ARM平臺的矢量和PID交流電機控制系統①

于 李 ,張 莉 ,郭 彬 ,劉兆峰 ,白洪超

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

ARM平臺的矢量和PID交流電機控制系統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 信息與電氣工程學院,濟南 250101)2(讓東天元安裝工程有限公司,濟南 250101)3(濟南市拆遷服務公司,濟南 250101)4(讓東艾諾儀器有限公司,濟南 250101)

交流電機具有結構簡單、制造容易、成本低、容易控制等等特點,在許多場合中逐步取代直流電機,成為電機使用者的首選,但是交流電機的調速系統復雜,在使用上很難達到和直流電機相媲美.文章設計一套基于ARM平臺的矢量控制和PID算法的交流電機控制系統,實現對交流電機的精確的控制.系統分為硬件、軟件、和上位機界面三部分,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,使用KEI MDK軟件開發工具編程,上位機采用LabVIEW軟件編寫測試界面,運行PID程序,最終開發出一套用于交流電機調速系統的電機控制.

交流電機; ARM 芯片; 矢量控制; PID 算法

從電機被發明制造出來以后,電機在各個行業發揮了重要作用,電機主要是將電能轉換成機械能,電機拖動系統由于容易控制穩定性好被廣泛的應用.在應用上分為直流電機和交流電機,直流電機最早在電機領域占據絕對優勢,在車床牽引、礦井卷揚機、城市列車、船泊動力等等各個方面都有應用.但是直流電機存在明顯的缺點,首先直流電機在生產的時候工藝復雜,原材料的成本貴; 自身的結構電刷和換向器在電機使用的時候容易損壞,后期對電機的維護麻煩,直流電機現在應用的領域只局限在調速性能要求不嚴的地方.交流電機逐漸取代直流電機在電機拖動領域中的地位,交流電機生產工藝簡單、在使用的環境中抗干擾能力強、制造成本低、后期的維護簡單.但是后者的控制起來比前者更加復雜,一直無法應用到重要行業中.在交流電機的使用過程中,針對交流電機的調速問題,嘗試了多種方法,但是效果不明顯,制約著交流電機的使用范圍.

文中將采用矢量控制和PID相結合的方式對其調速,能夠取得良好的效果.

1 矢量控制技術

實現交流電機的控制方法有很多,最有效的方法是變頻調速,但是由于交流電機內部存在偶爾效應,要實現高動態性能的調速必須建立感應電機數學模型,矢量控制是使用在動態數學模型調速最多的一種技術.該技術在電子和電機拖動技術出現和廣泛應用的基礎上,被嘗試應用到交流電機控制領域上.技術的基本思想把利用算法把交流電機的數學模型轉換成類似直流電機的數學模型,實現了類似直流電機化控制[3].

矢量控制主要用到3/2轉換和同步旋轉轉換,交流電機的定子電流 ia、ib、ic,通過三相-兩相變換,將其等效看作兩相坐標交流ia1和ib1,在經過同步旋轉變換,等效成直流電流Id和Iq,把定子電流分解it電樞轉矩和im勵磁電流矢量,分別控制大小和方向,模仿控制直流調速技術,然后就可以像控制直流電機那樣控制交流電機了[1].圖1中的3/2表示三相-兩相變換、VR表示同步旋轉變換,交流電機坐標變換如圖1所示.

圖1 矢量控制交流電機坐標變換圖

2 交流電機 PID 系統硬件設計

2.1 核心芯片電路

在硬件電路設計中,核心芯片需要具有強大的運算和處理數據的功能,來完成復雜的算法,選用ARM公司生產的STM32F103RET6芯片,用芯片內部的高級定時器產生PWM脈沖波,然后通過逆變驅動電路驅動交流電機,交流電機運轉后,通過電流采集電路采集三相電流通過A/D通道,傳輸到ARM芯片中,電路中STM32F103RET6芯片運行已經編寫好的PID算法程序,來控制交流電機的轉速,并將交流電機的轉速和PID參數上傳到上位機界面[6],交流電機系統結構如圖2.

圖2 交流電機系統結構圖

2.2 電流采集電路

PID算法控制最終是對電機的三相電流進行控制,這里采集三相電流中的兩相 Current A 和 Current B.采集到的電流,經過LMV358芯片進行放大,送到SS495A芯片中,然后傳輸到STM32F103RET6芯片的A/D采集通道,送到ARM內部,通過內部PID算法對采集到電流進行控制.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,與磁場的強度成正比.它的測量準確度高、溫度上下限大,在測試電流電路中應用廣泛.LMV358芯片是集成運算放大器,芯片內部有兩個獨立的、高增益雙運算放大器,這里對檢測的交流電流信號進行放大,適合在單電源或者雙電源工作.

2.3 逆變驅動電路

為了擴大和方便其使用環境,文中這里設計采用蓄電池供電,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600 V的直流電壓,通過IGBT的接通和關斷,輸出交流提供給電機使用.

圖3 電流檢測電路

圖4 逆變驅動電路

2.4 PID上位機界面

PID算法主要通過各個參數的經驗試湊,可以快速得到結果,這里通過 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)實驗室虛擬儀器集成環境這款上位機軟件,編寫上位機的界面,實現PID運算的功能.LabVIEW上位機軟件和Delphi以及Visual C++這幾個使用文本編程的編程語言不同,其采用G 語言開發程序和畫面,簡潔方便,容易操作,使用模塊形式的編程方式.在使用G語言編程時候,不需要編寫代碼,程序是由圖標和連線組成的流程圖.LabVIEW程序運行通過數據流驅動,可以通過相互連接功能方框圖開發出應用程序,是一個面向最終用戶的編程工具,在測試和控制領域得到廣泛應用[5].

LabVIEW軟件利用自帶的PID工具箱,實現軟硬件的有效結合,在軟件的界面上分別增加比例增益Kp、積分時間Ki和微分時間Kd的的數值輸入框,根據需要輸入不同的參數,運行軟件后,就可以得到P、PI、PD、PID的數值,界面實現了PID參數Kp、Ki、Kd在線自適應,可以根據數值觀察對電機電流的調整情況,增加了PID使用的方便性,軟件簡單易于修改.下圖中采用一組數值來實現PID具體運行情況,設定值輸入100、比例項輸入3000、積分相輸入30,然后運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 上位機界面

3 PID 算法軟件設計系統

硬件電路完成后,需要對軟件進程編制,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,在應用時使用該算法實現對系統的控制.PID算法使用是只需設定幾個參數在實際中應用范圍廣,在實際應用中當被測試的對象的參數難以確定,不能搭建準確的數學模型,其他的技術都不能應用的時候,控制器的結構和參數可以通過經驗和不斷的現場調試來確定,這時候采用PID控制最合適.工業控制中有些是非線性或者時變的,可以對其簡化變成線性和不變的系統,可以通過PID控制.PID的參數可以根據工業控制過程進行整定,根據得到的數據不斷對其進行改進.

交流電機調速需要把轉速作為給定量,建立一個閉環系統,實現電機調速的控制.其速度調節改變電流的大小對電磁扭矩的輸出控制.電流調節作用在交流電機上,體現在交流電機的啟動停止、加速和減速方面,根據給定值的與反饋值進行算法計算,對交流電機實現轉速改變,PID閉環反饋控圖如圖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,對反饋值的誤差進行跟蹤,實現對控制量的調節,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、積分部分常數和微分部分的常數,下面介紹這三個環節的校正作用[4].

(1)比例部分.比例部分主要是迅速對控制系統的偏差信號通過比例反應做出控制,減輕偏差信號的變化是比例部分的數學式,需要合理的調整K(p)的數值,數值過大,會使系統越不穩定,數值過小,系統的調節精度下降.

(2)積分部分.積分部分起到對被控制量在穩態時對設定值的無靜差跟蹤的作用是積分部分的數學式,有偏差時,就會起到控制作用,直到偏差為零,積分的數學式就是為了消除偏差.時間常數Ti對積分部分有著重要作用,Ti的數值增大時,積分起到的作用變小,系統偏差去除的時間變長,Ti的數值減小時,積分起到的作用變大,系統偏差去除的時間縮短.

電機控制系統運行后,ARM單片機通過傳感器檢測到電流信號,如果有通過模數轉換,檢測電壓和電流值是否整頓,不正確進入保護模式,停止運行[5].通過PID程序調整電流大小,控制PWM的輸出,最終控制交流電機的速度[2],如圖7所示.

圖7 電機加速/減速過程流程圖

軟件程序開發采用C語言,C語言生成代碼質量高、使用范圍廣,容易移植,C語言的重要特點是可以在多種操作系統上編程,如最早的DOS、現在用的最多的Windows各個版本的以及Linux操作系統,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、提高豐富的庫函數調用,程序結構緊湊.這里采用STM32提供的函數庫開發和電機函數庫,提高了程序的開發速度,PID部分算法如下所示.

4 結語

文章設計一套在ARM平臺上運行的矢量控制和PID算法對交流電機的控制系統,文中分別在硬件、軟件和上位機界面方面進行介紹.對矢量控制在交流電機方面的應用進行了說明,給出了硬件電路設計,以及PID算法在交流電機中的應用,通過軟件編程實現和Labiew上位機運行PID算法,通過不斷的實驗,已經制作出硬件電路和編寫好軟件程序,可以實現對交流電機的控制.

1阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統——運動控制系統.4 版.北京:機械工業出版社,2009.

2陳安紅.電動汽車電機驅動控制系統研究[碩士學位論文].西安:長安大學,2006:55–62.

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

4李偉起.PID參數自整定在交流調速系統中的應用研究[碩士學位論文].沈陽:沈陽理工大學,2007:29–30.

5楊光.電動車無刷直流電機無位置傳感器控制研究[碩士學位論文].天津:天津大學,2008.

6袁帥,汪明,韓穎,等.基于 ARM 的模糊 PID 直流電機控制系統.計算機系統應用,2015,24(4):58–63.

7李相哲,蘇芳,林道勇.電動汽車動力電源系統.北京:化學工業出版社,2011.

8陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現代電動汽車技術.北京:北京理工大學出版社,2002.

9塔濟那特羅斯基.異步電動機的控制.李鶴軒,李楊譯.北京:機械工業出版社,1994.

10李永東.交流電機數字控制系統.北京:機械工業出版社,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交流電機控制系統.計算機系統應用,2017,26(10):256–260.http://www.c-sa.org.cn/1003-3254/6024.html

2017-01-18; 采用時間:2017-02-26