數(shù)字化有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)控制技術(shù)

湯勝林

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽 550008；2.國家精密微特電機(jī)工程中心，貴陽 550008)

0 引 言

在燃油閥門控制應(yīng)用領(lǐng)域，常規(guī)的控制方案通常選用步進(jìn)電機(jī)加減速機(jī)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)?？刂频木热Q于步進(jìn)電機(jī)的步距角，并且由于步進(jìn)電機(jī)本身存在失步的可能性，控制系統(tǒng)往往抗擾動(dòng)能力較弱、穩(wěn)態(tài)精度較低，由于存在減速機(jī)構(gòu)，該方案也難以實(shí)現(xiàn)小型化。有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，本文論述了一種有限轉(zhuǎn)角電機(jī)，并采用FPGA和旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成了數(shù)字式電流、速度、位置三閉環(huán)控制系統(tǒng)，研制了工程樣機(jī)，試驗(yàn)表明系統(tǒng)跟隨性好，超調(diào)小，抗負(fù)載擾動(dòng)能力較強(qiáng)。

1 有限轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

有限轉(zhuǎn)角直流力矩電機(jī)控制系統(tǒng)以旋轉(zhuǎn)變壓器為位置、速度反饋元件、以高精度的電流傳感器作為電流反饋元件，其整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括FPGA控制核心、旋變位置解算電路、電流電壓采樣調(diào)理電路、模擬位置給定調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、過流保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、H橋逆變電路、位置反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等，所有的功能單元由統(tǒng)一的板上電源系統(tǒng)提供相應(yīng)的工作電壓，控制系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 有限轉(zhuǎn)角伺服控制系統(tǒng)

為保證控制系統(tǒng)輸出的力矩、速度和位置平穩(wěn)準(zhǔn)確，在控制器中通常采用由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)組成的串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，由FPGA具體實(shí)現(xiàn)，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

從圖中可以知道位置環(huán)路為最外環(huán)，它的主要作用是保證系統(tǒng)準(zhǔn)確定位，影響速度環(huán)帶寬的主要是速度環(huán)和電流環(huán)的控制性能。

2 旋變接口及測(cè)速模塊設(shè)計(jì)

2.1 旋變解算接口設(shè)計(jì)

由于旋轉(zhuǎn)變壓器具備精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，選用旋轉(zhuǎn)變壓器作為系統(tǒng)的位置、速度反饋能夠大幅度提高系統(tǒng)的可靠性。

旋變解算接口的主要功能為產(chǎn)生激磁信號(hào)，匹配次級(jí)繞組感應(yīng)反饋信號(hào)，由旋變解算專用芯片進(jìn)行數(shù)字解碼，輸出旋變絕對(duì)位置的數(shù)字量。

圖3 旋變解算接口設(shè)計(jì)

圖中所示的旋變解算電路選用專用的解碼芯片AD2S1210實(shí)現(xiàn)，該型芯片具有可編程的正弦波振蕩器，為旋轉(zhuǎn)提供正弦波激勵(lì)其激勵(lì)信號(hào)峰峰值為3.6 V；轉(zhuǎn)換器的正弦、余弦輸入端允許輸入3.6VP-P±10%、頻率為10 kHz至20 kHz范圍內(nèi)的信號(hào)，最大跟蹤速率1000 rps；且具備旋變故障檢測(cè)功能，能夠檢測(cè)信號(hào)丟失、超范圍輸入、信號(hào)失配或位置跟蹤丟失等，故障檢測(cè)閥值可以由用戶單獨(dú)編程，以便針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化；數(shù)據(jù)傳輸通過16位端口并行傳輸，電平與主控芯片IO接口兼容；具有靜電保護(hù)功能。

由于本系統(tǒng)采用旋變，因此需增加勵(lì)磁信號(hào)的設(shè)計(jì)，考慮到勵(lì)磁信號(hào)的精度問題，勵(lì)磁信號(hào)的基信號(hào)由解算芯片的可編程正弦波振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)過儀表用放大器，及功放放大輸出，提供給旋變。勵(lì)磁信號(hào)放大單元設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

儀表放大器抑制旋變激磁繞組引線對(duì)解算芯片模擬地的共模干擾，調(diào)節(jié)輸出激磁電壓以適應(yīng)不同變比的旋變，相當(dāng)于隔離變壓器的作用。

圖4 勵(lì)磁信號(hào)放大單元原理圖

對(duì)于不同的旋變，勵(lì)磁信號(hào)和變比不一樣，所有反饋回來的旋變位置信號(hào)幅值也大不相同。為了滿足解碼芯片輸入端的要求，提高旋變信號(hào)的信噪比。采用合適的旋變處理電路能有效的滿足要求，本方案采用差分輸入的形式，首先將信號(hào)用電阻衰減后差分放大，而后二階低通濾波處理，最后在差分放大兩倍信號(hào)。整個(gè)電路的放大倍數(shù)為約為0.5。旋變處理電路及其仿真如圖5所示。

圖5 旋變處理電路及其仿真

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)電路由光電耦合電路和MOSFET專用驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成，把功率部分和控制部分完全隔離，在系統(tǒng)滿載運(yùn)行下最大可能的削弱了高壓功率部分對(duì)控制部分的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖6所示。該光耦芯片和MOSFET專用驅(qū)動(dòng)芯片國內(nèi)有軍品級(jí)的仿制型號(hào)，最大驅(qū)動(dòng)電流5 A能滿足功率管驅(qū)動(dòng)的需要。

圖6 單路驅(qū)動(dòng)電路

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)樣機(jī)要求正反轉(zhuǎn)工作，功率驅(qū)動(dòng)電路采用H橋電路，如圖7所示。驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)低端驅(qū)動(dòng)由一個(gè)電源供電，上橋兩個(gè)高端分別由兩個(gè)隔離電源供電。

圖7 H型功率驅(qū)動(dòng)電路

功率橋路選用四只N溝道MOS管，每只管子充分降額，單管具有200 V、160 A的容量。

3 模擬信號(hào)

3.1 模擬指令電路單元設(shè)計(jì)

位置給定模擬電壓通道，依據(jù)命令(電流源型4 mA～20 mA)設(shè)計(jì)為電流電壓轉(zhuǎn)換、緩沖電路、濾波電路，經(jīng)過調(diào)理后輸出與AD轉(zhuǎn)換芯片模擬接口相匹配的電壓信號(hào)。采樣電阻選擇200歐姆0.1%精度，并進(jìn)行隔離放大，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)(800 mV～4 V)，采樣電路可以辨識(shí)0.01 mA的位置角變化。圖8示為位置給定采樣通道設(shè)計(jì)原理圖。

圖8 位置給定采樣通道

另外，電流、電壓采樣調(diào)理電路主要設(shè)計(jì)為傳感器、緩沖電路、濾波電路、有源鉗位電路組成，用于形成電壓監(jiān)控保護(hù)和電流環(huán)的閉環(huán)反饋，其額定測(cè)量范圍與相電流的電流波動(dòng)范圍相匹配，輸出電壓信號(hào)與AD轉(zhuǎn)換芯片的模擬接口相匹配，如圖9所示。

圖9 電流、電壓采樣調(diào)理電路

3.2 模擬反饋電路單元設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)將反映有限轉(zhuǎn)角電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置的信號(hào)通過電壓-電流轉(zhuǎn)換電路輸出4 mA～20 mA的電流，供系統(tǒng)檢測(cè)用。首先，旋變解算的位置數(shù)字量經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過調(diào)理、模擬隔離、放大后由轉(zhuǎn)換芯片XTR110將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路如圖10所示。

圖10 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路

調(diào)理電路的參數(shù)調(diào)整保證了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與4 mA～20 mA電流的一一對(duì)應(yīng)。

圖11 角度-電流轉(zhuǎn)換曲線

4 軟件系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由硬件描述語言編制，整個(gè)程序架構(gòu)以電流、速度、位置三閉環(huán)控制策略為核心。

圖12 三環(huán)控制策略架構(gòu)

在位置環(huán)路中，位置給定信號(hào)定標(biāo)后與旋變反饋的數(shù)字量直接進(jìn)行對(duì)比；同時(shí)旋變反饋的數(shù)字量還經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為電壓后再轉(zhuǎn)換為電流作為位置遙測(cè)信號(hào)上傳系統(tǒng)，此遙測(cè)信號(hào)不參與環(huán)路計(jì)算。

系統(tǒng)上電后由基準(zhǔn)脈沖控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)序?；鶞?zhǔn)脈沖的頻率等于開關(guān)頻率，可設(shè)置10 kHz～32 kHz?；鶞?zhǔn)脈沖也稱為同步時(shí)序脈沖，由一個(gè)計(jì)數(shù)邏輯模塊產(chǎn)生，該計(jì)數(shù)邏輯僅僅受系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖影響，其產(chǎn)生的時(shí)序邏輯示意圖如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)時(shí)序基準(zhǔn)源

每當(dāng)一個(gè)同步信號(hào)脈沖SyncPulse產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)的時(shí)序控制模塊TimingControl會(huì)檢測(cè)到該脈沖，向AD轉(zhuǎn)換芯片接口模塊發(fā)出啟動(dòng)采樣的指令，由該接口模塊操作芯片完成采樣時(shí)序。完成采樣后，AD接口模塊發(fā)出采樣完成指示輸入到至TimingControl時(shí)序控制模塊中并將采樣得到的兩相電流數(shù)值保存在相應(yīng)的寄存器中，隨后TimingControl時(shí)序控制模塊發(fā)出FocStartPulse信號(hào)脈沖，開始電流環(huán)的計(jì)算；在計(jì)數(shù)器計(jì)滿N次電流環(huán)計(jì)算完成后，TimingControl時(shí)序控制模塊發(fā)出速度環(huán)執(zhí)行脈沖信號(hào)，開始速度環(huán)計(jì)算。同樣地，位置環(huán)程序執(zhí)行開始脈沖也由FPGA嚴(yán)格的時(shí)序控制，F(xiàn)PGA會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)脈沖。三環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，電流環(huán)執(zhí)行頻率為20K，速度環(huán)執(zhí)行頻率為10K，位置環(huán)執(zhí)行頻率為5K,完整的時(shí)序流程圖如圖14所示。

圖14 三閉環(huán)系統(tǒng)控制時(shí)序

4.1 測(cè)速方法

速度環(huán)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定跟蹤的一個(gè)重要保障，同時(shí)也是系統(tǒng)準(zhǔn)確跟蹤的基礎(chǔ)。速度環(huán)的建立首先是要獲得準(zhǔn)確的速度信號(hào)。目前對(duì)于速度信號(hào)獲取主要可以通過速度傳感器直接測(cè)速，觀測(cè)器估計(jì)以及編碼器測(cè)速處理等幾種方式得到。傳感器測(cè)速需要增加額外的測(cè)速機(jī)，應(yīng)用相對(duì)較少。而觀測(cè)器估計(jì)通常取決與觀測(cè)器模型建立的準(zhǔn)確性。在伺服控制系統(tǒng)中常采用的測(cè)速方式主要是對(duì)利用旋變測(cè)速。最典型的方法由測(cè)頻法(M法)，測(cè)周期法(T法)和M/T法。

本文采用M/T法進(jìn)行測(cè)速，兼具高速和低速的優(yōu)點(diǎn)，在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確測(cè)量，提升了系統(tǒng)的整體性能和抗擾動(dòng)。

4.2 前饋控制設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高跟隨性能，從系統(tǒng)指令信號(hào)引出前饋控制，并與反饋控制一同組成復(fù)合的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖15所示。

圖15 前饋控制原理框圖

圖中，W1(s)是位置環(huán)控制器的傳遞函數(shù)，W2(s)是電流環(huán)、速度環(huán)和控制對(duì)象的傳遞函數(shù)，G(s)是前饋控制器的傳遞函數(shù)。利用結(jié)構(gòu)圖變換可以求得復(fù)合控制伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

也就是說，理想的復(fù)合控制隨動(dòng)系統(tǒng)的輸出量能夠完全復(fù)現(xiàn)給定輸入量，其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的給定誤差都為零。另外，增加前饋控制不會(huì)影響原系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在實(shí)際調(diào)試中，要實(shí)現(xiàn)完全不變性，需要輸入信號(hào)的各階導(dǎo)數(shù)作為前饋控制信號(hào)，但同時(shí)會(huì)引入高頻干擾，嚴(yán)重時(shí)將破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這是可以加入濾波環(huán)節(jié)，所以只能近似的實(shí)現(xiàn)完全不變性。即使如此，在實(shí)際調(diào)試中，引入前饋控制的系統(tǒng)在快速性保持不變的情況下大大提升了系統(tǒng)的精度，將系統(tǒng)的超調(diào)量由34%降低至5%以下。

4.3 仿真分析

針對(duì)帶寬、超調(diào)問題進(jìn)行仿真分析，利用Matlab軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖16～圖18所示。

經(jīng)過仿真，可以知道位置環(huán)帶寬在25 Hz附近。給定頻率為25 Hz，其幅值衰減0.78倍，相位損失40°，如圖16所示。

圖16 位置信號(hào)跟蹤結(jié)果

圖17 階躍信號(hào)仿真

圖18 梯形信號(hào)仿真

從仿真結(jié)果看，控制算法具有良好的控制性能，幾乎無超調(diào)量。但工程實(shí)際與仿真結(jié)果存在一定差異，需要在實(shí)際調(diào)試中對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行整定。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)采用示波器為測(cè)量工具，為當(dāng)閥門處于初始位置時(shí)，給定19 mA階躍指令后的位置反饋。其上升時(shí)間為75.2 ms；調(diào)節(jié)時(shí)間115.2 ms；超調(diào)2.5%。如圖19所示。

圖19 階躍響應(yīng)

(2)模擬指令從4 mA至20 mA之間增加，閥門位置反饋電流信號(hào)也從4 mA至20 mA之間變化，跟隨性能良好，測(cè)試信號(hào)如圖20所示。

圖20 跟隨性測(cè)試

(3)模擬指令信號(hào)為正弦波，閥門位置反饋信號(hào)波形也跟隨正弦波形式，測(cè)試信號(hào)如圖21所示。

圖21 正弦波指令及位置反饋信號(hào)

6 結(jié) 論

該控制系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)，采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三環(huán)控制。試驗(yàn)表明，電機(jī)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高、無超調(diào)，控制跟隨性能好，對(duì)于動(dòng)態(tài)性能要求較高、控制精度較高的位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。