高性能無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字穩(wěn)速控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

李偉忠,姚 勤

(中國(guó)人民解放軍海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室,上海 201109)

0 引言

隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的出現(xiàn)和控制技術(shù)的發(fā)展,用于運(yùn)動(dòng)控制的伺服系統(tǒng)也不斷向全數(shù)字化方向發(fā)展。BLDC電機(jī)因其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn),廣泛用于伺服控制領(lǐng)域[1-6]。但采用傳統(tǒng)比例積分微分(PID)控制器有伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)會(huì)下降,跟蹤性能差的缺點(diǎn),而且當(dāng)存在外干擾信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性會(huì)降低。

本文采取DSP數(shù)字處理器,對(duì)一種實(shí)現(xiàn)基于變參的積分分離PI控制方案的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。

1 設(shè)計(jì)方案

該控制系統(tǒng)是一個(gè)基于速度閉環(huán)數(shù)字式控制系統(tǒng),主要由通信、控制用DSP、信號(hào)隔離、功率放大和信號(hào)整形等電路組成?？刂葡到y(tǒng)原理如圖1所示。

在電路中,電機(jī)位置霍爾信號(hào)經(jīng)濾波整形輸入DSP捕獲端口,DSP捕獲相應(yīng)中斷信號(hào)由內(nèi)部計(jì)數(shù)器分析獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。比較當(dāng)前轉(zhuǎn)速與給定速度信號(hào),得出當(dāng)前轉(zhuǎn)速的靜差值,再通過一定的解算回路計(jì)算輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。PWM信號(hào)經(jīng)過隔離放大,驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 控制系統(tǒng)原理Fig.1 Principleof control system

控制參數(shù)的調(diào)整和電機(jī)換向控制通過DSP軟件控制實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)板有JTAG在線程序上傳調(diào)試接口,實(shí)現(xiàn)控制軟件下載固化。在控制電路設(shè)計(jì)過程中,采用軟件的參數(shù)實(shí)現(xiàn)方式,通過高效率的集成功放,可大幅提高系統(tǒng)的性能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)原理

數(shù)字控制器是實(shí)現(xiàn)無(wú)刷穩(wěn)速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路速度閉環(huán)的關(guān)鍵部件,其主要任務(wù)是捕獲BLDC電機(jī)的霍爾信號(hào)獲得當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)以控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)換相,同時(shí)根據(jù)捕獲信號(hào)的時(shí)間差值可計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,將獲得的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度值與標(biāo)稱值進(jìn)行比較,由穩(wěn)速閉環(huán)的控制律給出控制所需的PWM信號(hào),經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路功率放大后產(chǎn)生推動(dòng)電機(jī)所需電流。

硬件電路中數(shù)字控制器采用TI公司的TMS320F2812(DSP)芯片,其中PWM信號(hào)周期由DSP編程產(chǎn)生。由設(shè)計(jì)原理分析可知：PWM周期需大于回路信號(hào)的響應(yīng)頻率,使電機(jī)不響應(yīng)脈動(dòng)電壓,故頻率越高就越接近線性控制。但綜合考慮控制器運(yùn)算周期、光耦器件與功率器件開關(guān)特性,取PWM載波周期40 k Hz,可滿足驅(qū)動(dòng)電路高性能要求。

2.1 通信電路

通信電路監(jiān)測(cè)CAN總線的差分電平信號(hào),將其轉(zhuǎn)為與DSP兼容的TTL信號(hào),由DSP自帶CAN協(xié)議處理模塊分析提取數(shù)據(jù)。通信電路原理如圖2所示。

圖2 通信電路Fig.2 Circuit of communication

2.2 控制DSP電路

數(shù)字控制DSP處理電路是數(shù)控驅(qū)動(dòng)電路的核心處理部分,DSP采用TI公司TMS320F2812處理器,有12位的AD采樣器16路和事件管理器2個(gè),每個(gè)事件管理器可產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)1個(gè)直流電機(jī)所需的16位PWM信號(hào)。因此1個(gè)DSP芯片可控制2個(gè)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器控制DSP電路接收CAN總線信號(hào),根據(jù)協(xié)議處理給出當(dāng)前穩(wěn)速系統(tǒng)速度信號(hào)。另從捕獲口采樣電機(jī)霍爾信號(hào),算得當(dāng)前電機(jī)速度信號(hào)。通過內(nèi)部軟件處理,輸出電機(jī)控制所需PWM信號(hào)。

2.3 信號(hào)隔離電路

信號(hào)隔離電路的功能主要是隔離控制器電源與功率端電源,并進(jìn)一步放大PWM信號(hào),推動(dòng)功率管工作,獲得電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流。隔離電路使用6路光耦器件,可同時(shí)傳輸三相橋所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)1個(gè)?？紤]DSP的驅(qū)動(dòng)能力有限,輸出信號(hào)通過54LS245器件驅(qū)動(dòng)光耦。光耦輸出級(jí)使用反向器進(jìn)行信號(hào)反向,同時(shí)對(duì)光耦的跳變邊沿信號(hào)進(jìn)行整形,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。其電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)隔離電路Fig.3 Signal isolation circuit

2.4 功率放大電路

功率放大電路將PWM信號(hào)放大,驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn),其原理如圖4所示。

2.5 信號(hào)整形電路

被驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)與位置反饋信號(hào)用同一電纜傳輸,易引起信號(hào)干擾。信號(hào)整形電路將對(duì)位置反饋信號(hào)進(jìn)行濾波整形,其原理如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

DSP的軟件編程以C語(yǔ)言為主并輔以適當(dāng)?shù)膮R編語(yǔ)言。通過捕獲單元的捕獲信息計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速并與通過CAN總線獲取期望轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較,獲得轉(zhuǎn)速偏差,由控制算法進(jìn)行解算,輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

圖4 功率驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Power drive circuit

圖5 信號(hào)整形電路Fig.5 Signal modulation circuit

驅(qū)動(dòng)電路控制軟件由主體控制、霍爾捕獲與轉(zhuǎn)速計(jì)算、事件管理驅(qū)動(dòng)和控制律解算模塊組成,如圖6所示。

圖6 軟件結(jié)構(gòu)Fig.6 Softwarestructure

4 控制算法與仿真結(jié)果

傳統(tǒng)型穩(wěn)速控制系統(tǒng)由于控制算法簡(jiǎn)單固定,控制參數(shù)調(diào)整范圍較小,當(dāng)外界條件不斷變化時(shí)難以實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)速控制,且在惡劣的力學(xué)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差,會(huì)出現(xiàn)多次超調(diào)振蕩,嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。采用DSP數(shù)字式控制實(shí)現(xiàn)的高性能BLDC穩(wěn)速控制系統(tǒng),利用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用處理DSP芯片F(xiàn)2812,整個(gè)系統(tǒng)的速度控制快且穩(wěn),可實(shí)現(xiàn)高精度高動(dòng)態(tài)控制。

控制系統(tǒng)采用DSP控制器,使驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)速控制回路算法實(shí)現(xiàn)有較大的靈活性。因整個(gè)系統(tǒng)為速度控制系統(tǒng),對(duì)快速性和穩(wěn)態(tài)精度均有高要求,故可采用PI算法進(jìn)行控制,通過比例項(xiàng)提高系統(tǒng)快速性,積分項(xiàng)保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。但在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器中,積分項(xiàng)雖可消除靜差,但當(dāng)有較大擾動(dòng)或輸入量大幅變化時(shí),由于系統(tǒng)的慣性和滯后,在其作用下,常會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。因此,為改善控制系統(tǒng)的性能,須改進(jìn)積分項(xiàng),本文采用積分分離、抗積分飽和與增益變參技術(shù)。

a)積分分離

積分分離控制的要點(diǎn)是：當(dāng)被控制量與設(shè)定值偏差較大時(shí),取消積分作用以避免因積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低,超調(diào)量增大;當(dāng)被控制量接近給定值時(shí),引入積分項(xiàng)以消除靜差,提高控制精度。有

式中：u(k)為控制器輸出的控制量;Kp為比例增益系數(shù);T為系統(tǒng)的采樣周期;Ti為積分時(shí)間常數(shù);e為偏差;k為采樣數(shù);β為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù),且

此處：E為e(k)的門限值(即積分分離值)。實(shí)際使用中,E應(yīng)根據(jù)具體要求確定。E值過大,無(wú)法實(shí)現(xiàn)積分分離;E值過小,一旦被控量無(wú)法跳出積分分離區(qū),僅進(jìn)行比例調(diào)節(jié),將會(huì)出現(xiàn)靜差。

b)抗積分飽和

如執(zhí)行機(jī)構(gòu)已達(dá)極限狀態(tài),仍不能消除偏差時(shí),由于積分作用,盡管計(jì)算PI差分方程式所得結(jié)果繼續(xù)增大或減小,而執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無(wú)相應(yīng)的動(dòng)作,此為積分飽和。當(dāng)出現(xiàn)積分飽和時(shí),必然引起超調(diào)量增大,控制品質(zhì)變變差。本文用有效偏差法和積分分離可對(duì)運(yùn)算出的控制量u(k)進(jìn)行限幅,即

c)增益變參

為提高系統(tǒng)快速性和保證穩(wěn)定性,對(duì)PI控制器中的增益比例項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)參。

采用以上控制算法,可得仿真結(jié)果如圖7(a)所示。由圖可知：上升時(shí)間tr=0.139 5 s,超調(diào)量0%,靜差0 r/min,采用以上控制算法,系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性較佳。為檢驗(yàn)系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性,在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速16 500 r/min時(shí),加入速度干擾1 500 r/min,仿真響應(yīng)如圖7(b)所示。由圖可知：在時(shí)間60 ms內(nèi),系統(tǒng)能恢復(fù)至要求的轉(zhuǎn)速(16 500±165)r/min范圍內(nèi),魯棒性良好。

圖7 穩(wěn)速控制仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of steady speed control

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)數(shù)字與模擬兩種PID控制方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。加電起轉(zhuǎn)后的速度響應(yīng)如圖8所示。由圖可知：起動(dòng)過程中,數(shù)字PID控制電路的電機(jī)起動(dòng)過程較快較穩(wěn),無(wú)振蕩超調(diào)過程。起動(dòng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)精度較好,滿足設(shè)計(jì)要求。具體結(jié)果見表1。

表1 不同控制類型速度響應(yīng)Tab.1 Speed respond of different types of control

圖8 不同控制類型速度曲線響應(yīng)Fig.8 Speed response of different types of control

系統(tǒng)剎車試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖可知：剎車后電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降約11 r/s,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速264 r/s,恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)速度的時(shí)間約60 ms,無(wú)超調(diào)和振蕩,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 剎車試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimentation reslut of brake

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行峰值加速度為100g的沖擊試驗(yàn),結(jié)果如圖10所示(此處g為重力加速度)。由圖可知：沖擊過程中,數(shù)字式產(chǎn)品所受影響較小,下降速度快,恢復(fù)過程快而穩(wěn),具體結(jié)果見表2所示。

表2 不同控制類型沖擊響應(yīng)Tab.2 Impact response of different types of control

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于DSP控制電路對(duì)BLDC電機(jī)數(shù)字穩(wěn)速控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)PI控制器進(jìn)行了改進(jìn)。用電機(jī)控制專用處理器DSP TMS320F2812芯片,由捕獲采集電機(jī)霍爾位置信號(hào),在DSP內(nèi)部計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速,解算得電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào),完成電機(jī)的速度伺服控制。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用數(shù)字分離PI控制的系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能較佳,提高了控制精度,增加了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中工作的可靠性,使系統(tǒng)有較強(qiáng)的魯棒性。

圖10 沖擊速度Fig.10 Speed of impact

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