高性能無刷直流電機數字穩速控制系統實現

李偉忠,姚 勤

(中國人民解放軍海軍駐上海地區航天系統軍事代表室,上海 201109)

0 引言

隨著數字信號處理器(DSP)的出現和控制技術的發展,用于運動控制的伺服系統也不斷向全數字化方向發展。BLDC電機因其體積小、結構簡單、可靠性高、輸出轉矩大等特點,廣泛用于伺服控制領域[1-6]。但采用傳統比例積分微分(PID)控制器有伺服電機控制系統的系統技術參數會下降,跟蹤性能差的缺點,而且當存在外干擾信號時系統的精度和穩定性會降低。

本文采取DSP數字處理器,對一種實現基于變參的積分分離PI控制方案的實現進行了研究。

1 設計方案

該控制系統是一個基于速度閉環數字式控制系統,主要由通信、控制用DSP、信號隔離、功率放大和信號整形等電路組成?？刂葡到y原理如圖1所示。

在電路中,電機位置霍爾信號經濾波整形輸入DSP捕獲端口,DSP捕獲相應中斷信號由內部計數器分析獲得電機轉速信號。比較當前轉速與給定速度信號,得出當前轉速的靜差值,再通過一定的解算回路計算輸出電機驅動脈寬調制(PWM)信號。PWM信號經過隔離放大,驅動無刷電機轉動。

圖1 控制系統原理Fig.1 Principleof control system

控制參數的調整和電機換向控制通過DSP軟件控制實現。驅動板有JTAG在線程序上傳調試接口,實現控制軟件下載固化。在控制電路設計過程中,采用軟件的參數實現方式,通過高效率的集成功放,可大幅提高系統的性能。

2 硬件電路設計原理

數字控制器是實現無刷穩速直流電機驅動電路速度閉環的關鍵部件,其主要任務是捕獲BLDC電機的霍爾信號獲得當前電機轉子的位置信號以控制電機旋轉換相,同時根據捕獲信號的時間差值可計算出當前電機的旋轉速度,將獲得的電機旋轉速度值與標稱值進行比較,由穩速閉環的控制律給出控制所需的PWM信號,經功率驅動電路功率放大后產生推動電機所需電流。

硬件電路中數字控制器采用TI公司的TMS320F2812(DSP)芯片,其中PWM信號周期由DSP編程產生。由設計原理分析可知：PWM周期需大于回路信號的響應頻率,使電機不響應脈動電壓,故頻率越高就越接近線性控制。但綜合考慮控制器運算周期、光耦器件與功率器件開關特性,取PWM載波周期40 k Hz,可滿足驅動電路高性能要求。

2.1 通信電路

通信電路監測CAN總線的差分電平信號,將其轉為與DSP兼容的TTL信號,由DSP自帶CAN協議處理模塊分析提取數據。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

數字控制DSP處理電路是數控驅動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,每個事件管理器可產生驅動1個直流電機所需的16位PWM信號。因此1個DSP芯片可控制2個電機。驅動器控制DSP電路接收CAN總線信號,根據協議處理給出當前穩速系統速度信號。另從捕獲口采樣電機霍爾信號,算得當前電機速度信號。通過內部軟件處理,輸出電機控制所需PWM信號。

2.3 信號隔離電路

信號隔離電路的功能主要是隔離控制器電源與功率端電源,并進一步放大PWM信號,推動功率管工作,獲得電機的驅動電流。隔離電路使用6路光耦器件,可同時傳輸三相橋所需的驅動信號1個。考慮DSP的驅動能力有限,輸出信號通過54LS245器件驅動光耦。光耦輸出級使用反向器進行信號反向,同時對光耦的跳變邊沿信號進行整形,提高系統的抗干擾能力。其電路如圖3所示。

圖3 信號隔離電路Fig.3 Signal isolation circuit

2.4 功率放大電路

功率放大電路將PWM信號放大,驅動電機旋轉,其原理如圖4所示。

2.5 信號整形電路

被驅動電機的功率驅動信號與位置反饋信號用同一電纜傳輸,易引起信號干擾。信號整形電路將對位置反饋信號進行濾波整形,其原理如圖5所示。

3 軟件設計

DSP的軟件編程以C語言為主并輔以適當的匯編語言。通過捕獲單元的捕獲信息計算電機轉速并與通過CAN總線獲取期望轉速進行比較,獲得轉速偏差,由控制算法進行解算,輸出相應的控制信號給驅動器,實現對執行機構的控制。

圖4 功率驅動電路Fig.4 Power drive circuit

圖5 信號整形電路Fig.5 Signal modulation circuit

驅動電路控制軟件由主體控制、霍爾捕獲與轉速計算、事件管理驅動和控制律解算模塊組成,如圖6所示。

圖6 軟件結構Fig.6 Softwarestructure

4 控制算法與仿真結果

傳統型穩速控制系統由于控制算法簡單固定,控制參數調整范圍較小,當外界條件不斷變化時難以實現高精度穩速控制,且在惡劣的力學環境中的動態響應差,會出現多次超調振蕩,嚴重影響系統性能。采用DSP數字式控制實現的高性能BLDC穩速控制系統,利用無刷電機驅動專用處理DSP芯片F2812,整個系統的速度控制快且穩,可實現高精度高動態控制。

控制系統采用DSP控制器,使驅動電路穩速控制回路算法實現有較大的靈活性。因整個系統為速度控制系統,對快速性和穩態精度均有高要求,故可采用PI算法進行控制,通過比例項提高系統快速性,積分項保證系統穩態精度。但在傳統PI調節器中,積分項雖可消除靜差,但當有較大擾動或輸入量大幅變化時,由于系統的慣性和滯后,在其作用下,常會產生較大的超調和長時間的波動。因此,為改善控制系統的性能,須改進積分項,本文采用積分分離、抗積分飽和與增益變參技術。

a)積分分離

積分分離控制的要點是：當被控制量與設定值偏差較大時,取消積分作用以避免因積分作用使系統穩定性降低,超調量增大;當被控制量接近給定值時,引入積分項以消除靜差,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;T為系統的采樣周期;Ti為積分時間常數;e為偏差;k為采樣數;β為積分項的開關系數,且

此處：E為e(k)的門限值(即積分分離值)。實際使用中,E應根據具體要求確定。E值過大,無法實現積分分離;E值過小,一旦被控量無法跳出積分分離區,僅進行比例調節,將會出現靜差。

b)抗積分飽和

如執行機構已達極限狀態,仍不能消除偏差時,由于積分作用,盡管計算PI差分方程式所得結果繼續增大或減小,而執行機構已無相應的動作,此為積分飽和。當出現積分飽和時,必然引起超調量增大,控制品質變變差。本文用有效偏差法和積分分離可對運算出的控制量u(k)進行限幅,即

c)增益變參

為提高系統快速性和保證穩定性,對PI控制器中的增益比例項進行實時調參。

采用以上控制算法,可得仿真結果如圖7(a)所示。由圖可知：上升時間tr=0.139 5 s,超調量0%,靜差0 r/min,采用以上控制算法,系統的快速性和穩定性較佳。為檢驗系統的抗干擾性和魯棒性,在系統達到穩態轉速16 500 r/min時,加入速度干擾1 500 r/min,仿真響應如圖7(b)所示。由圖可知：在時間60 ms內,系統能恢復至要求的轉速(16 500±165)r/min范圍內,魯棒性良好。

圖7 穩速控制仿真結果Fig.7 Simulation result of steady speed control

5 實驗結果

對數字與模擬兩種PID控制方式進行實驗。加電起轉后的速度響應如圖8所示。由圖可知：起動過程中,數字PID控制電路的電機起動過程較快較穩,無振蕩超調過程。起動時間和穩態精度較好,滿足設計要求。具體結果見表1。

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

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

系統剎車試驗試驗結果如圖9所示。由圖可知：剎車后電機的轉速下降約11 r/s,穩態轉速264 r/s,恢復至穩態速度的時間約60 ms,無超調和振蕩,滿足設計要求。

圖9 剎車試驗結果Fig.9 Experimentation reslut of brake

對系統進行峰值加速度為100g的沖擊試驗,結果如圖10所示(此處g為重力加速度)。由圖可知：沖擊過程中,數字式產品所受影響較小,下降速度快,恢復過程快而穩,具體結果見表2所示。

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

6 結束語

本文基于DSP控制電路對BLDC電機數字穩速控制系統的傳統PI控制器進行了改進。用電機控制專用處理器DSP TMS320F2812芯片,由捕獲采集電機霍爾位置信號,在DSP內部計算電機轉速,解算得電機驅動信號,完成電機的速度伺服控制。試驗結果表明：采用數字分離PI控制的系統動、靜態性能較佳,提高了控制精度,增加了系統在惡劣環境中工作的可靠性,使系統有較強的魯棒性。

圖10 沖擊速度Fig.10 Speed of impact

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