基于單軸穩(wěn)定平臺的伺服系統(tǒng)改進(jìn)控制研究

柯棟梁，林 輝，康永泰

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0引 言

穩(wěn)定平臺能夠隔離載體角運動，在載體機動狀態(tài)下建立穩(wěn)定基準(zhǔn)面，使安裝在平臺上的設(shè)備不因載體運動產(chǎn)生的抖動和滾動而無法正常工作，在軍事、民用工業(yè)上都有著廣泛的應(yīng)用。穩(wěn)定平臺技術(shù)在各國一直是經(jīng)久不衰的研究課題，目前穩(wěn)定平臺已被廣泛應(yīng)用于車載、艦載、機載和彈載等設(shè)備，其主要研究方向是數(shù)字化和集成化［1-2］。在伺服控制系統(tǒng)中，永磁同步電動機因具有高效性、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩慣量比等優(yōu)點作為穩(wěn)定平臺中的驅(qū)動元件;采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)驅(qū)動永磁同步電動機，設(shè)計單軸穩(wěn)定平臺 的伺服控制器，可以實現(xiàn)高精度控制、快速響應(yīng)以及穩(wěn)定跟蹤基準(zhǔn)信號［3］。但是，穩(wěn)定平臺在強烈的振動、沖擊的情況下，往往引起平臺的振蕩或者失控，甚至導(dǎo)致伺服控制系統(tǒng)的硬件損壞。因此，本文以單軸穩(wěn)定平臺的伺服控制系統(tǒng)為例，設(shè)計了過載實驗并對其控制算法進(jìn)行改進(jìn)，保證穩(wěn)定平臺過載下系統(tǒng)的正常運行。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

單軸穩(wěn)定平臺的伺服控制系統(tǒng)由永磁同步電動機、編碼器、伺服控制器(伺服控制電路和伺服控制軟件)以及慣性測量單元(IMU)組成。伺服控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制電機按要求快速、精確的運動，滿足系統(tǒng)各項指標(biāo)要求。

伺服控制系統(tǒng)硬件電路包括DSP系統(tǒng)電路、位置檢測電路、通訊電路、隔離電路、功率驅(qū)動電路以及相電流采樣電路等。其中DSP系統(tǒng)電路實現(xiàn)位置、速度、電流、給定信號等信息的采集及SVPWM控制策略的實現(xiàn)。驅(qū)動信號經(jīng)隔離和功率放大后，對電機進(jìn)行控制。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1．1 DSP 系統(tǒng)電路

為使控制回路正常工作，我們需要構(gòu)成一個DSP最小系統(tǒng)。本文采用TI公司提供的DSP芯片TMS320F2812，該芯片采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，采用低電壓供電，主頻為135 MHz時內(nèi)核電壓1．8 V，主頻為150 MHz時內(nèi)核電壓1．9 V，I/O 引腳電壓3．3 V，32位的高性能處理器，較大的存儲空間(18k RAM、128k FLASH)，支持在線仿真、時鐘和系統(tǒng)控制以及128位安全密鑰，包含串行通信接口、12位ADC轉(zhuǎn)換模塊以及56個通用GPIO口［4］。

另外，該芯片提供多功能的片內(nèi)外設(shè)以及相應(yīng)的接口，滿足控制系統(tǒng)要求的DSP最小系統(tǒng)并不復(fù)雜。DSP最小系統(tǒng)所需要的外圍電路由電源接口、電源電壓轉(zhuǎn)換芯片、時鐘電路、JTAG接口電路、SCI接口電路、AD接口電路、CAP接口電路、EV接口電路及隔離保護(hù)電路構(gòu)成。

1．2功率驅(qū)動電路

本文的功率驅(qū)動電路采用分立元件搭建。DSP的事件管理器產(chǎn)生六路SVPWM波，必須經(jīng)過功率驅(qū)動電路，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓控制矢量對電機進(jìn)行控制。電路包括驅(qū)動芯片的選擇和功率管的選擇。本文采用專門的驅(qū)動芯片IR2103，該芯片采用專門的HVI和無影響鎖存CMOS工藝制作，獨立的高、低端輸出通道，浮置電源采用自舉電路，邏輯輸入兼容了標(biāo)準(zhǔn)CMOS或LSTTL輸出，驅(qū)動電路非常簡單，只用一路電源就可以同時驅(qū)動上、下橋臂;功率管采用MOSFET IRFR3412，該器件體積小，導(dǎo)通阻值低，發(fā)熱量小，便于緊湊化設(shè)計［5］。

為保證系統(tǒng)運行即DSP工作的的可靠性，需要強弱電的隔離，即DSP控制電路部分和電機電路部分的電氣隔離，可采用光隔離或電磁隔離的方式。考慮系統(tǒng)的體積和可靠性，本文選用ADUM1401芯片，該芯片采用磁耦隔離技術(shù)，在性能、體積、功耗明顯優(yōu)于光耦隔離器件，傳輸速率高達(dá)90 Mb/s，可工作在2．7～5．5 V，支持低電壓工作并實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

1．3相電流采樣電路

矢量控制包含電流環(huán)，因此必須檢測電機的相電流。相電流檢測有多種方法，可在繞組中串精密電阻，采樣電阻電壓換算電流;也可用帶霍爾隔離的電流傳感器進(jìn)行相應(yīng)的測量。為保證系統(tǒng)不同電源電氣的相互隔離，本文采用霍爾隔離的線性電流傳感器ACS712對繞組電流進(jìn)行采樣。

DSP提供的AD采樣模塊輸入信號為0～3 V，而ACS712的輸出信號0～5 V，因此必須對ACS712的輸出信號進(jìn)行調(diào)理。為了不改變ACS712采樣電流的分辨率，采用雙通道放大器LM2904設(shè)計了減法器;同時，為了濾除開關(guān)器件引進(jìn)的高頻諧波，設(shè)計了巴特沃斯二階濾波器進(jìn)行濾波。在電路設(shè)計時，必須選擇合適的時間常數(shù)，避免因延遲影響系統(tǒng)精度。濾波后的信號送入AD采樣通道之前設(shè)置了保護(hù)電路，避免過電流破壞DSP的AD采樣通道。由于永磁同步電動機星形連接三相繞組電流之和為零，故只需采集兩相電流即可。

1．4通訊接口電路

為實現(xiàn)平臺的伺服控制，必須給伺服控制系統(tǒng)提供一個基準(zhǔn)信號，本文采用慣性測量單元(IMU)提供該信號。IMU可以直接測量平臺的角加速度，一次積分獲得平臺的角速度，二次積分獲得平臺的角位置，通過串口RS422為伺服控制系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號。通訊接口電路包含電平轉(zhuǎn)換電路和專用通訊電路兩部分。電平轉(zhuǎn)換電路在本文中采用芯片SN74CBTD3305C，將DSP輸出3．3 V轉(zhuǎn)換為5 V供給專用通訊電路;專用通訊電路采用通訊芯片MAX488EESA進(jìn)行設(shè)計。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計，在TI公司的集成編譯環(huán)境CCS下，使用C語言進(jìn)行編程。系統(tǒng)軟件分為主程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊，主程序模塊包含系統(tǒng)的初始化，完成系統(tǒng)寄存器的配置和變量的初始化;中斷服務(wù)程序包含SCI中斷、定時器3的下溢中斷兩部分。SCI中斷用于和慣性測量單元(IMU)通訊，傳遞平臺角度及角速率信息;定時器3的下溢中斷包含系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的PID控制，完成空間矢量的控制算法，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

平臺的實際位置θm與給定的位置θmref比較，作為位置環(huán)的反饋，進(jìn)行位置PID的控制;平臺的實際轉(zhuǎn)速n與給定轉(zhuǎn)速nref比較，作為速度環(huán)的反饋，進(jìn)行速度PID控制;平臺的實際相電流ia、ib經(jīng)過坐標(biāo)變換(Clarke和Park變換)，作為電流環(huán)的反饋，進(jìn)行q軸、d軸的電流PID控制;電流環(huán)的輸出經(jīng)過坐標(biāo)變換(Clarke和Park逆變換)和SVPWM波發(fā)生器，輸出SVPWM波，進(jìn)而功率驅(qū)動電路實現(xiàn)永磁同步電動機伺服控制［2-3］。

另外，為了防止系統(tǒng)位置、速度、電流三閉環(huán)控制時過飽和，在其中四個PID調(diào)節(jié)器均采用了具有抗積分飽和或積分分離功能的改進(jìn)型PID算法。

3系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計

當(dāng)穩(wěn)定平臺的載體遇到強烈的振動、沖擊時，將直接增加穩(wěn)定平臺的徑向載荷，或者影響穩(wěn)定平臺的軸向載荷而間接引起徑向的過載，從而影響伺服控制系統(tǒng)的負(fù)載情況。結(jié)果往往引起平臺的振蕩或者失控，甚至導(dǎo)致伺服控制系統(tǒng)的硬件損壞。因此，本文以單軸穩(wěn)定平臺的伺服控制系統(tǒng)為例，設(shè)計了過載實驗并在軟件的控制算法上進(jìn)行改進(jìn)，以保證穩(wěn)定平臺過載下系統(tǒng)的正常運行。

3．1 過載實驗

當(dāng)穩(wěn)定平臺受到過載時，其等效于伺服控制系統(tǒng)中電機的負(fù)載增加了，所以必須進(jìn)行電機的負(fù)載實驗。電機負(fù)載實驗是對電機的負(fù)載能力進(jìn)行測試，保證電機在過載下有足夠的力矩輸出;同時是對伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，保證伺服控制率能適應(yīng)過載情況。

本文選用的電機額定力矩0．35 N·m，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定電壓27 V，選用負(fù)載為額定力矩的1．5倍0．525 N·m作為過載條件，并在本文搭建的伺服系統(tǒng)參數(shù)下進(jìn)行過載實驗測試。表1是過載實驗的數(shù)據(jù)，其中力矩電流參數(shù)是指電流環(huán)輸出的單位值，決定電機帶載所需的電流大小。

表1 過載實驗數(shù)據(jù)

3．2 軟件改進(jìn)

通過對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)如圖3所示的轉(zhuǎn)速與力矩電流參數(shù)成線性關(guān)系，線性擬合之后，可得關(guān)系式:

力矩電流參數(shù) =速度 ×0．000 394 2+0．214 8獲得轉(zhuǎn)速與力矩電流參數(shù)的關(guān)系后，在伺服系統(tǒng)控制軟件中，對電流環(huán)的輸出iq按此關(guān)系進(jìn)行限制。這樣穩(wěn)定平臺在強烈的振動、沖擊下，輸出電流大小根據(jù)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行自行調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)的正常工作。

圖3 轉(zhuǎn)速與力矩電流參數(shù)關(guān)系圖

4實驗結(jié)果與分析

為了驗證軟件改進(jìn)后的穩(wěn)定平臺控制效果，我們進(jìn)行單軸穩(wěn)定平臺軟件改進(jìn)前后的相關(guān)實驗，并對比和分析實驗結(jié)果。本文設(shè)計了速度變化曲線(從零變化到額定轉(zhuǎn)速)，并使穩(wěn)定平臺的載體按照該曲線運轉(zhuǎn)，同時運轉(zhuǎn)過程中可以給系統(tǒng)加載，而載體中的平臺必須在整個運轉(zhuǎn)過程中保持穩(wěn)定跟蹤。實驗在相同測試條件下進(jìn)行，并由上位機記錄平臺相對基準(zhǔn)值的角度與角速度，結(jié)果分別如圖4～圖6所示。

從實驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在進(jìn)行軟件改進(jìn)之前，如果沒有受到加載，則平臺穩(wěn)定跟蹤;但在受到加載時，平臺角度和角速度在開始階段出現(xiàn)大的振蕩，偏離了基準(zhǔn)值，穩(wěn)態(tài)的精度也比較差;而軟件改進(jìn)之后，平臺保持穩(wěn)定跟蹤，不會出現(xiàn)大的振蕩，并具有較高的控制精度。

5結(jié) 語

本文以永磁同步電動機作為穩(wěn)定平臺中的驅(qū)動元件，采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)驅(qū)動永磁同步電動機，設(shè)計了單軸穩(wěn)定平臺的伺服控制器，實現(xiàn)了位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制。為了保證穩(wěn)定平臺在強烈的振動、沖擊的情況下，系統(tǒng)能夠正常工作，設(shè)計了過載實驗并對伺服軟件的控制算法進(jìn)行改進(jìn)。在這基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了相關(guān)實驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)不僅響應(yīng)快、控制精度高和跟蹤能力強等優(yōu)點，而且具有很強的抗干擾能力，為雙軸、三軸以及多軸穩(wěn)定平臺在過載下的穩(wěn)定控制奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 李宗冰．基于穩(wěn)定平臺伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計［D］．南京理工大學(xué)，2008．

［2］ Li Xinyang，Li Qingjun，Zhang Xuefei．The stability design and realization of airborne platform based on TMS320F2812［J］．IEEE Conferences，2011:2353-2356．

［3］ 劉杰，孫輝，楊錕．基于DSP的正弦永磁同步電機位置控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．電力電子，2008(5):44-46．

［4］ 孫麗明．TMS320F2812原理及其C語言程序開發(fā)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2008．

［5］ 周志敏，紀(jì)愛華．高效功率器件驅(qū)動與保護(hù)電路設(shè)計及應(yīng)用實例［M］．北京:人民郵電出版社，2009．