初始化模塊和中斷模塊?，F(xiàn)分別介紹如下：

3.3.1 初始化模塊的設(shè)計

DSP復(fù)位后，初始化模塊執(zhí)行下列任務(wù)：

DSP設(shè)置：內(nèi)核設(shè)置，看門狗，各類時鐘程序，通用I/O程序，事件管理程序；

（1）變量初始化：主要是缺省變量的初始化；

（2）中斷服務(wù)程序的選擇和使能；

（3）循環(huán)等待：循環(huán)等待涉及到DSP和PC機人機界面的通訊。而DSP和PC機的通訊具體實現(xiàn)是借助于單片機PIC16C69的橋梁作用來完成的，即通過PC機的串行口（COM）和PIC的串口實現(xiàn)人機界面與DSP用戶板的通訊，確保用戶通過RS232連接更新變量及標志。然后利用DSP的并行異步通訊口實現(xiàn)與PIC的并口通訊，確保由PC機人機界面下載修改參數(shù)時，不影響DSP主程序的執(zhí)行。

3.3.2 接口模塊的設(shè)計

接口模塊是低級程序，它將現(xiàn)實數(shù)據(jù)變換為適當?shù)臄?shù)據(jù)形式。這些模塊包括：

（1）電流檢測和定標；

（2）機械位置的檢測和定標；

（3）電氣位置的定標和機械速度的計算與定標。

（4）控制策略設(shè)計模塊

鑒于篇幅，本文就不再贅述。

4 樣機的實驗結(jié)果與討論

圖8～圖12分別給出了該裝置的實驗結(jié)果。圖8給出了正、反轉(zhuǎn)運行時平均電樞電流的給定值與實際值隨時間的變化曲線。圖9、圖10分別為單軸重復(fù)運動和階躍響應(yīng)時的位置偏差曲線。圖11分別為單軸運動時位置階躍響應(yīng)時的響應(yīng)曲線。圖12為BLDC電機的階躍響應(yīng)曲線比較。

經(jīng)過反復(fù)實驗證明：本運動系統(tǒng)具有較好的性能，其最大速度為125，000 Counts/s（即最高轉(zhuǎn)速為7500r/m），其最大加速度為4，000，000 Counts/s2（即最大加速度為4000r/s2）?？紤]到絲杠的螺距為3.6mm/r，故系統(tǒng)的最大速度為400mm/s，最大加速度為14.4m/s2。上述實驗結(jié)果很好地反映了所設(shè)計控制器的收斂性和系統(tǒng)良好的動靜態(tài)性能。

5 結(jié)論

本文基于DSP和FPGA實現(xiàn)了一套三軸交流運動控制系統(tǒng)，并將該運動系統(tǒng)成功地應(yīng)用于視頻檢測機系統(tǒng)中。本章對該三軸運動系統(tǒng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計、系統(tǒng)的用戶界面到系統(tǒng)軟件的設(shè)計思想均作了詳細地闡述。本章的最后對實驗裝置和實驗結(jié)果進行了介紹。實驗結(jié)果很好地驗證了所設(shè)計方案的有效性和可行性。

[1]J.Slotine,W.Li,Applied Non linear Control,Englewood Cliff,NJ Prentice Hall,1991

[2]D.M.Dawson,J.Hu,T.C.Burg,Nonlinear Control of Electric Machinery,Marcel Dekker,Inc.,1998

[3]Joachim Holtz,Pulse width modulation for Electronic Power Conversion,proceeding of IEEE,1994,82（8）:1194－1214

[4]劉錦波，張承慧，電機與拖動[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.08

[5]John Chiasson,Modeling and high-performance control of electric machine,John Wiley&Sons,Inc.,2005

[6]R.Dybey,P.Agarwal,M.K.Vasantha,“FPGA based PMAC motor control for system-on-chip applications”,Proceeding of International Conference on Power Electronics Systems and Applications,pp:194－200,Nov2004