ARM平臺的矢量和PID交流電機(jī)控制系統(tǒng)①

于 李 ,張 莉 ,郭 彬 ,劉兆峰 ,白洪超

1(讓東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,濟(jì)南 250101)2(讓東天元安裝工程有限公司,濟(jì)南 250101)3(濟(jì)南市拆遷服務(wù)公司,濟(jì)南 250101)4(讓東艾諾儀器有限公司,濟(jì)南 250101)

ARM平臺的矢量和PID交流電機(jī)控制系統(tǒng)①

于 李1,張 莉2,郭 彬3,劉兆峰1,白洪超4

1(讓東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,濟(jì)南 250101)2(讓東天元安裝工程有限公司,濟(jì)南 250101)3(濟(jì)南市拆遷服務(wù)公司,濟(jì)南 250101)4(讓東艾諾儀器有限公司,濟(jì)南 250101)

交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、容易控制等等特點(diǎn),在許多場合中逐步取代直流電機(jī),成為電機(jī)使用者的首選,但是交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜,在使用上很難達(dá)到和直流電機(jī)相媲美.文章設(shè)計(jì)一套基于ARM平臺的矢量控制和PID算法的交流電機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的精確的控制.系統(tǒng)分為硬件、軟件、和上位機(jī)界面三部分,硬件電路包括電流采集電流和IGBT電路,軟件部分采用C語言開發(fā),使用KEI MDK軟件開發(fā)工具編程,上位機(jī)采用LabVIEW軟件編寫測試界面,運(yùn)行PID程序,最終開發(fā)出一套用于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)控制.

交流電機(jī); ARM 芯片; 矢量控制; PID 算法

從電機(jī)被發(fā)明制造出來以后,電機(jī)在各個(gè)行業(yè)發(fā)揮了重要作用,電機(jī)主要是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)由于容易控制穩(wěn)定性好被廣泛的應(yīng)用.在應(yīng)用上分為直流電機(jī)和交流電機(jī),直流電機(jī)最早在電機(jī)領(lǐng)域占據(jù)絕對優(yōu)勢,在車床牽引、礦井卷揚(yáng)機(jī)、城市列車、船泊動(dòng)力等等各個(gè)方面都有應(yīng)用.但是直流電機(jī)存在明顯的缺點(diǎn),首先直流電機(jī)在生產(chǎn)的時(shí)候工藝復(fù)雜,原材料的成本貴; 自身的結(jié)構(gòu)電刷和換向器在電機(jī)使用的時(shí)候容易損壞,后期對電機(jī)的維護(hù)麻煩,直流電機(jī)現(xiàn)在應(yīng)用的領(lǐng)域只局限在調(diào)速性能要求不嚴(yán)的地方.交流電機(jī)逐漸取代直流電機(jī)在電機(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域中的地位,交流電機(jī)生產(chǎn)工藝簡單、在使用的環(huán)境中抗干擾能力強(qiáng)、制造成本低、后期的維護(hù)簡單.但是后者的控制起來比前者更加復(fù)雜,一直無法應(yīng)用到重要行業(yè)中.在交流電機(jī)的使用過程中,針對交流電機(jī)的調(diào)速問題,嘗試了多種方法,但是效果不明顯,制約著交流電機(jī)的使用范圍.

文中將采用矢量控制和PID相結(jié)合的方式對其調(diào)速,能夠取得良好的效果.

1 矢量控制技術(shù)

實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的控制方法有很多,最有效的方法是變頻調(diào)速,但是由于交流電機(jī)內(nèi)部存在偶爾效應(yīng),要實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的調(diào)速必須建立感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型,矢量控制是使用在動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型調(diào)速最多的一種技術(shù).該技術(shù)在電子和電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上,被嘗試應(yīng)用到交流電機(jī)控制領(lǐng)域上.技術(shù)的基本思想把利用算法把交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成類似直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了類似直流電機(jī)化控制[3].

矢量控制主要用到3/2轉(zhuǎn)換和同步旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換,交流電機(jī)的定子電流 ia、ib、ic,通過三相-兩相變換,將其等效看作兩相坐標(biāo)交流ia1和ib1,在經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)變換,等效成直流電流Id和Iq,把定子電流分解it電樞轉(zhuǎn)矩和im勵(lì)磁電流矢量,分別控制大小和方向,模仿控制直流調(diào)速技術(shù),然后就可以像控制直流電機(jī)那樣控制交流電機(jī)了[1].圖1中的3/2表示三相-兩相變換、VR表示同步旋轉(zhuǎn)變換,交流電機(jī)坐標(biāo)變換如圖1所示.

圖1 矢量控制交流電機(jī)坐標(biāo)變換圖

2 交流電機(jī) PID 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心芯片電路

在硬件電路設(shè)計(jì)中,核心芯片需要具有強(qiáng)大的運(yùn)算和處理數(shù)據(jù)的功能,來完成復(fù)雜的算法,選用ARM公司生產(chǎn)的STM32F103RET6芯片,用芯片內(nèi)部的高級定時(shí)器產(chǎn)生PWM脈沖波,然后通過逆變驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)交流電機(jī),交流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后,通過電流采集電路采集三相電流通過A/D通道,傳輸?shù)紸RM芯片中,電路中STM32F103RET6芯片運(yùn)行已經(jīng)編寫好的PID算法程序,來控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,并將交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和PID參數(shù)上傳到上位機(jī)界面[6],交流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.

圖2 交流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 電流采集電路

PID算法控制最終是對電機(jī)的三相電流進(jìn)行控制,這里采集三相電流中的兩相 Current A 和 Current B.采集到的電流,經(jīng)過LMV358芯片進(jìn)行放大,送到SS495A芯片中,然后傳輸?shù)絊TM32F103RET6芯片的A/D采集通道,送到ARM內(nèi)部,通過內(nèi)部PID算法對采集到電流進(jìn)行控制.電路中使用SS495A芯片,它是霍爾元件的一種,芯片的輸出與電源電壓的成比例,與磁場的強(qiáng)度成正比.它的測量準(zhǔn)確度高、溫度上下限大,在測試電流電路中應(yīng)用廣泛.LMV358芯片是集成運(yùn)算放大器,芯片內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益雙運(yùn)算放大器,這里對檢測的交流電流信號進(jìn)行放大,適合在單電源或者雙電源工作.

2.3 逆變驅(qū)動(dòng)電路

為了擴(kuò)大和方便其使用環(huán)境,文中這里設(shè)計(jì)采用蓄電池供電,通過電路變換成交流,這里截取三相輸出的一相電路圖U0,其余兩相V0、W0電路完全一樣.電路采用高功率模塊IR2106S,IR2106S輸出最高可達(dá)600 V的直流電壓,通過IGBT的接通和關(guān)斷,輸出交流提供給電機(jī)使用.

圖3 電流檢測電路

圖4 逆變驅(qū)動(dòng)電路

2.4 PID上位機(jī)界面

PID算法主要通過各個(gè)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)試湊,可以快速得到結(jié)果,這里通過 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境這款上位機(jī)軟件,編寫上位機(jī)的界面,實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算的功能.LabVIEW上位機(jī)軟件和Delphi以及Visual C++這幾個(gè)使用文本編程的編程語言不同,其采用G 語言開發(fā)程序和畫面,簡潔方便,容易操作,使用模塊形式的編程方式.在使用G語言編程時(shí)候,不需要編寫代碼,程序是由圖標(biāo)和連線組成的流程圖.LabVIEW程序運(yùn)行通過數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng),可以通過相互連接功能方框圖開發(fā)出應(yīng)用程序,是一個(gè)面向最終用戶的編程工具,在測試和控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5].

LabVIEW軟件利用自帶的PID工具箱,實(shí)現(xiàn)軟硬件的有效結(jié)合,在軟件的界面上分別增加比例增益Kp、積分時(shí)間Ki和微分時(shí)間Kd的的數(shù)值輸入框,根據(jù)需要輸入不同的參數(shù),運(yùn)行軟件后,就可以得到P、PI、PD、PID的數(shù)值,界面實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)Kp、Ki、Kd在線自適應(yīng),可以根據(jù)數(shù)值觀察對電機(jī)電流的調(diào)整情況,增加了PID使用的方便性,軟件簡單易于修改.下圖中采用一組數(shù)值來實(shí)現(xiàn)PID具體運(yùn)行情況,設(shè)定值輸入100、比例項(xiàng)輸入3000、積分相輸入30,然后運(yùn)行程序就得到比例輸出、積分輸出、PID輸出以及PID的曲線圖.

圖5 PID 上位機(jī)界面

3 PID 算法軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)

硬件電路完成后,需要對軟件進(jìn)程編制,這里主要是對PID算法的編寫.由P比例單元、I積分單元和D微分單元組成,在應(yīng)用時(shí)使用該算法實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制.PID算法使用是只需設(shè)定幾個(gè)參數(shù)在實(shí)際中應(yīng)用范圍廣,在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)被測試的對象的參數(shù)難以確定,不能搭建準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,其他的技術(shù)都不能應(yīng)用的時(shí)候,控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以通過經(jīng)驗(yàn)和不斷的現(xiàn)場調(diào)試來確定,這時(shí)候采用PID控制最合適.工業(yè)控制中有些是非線性或者時(shí)變的,可以對其簡化變成線性和不變的系統(tǒng),可以通過PID控制.PID的參數(shù)可以根據(jù)工業(yè)控制過程進(jìn)行整定,根據(jù)得到的數(shù)據(jù)不斷對其進(jìn)行改進(jìn).

交流電機(jī)調(diào)速需要把轉(zhuǎn)速作為給定量,建立一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的控制.其速度調(diào)節(jié)改變電流的大小對電磁扭矩的輸出控制.電流調(diào)節(jié)作用在交流電機(jī)上,體現(xiàn)在交流電機(jī)的啟動(dòng)停止、加速和減速方面,根據(jù)給定值的與反饋值進(jìn)行算法計(jì)算,對交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速改變,PID閉環(huán)反饋控圖如圖6.

圖6 PID 反饋控制原理圖

PID控制方法有PID、PD和PI控制,這里我們采用PID控制,對反饋值的誤差進(jìn)行跟蹤,實(shí)現(xiàn)對控制量的調(diào)節(jié),公式如下所示:

u(t)表示輸出信號,e(t)表示輸入偏差,K(p)、Ki和kd分別是表示的比例部分、積分部分常數(shù)和微分部分的常數(shù),下面介紹這三個(gè)環(huán)節(jié)的校正作用[4].

(1)比例部分.比例部分主要是迅速對控制系統(tǒng)的偏差信號通過比例反應(yīng)做出控制,減輕偏差信號的變化是比例部分的數(shù)學(xué)式,需要合理的調(diào)整K(p)的數(shù)值,數(shù)值過大,會(huì)使系統(tǒng)越不穩(wěn)定,數(shù)值過小,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度下降.

(2)積分部分.積分部分起到對被控制量在穩(wěn)態(tài)時(shí)對設(shè)定值的無靜差跟蹤的作用是積分部分的數(shù)學(xué)式,有偏差時(shí),就會(huì)起到控制作用,直到偏差為零,積分的數(shù)學(xué)式就是為了消除偏差.時(shí)間常數(shù)Ti對積分部分有著重要作用,Ti的數(shù)值增大時(shí),積分起到的作用變小,系統(tǒng)偏差去除的時(shí)間變長,Ti的數(shù)值減小時(shí),積分起到的作用變大,系統(tǒng)偏差去除的時(shí)間縮短.

電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行后,ARM單片機(jī)通過傳感器檢測到電流信號,如果有通過模數(shù)轉(zhuǎn)換,檢測電壓和電流值是否整頓,不正確進(jìn)入保護(hù)模式,停止運(yùn)行[5].通過PID程序調(diào)整電流大小,控制PWM的輸出,最終控制交流電機(jī)的速度[2],如圖7所示.

圖7 電機(jī)加速/減速過程流程圖

軟件程序開發(fā)采用C語言,C語言生成代碼質(zhì)量高、使用范圍廣,容易移植,C語言的重要特點(diǎn)是可以在多種操作系統(tǒng)上編程,如最早的DOS、現(xiàn)在用的最多的Windows各個(gè)版本的以及Linux操作系統(tǒng),對硬件也沒有太多要求,C語言使用范圍廣泛限制條件少,一般大型的軟件開發(fā)都采用其編程.編程工具采用KEIL MDK軟件,編程畫面簡潔、提高豐富的庫函數(shù)調(diào)用,程序結(jié)構(gòu)緊湊.這里采用STM32提供的函數(shù)庫開發(fā)和電機(jī)函數(shù)庫,提高了程序的開發(fā)速度,PID部分算法如下所示.

4 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)一套在ARM平臺上運(yùn)行的矢量控制和PID算法對交流電機(jī)的控制系統(tǒng),文中分別在硬件、軟件和上位機(jī)界面方面進(jìn)行介紹.對矢量控制在交流電機(jī)方面的應(yīng)用進(jìn)行了說明,給出了硬件電路設(shè)計(jì),以及PID算法在交流電機(jī)中的應(yīng)用,通過軟件編程實(shí)現(xiàn)和Labiew上位機(jī)運(yùn)行PID算法,通過不斷的實(shí)驗(yàn),已經(jīng)制作出硬件電路和編寫好軟件程序,可以實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的控制.

1阮毅,陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).4 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

2陳安紅.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[碩士學(xué)位論文].西安:長安大學(xué),2006:55–62.

3陳伯時(shí).信息化時(shí)代的電氣傳動(dòng)技術(shù).自動(dòng)化博覽,2002,19(4):1–4.

4李偉起.PID參數(shù)自整定在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[碩士學(xué)位論文].沈陽:沈陽理工大學(xué),2007:29–30.

5楊光.電動(dòng)車無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制研究[碩士學(xué)位論文].天津:天津大學(xué),2008.

6袁帥,汪明,韓穎,等.基于 ARM 的模糊 PID 直流電機(jī)控制系統(tǒng).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2015,24(4):58–63.

7李相哲,蘇芳,林道勇.電動(dòng)汽車動(dòng)力電源系統(tǒng).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

8陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù).北京:北京理工大學(xué)出版社,2002.

9塔濟(jì)那特羅斯基.異步電動(dòng)機(jī)的控制.李鶴軒,李楊譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.

10李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

Vector and PID AC Motor Control System on ARM Platform

YU Li1,ZHANG Li2,GUO Bin3,LIU Zhao-Feng1,BAI Hong-Chao4

1(School of Information and Electrical Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China)2(Tianyuan Shandong Installation Engineering,Jinan 250101,China)3(Jinan Demolition Services Company,Jinan 250101,China)4(Shandong Ainuo Instrument Co.Ltd.,Jinan 250101,China)

The AC motor is simple in structure,easy in manufacture,low in cost,easy to control.It is gradually replacing the DC motor in many cases and becoming the first choice for motor users.However,the speed regulation system of AC motor is very complex.It is difficult to match DC motor.This paper designs an AC motor control system based on the ARM platform which makes use of Vector control and PID algorithm to control the AC motor exactly.The system has three parts:hardware,software,and the interface of the host computer.The hardware circuit includes current acquisition and IGBT circuit.The software part uses C language and KEI MDK software development tools to program.The upper computer uses the LabVIEW software to write the test interface and runs the PID program.Finally we develop a set of motor control for AC motor speed control system.

AC motor; ARM chip; vector control; PID algorithm

于李,張莉,郭彬,劉兆峰,白洪超.ARM平臺的矢量和PID交流電機(jī)控制系統(tǒng).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2017,26(10):256–260.http://www.c-sa.org.cn/1003-3254/6024.html

2017-01-18; 采用時(shí)間:2017-02-26