基于雙dsPIC30F6010的雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 強(qiáng)

(上海航空電器有限公司，上海 201101)

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基于雙dsPIC30F6010的雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 強(qiáng)

(上海航空電器有限公司，上海 201101)

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，多電機(jī)協(xié)調(diào)控制精度的要求越來(lái)越高。以重物提升控制為背景，在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)雙dsPIC30F6010協(xié)調(diào)控制雙無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行的控制系統(tǒng)。在典型PID控制算法的基礎(chǔ)上融合積分分離法、不完全微分法及前饋控制法，完成單電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置雙閉環(huán)的精確控制，使兩個(gè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)按照預(yù)定的速度曲線協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而精確地達(dá)到設(shè)定位置。使用LabWindows/CVI編寫(xiě)的上位機(jī)軟件監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的合理性。

雙dsPIC30F6010；無(wú)刷電機(jī)；同步控制；改進(jìn)PID；LabWindows/CVI

0 引 言

重物提升裝置是一種多電機(jī)協(xié)調(diào)控制裝置，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，如電梯、升降機(jī)等，為保持重物的平衡上升、下降，控制系統(tǒng)需要在滿足單電機(jī)位置、速度控制精度的前提下對(duì)多電機(jī)進(jìn)行同步控制，才能保證裝置安全可靠地工作。本文以兩塊dsPIC30F6010作為核心控制兩無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)無(wú)刷電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，使兩個(gè)無(wú)刷電機(jī)在平衡、非平衡負(fù)載下都可以按照預(yù)定的速度曲線運(yùn)動(dòng)以達(dá)到同步運(yùn)行的目的。

1 控制系統(tǒng)需求分析

重物提升控制系統(tǒng)根據(jù)重物升降過(guò)程中的起始、運(yùn)行、停止3個(gè)階段及兩電機(jī)同步運(yùn)行所需條件進(jìn)行控制系統(tǒng)的需求分析。系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)如下功能：(1)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)重物升降過(guò)程；(2)具備通訊接口，控制芯片間通信進(jìn)行同步控制，控制芯片與上位機(jī)通訊實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)；(3)具有電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，根據(jù)傳感器實(shí)測(cè)值與指令值進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置、轉(zhuǎn)速精確控制；(4)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)預(yù)設(shè)電機(jī)速度曲線進(jìn)行跟蹤，同時(shí)作為系統(tǒng)同步控制精度的判定，電機(jī)速度曲線如圖1所示。

圖1 電機(jī)1、電機(jī)2速度給定曲線

圖1中橫坐標(biāo)代表電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)N(重物位置)，縱坐標(biāo)代表電機(jī)轉(zhuǎn)速n；圖中的“0”位是在到位信號(hào)有效時(shí)規(guī)定電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)為零，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)隨負(fù)載下降而逐漸增大，反之減小；電機(jī)在0～150 r做勻加速轉(zhuǎn)動(dòng)；150～400 r做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，且最大轉(zhuǎn)速為2 600 r/min；400～550 r做勻減速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)中采用雙dsPIC30F6010為主控核心對(duì)兩個(gè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BLDCM)的速度、位置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以達(dá)到同步控制的效果，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為BLDCM的位置傳感器，分辨率較高，能夠精確地進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)(重物位置)的計(jì)算，為同步控制提供精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；控制系統(tǒng)設(shè)有過(guò)流、過(guò)壓等保護(hù)單元，以提高系統(tǒng)可靠性。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1號(hào)dsPIC30F6010作為電機(jī)1的控制芯片(與控制單元2類似，圖中沒(méi)有畫(huà)出其結(jié)構(gòu)框圖)，2號(hào)dsPIC30F6010作為電機(jī)2的控制芯片，控制芯片間通過(guò)CAN總線進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，作為同步控制的依據(jù)；操作器輸出指令后，1號(hào)和2號(hào)芯片分別根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)控制相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)減速器后實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的提升、下放、制動(dòng)以及調(diào)平操作；控制芯片與上位機(jī)間通過(guò)RS232通訊，監(jiān)控單元狀態(tài)，便于系統(tǒng)調(diào)試。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路

無(wú)刷電機(jī)功率電路采用三相全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示，三相橋式逆變電路由6個(gè)MOSFET功率管和RCD緩沖吸收電路構(gòu)成。由電磁兼容性要求、降額設(shè)計(jì)需求，MOSFET管耐壓值為100 V，導(dǎo)通壓降很低能有效降低MOSFET管的發(fā)熱量；在每個(gè)MOSFET管的源、漏極之間設(shè)計(jì)RCD緩沖吸收電路，吸收功率管在開(kāi)通關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰以保護(hù)MOSFET。

圖3 主功率逆變電路原理圖

3.2 制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)制動(dòng)器輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。制動(dòng)器繞組接于P溝道MOSFET和N溝道MOSFET之間，當(dāng)兩個(gè)功率管都開(kāi)通時(shí)，制動(dòng)器線圈得電則解除制動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)；當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，使用續(xù)流二極管為電路提供續(xù)流通道。采用PWM斬波方式控制開(kāi)關(guān)管通斷，采用高端不斬波、低端斬波的工作方式控制繞組端電壓在24×(1±10%) V內(nèi)，以免過(guò)壓損傷制動(dòng)器繞組。

圖4 制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路

高端開(kāi)關(guān)不斬波，使用穩(wěn)壓管、電阻分壓、NPN三極管電平變換實(shí)現(xiàn)低速驅(qū)動(dòng)；低端開(kāi)關(guān)斬波，型號(hào)LTC4444的驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET門(mén)極導(dǎo)通。為保證電路可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)RC電壓尖峰吸收電路；在低端功率管源極到地之間設(shè)計(jì)制動(dòng)器繞組電流檢測(cè)電路，經(jīng)放大處理后送至dsPIC30F6010的AD采樣管腳，用于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

3.3 旋變解算電路

系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，其檢測(cè)精度高，能夠精確反映電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置，便于軟件策略的實(shí)時(shí)控制。旋變解算電路如圖5所示，采用文氏橋電路產(chǎn)生用于旋變的正弦激勵(lì)信號(hào)，旋變解算電路將反映轉(zhuǎn)子位置的旋變輸出信

圖5 旋變解算電路

號(hào)sin和cos正交波形，通過(guò)解算芯片AD2S82輸出反映電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置的12位數(shù)字信號(hào)，用于控制芯片讀取進(jìn)行相應(yīng)控制。AD2S82外圍配置電路由電阻和電容構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)引腳電平上拉、下拉、高頻濾波、增益設(shè)定、最大跟蹤速率設(shè)定和閉環(huán)帶寬設(shè)定等功能，以保證AD2S82能夠可靠工作。

3.4 檢測(cè)電路

檢測(cè)電路主要包括母線電壓檢測(cè)、母線電流檢測(cè)、制動(dòng)器電流檢測(cè)、供電檢測(cè)等電路。檢測(cè)電路將得到的模擬量送入dsPIC30F6010的AD采樣管腳，與程序中對(duì)應(yīng)的AD閾值進(jìn)行比較，以判斷系統(tǒng)是否處在正常的工作狀態(tài)，若超出范圍，則在上位機(jī)上給出相應(yīng)的故障顯示。

4 控制軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件流程

根據(jù)重物提升系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行情況及系統(tǒng)控制可靠性需求，在硬件的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。其中系統(tǒng)狀態(tài)遷移示意圖如圖6所示，系統(tǒng)上電后，進(jìn)入初始化和上電自檢狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)處于故障、警告等非法模式時(shí)，電機(jī)1、電機(jī)2停止轉(zhuǎn)動(dòng)；若無(wú)故障時(shí)，判斷操作器按鈕指令，確定是否進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，操作面板和上位機(jī)顯示相應(yīng)的故障類型，進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別。

圖6 系統(tǒng)狀態(tài)遷移示意圖

當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行模式時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)操作指令、系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)、電機(jī)同步運(yùn)行情況進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。控制程序主要包括：主程序、PWM中斷程序、SCI通信程序、CAN通信程序等。其中主程序流程圖如圖7所示。控制系統(tǒng)上電后，依次執(zhí)行器件初始化、上電自檢測(cè)(約4～5 s)，自檢無(wú)故障則進(jìn)入主循環(huán)部分。主循環(huán)主要判斷系統(tǒng)所處的運(yùn)行狀態(tài)以及工作階段；更新電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、速度等信息并將其保存到具有記憶功能的EEPROM中，保存的數(shù)據(jù)供系統(tǒng)下次上電時(shí)使用；系統(tǒng)在工作過(guò)程中始終執(zhí)行自檢，若有故障，則給出相應(yīng)的故障代碼并屏蔽操作器指令、禁止PWM輸出。

PWM中斷子程序如圖8所示，PWM中斷時(shí)間為5 ms，在PWM中斷子程序中根據(jù)讀取到轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行速度和電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)算、實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相，同時(shí)根據(jù)所懸掛的負(fù)載重量調(diào)整PWM的輸出占空比，使電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤預(yù)設(shè)曲線，同時(shí)為電機(jī)1、電機(jī)2同步調(diào)節(jié)提供參數(shù)依據(jù)。

圖7 主程序流程圖

圖8 PWM中斷流程圖

4.2 控制策略

重物提升系統(tǒng)中存在電機(jī)同步協(xié)調(diào)、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性高、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，本文的控制策略在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，引入前饋環(huán)節(jié)、積分分離環(huán)節(jié)、不完全微分環(huán)節(jié)。其中，前饋環(huán)節(jié)屬于開(kāi)環(huán)控制，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速性及穩(wěn)定性；積分分離環(huán)節(jié)，可以有效改善系統(tǒng)超調(diào)問(wèn)題。控制策略結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，系統(tǒng)根據(jù)指令曲線的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)數(shù)，和計(jì)算的電機(jī)反饋實(shí)際轉(zhuǎn)速和位置改善PID控制，使電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨指令曲線變化。

圖9 控制策略結(jié)構(gòu)圖

5 試驗(yàn)

5.1 旋變解算電路測(cè)試

無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的準(zhǔn)確性是系統(tǒng)控制的核心，如圖10(a)所示旋變的激勵(lì)信號(hào)和正、余弦信號(hào)測(cè)試波形的關(guān)系，其中輸出正、余弦信號(hào)正交且與激勵(lì)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)重合，說(shuō)明旋變輸出信號(hào)能夠正確地反映電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置；圖10(b)為解算芯片輸出的12位數(shù)字量信號(hào)的波形曲線，其為典型的鋸齒波，解算精確。

(a)旋變的激勵(lì)與輸出信號(hào)(b)解算芯片輸出數(shù)據(jù)波形

圖10 旋變解算電路測(cè)試波形

5.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

為便于測(cè)試控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一套基于LabWindows/CVI的上位機(jī)測(cè)試平臺(tái)軟件，通過(guò)SCI通訊接口與控制器進(jìn)行RS-232通訊，將控制器的各個(gè)參數(shù)、信號(hào)波形實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)測(cè)試平臺(tái)，便于調(diào)試。

圖11為電機(jī)1、電機(jī)2在不平衡負(fù)載下完成整個(gè)行程(負(fù)載從最高位置下放至最低位置后，再?gòu)淖畹臀恢锰嵘磷罡呶恢?到位信號(hào)有效))的速度指令、速度反饋、速度誤差曲線；圖12為在此過(guò)程中電機(jī)1、電機(jī)2的位置(轉(zhuǎn)數(shù))信息。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，轉(zhuǎn)速、位置反饋與設(shè)定值誤差較小，不僅滿足系統(tǒng)調(diào)速穩(wěn)定性要求，同時(shí)滿足雙電機(jī)同步控制重物升降的技術(shù)要求。

圖11 電機(jī)1、電機(jī)2速度曲線圖12 電機(jī)1、電機(jī)2位置信息

6 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)重物提升過(guò)程中，電機(jī)同步運(yùn)行的需求，提出雙DSP同步控制雙無(wú)刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)控制需求進(jìn)行硬件、軟件設(shè)計(jì)，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及精度要求，采用改善的PID控制策略調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本文所設(shè)計(jì)的基于雙dsPIC30F6010的雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙電機(jī)同步控制的要求，控制穩(wěn)定性及精度能夠滿足需求。對(duì)多電機(jī)的協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域的發(fā)展，具有重要的理論基礎(chǔ)及現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 劉濤，王宗義，孔慶磊,等．基于CAN總線的多電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J]．機(jī)床與液壓，2010，38(3)：75-77.

[2] 葛研軍，趙楊，楊均悅．基于雙DSP的多電機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)[J]．電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39(2)：21-24.

Synchronous Control System for Dual Motor Based on Dual dsPIC30F6010

LIQiang

(Shanghai Aviation Electric Co., Ltd.，Shanghai 201101，China)

With the improvement of industrial automation level, the control accuracy of multi-motor coordination requires higher and higher. Based on the background of weight lifting control and the theory of brushless DC motor (BLDCM) speed control, the control system with double dsPIC30F6010 for coordinated controlling double BLDCM synchronous operation was designed. Proportion integral separation, incomplete differential method and feed forward control method were combined with the typical PID control algorithm, completing accurate control of speed and position double closed loop for the single motor, to make the coordinate movement of two BLDCM in accordance with the predetermined speed curve to reach the setting position accurately. The software written by LabWindows/CVI was used to monitor the system status, validating the rationality of the designed control system.

dual dsPIC30F6010; brushless DC machine (BLDCM); synchronization control; improved PID; LabWindows/CVI

2015-04-09

TM33

A

1004-7018(2016)06-0078-04

李強(qiáng)(1982-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、嵌入式系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)。