基于dsp的無刷直流電機控制系統的設計-資料下載頁

【導讀】結合的轉子位置檢測新方法，并通過“三段式”方法實現起動。調速性能，控制方法采用了轉速、電流雙閉環?？刂葡到y設計采用TI公司。TMS320LF240x系列的DSP芯片作為控制核心。借助于DSP強大的處理能力和。豐富的外設，整套系統省去了以往復雜的硬件電路，采用結構更加合理的軟件，實現了系統的大部分功能，從而提高了系統的可靠性。實驗結果表明，電機起動快速、穩定，具有較寬的調速范圍。還具有結構簡單、可靠性高等特點，具有廣泛的應用前景。

　　

【正文】 個數一致性作為選擇標準。比如，當加到一定速度時，自同步脈沖可以連續正確地檢測到，而且在連續的一段時間內，其個數與外同步個數完全一致，例如都為 n 個，則可認定現在已經可以切換 模式了。個數 n 取得太大，則起動時間民，快速性差 。個數。取得太小，就會導致切換失敗，使電機失步而停轉?？梢酝ㄟ^重復試驗，速性，選擇合適的個數 n。這種方法實現起來比較簡單，綜合考慮起動的快并且起動效果較好。 圖 切換過程波形圖 在本系統中選用后一種方法來實現同步切換。由于電機低速運行時反電勢很小，任何相位的反電勢都接近過零點，容易造成誤檢測，因此需要在電機外同步運行一段時間后，再檢測反電勢過零點，這段時間的長短可由試驗確定。 電機起動階段的電壓適應技術 在起動時電機處于開環運行階段，從而控 制系統無法根據起動時的反饋信息來自動調整脈寬，只能采用固定脈寬調制。如果采用相同占空比的驅動波形，當 26 主回路的供電電壓不同時將會產生不同的起動力矩。供電電壓高，則起動力矩大；供電電壓低，則起動力矩小。起動力矩過小，電機無法旋轉 。起動力矩過大，則易引起震蕩。而另一方面，系統需要在很寬的電壓范圍內都能正常起動。所以，電機在不同供電電壓下取得相同的起動效果顯得尤為重要，下面討論的電壓適應技術將解決這個問題。 當逆變器處于圖 所示的模式 0~1 時， dUV EMu ?? （ ） 其中 UVu : 逆變器輸出的 U和 V相之間的線電壓 。 M : 調制度，也是驅動信號的占空比 。 dE : 逆變器的輸入電壓。 從 ()式中可以看出，如果 dEM? 保持不變，則 UVu 也保持不變，也就是逆變器的輸出保持不變，電機 的旋轉力矩也將保持不變。同理，分析其它五種模式，也會得出類似結論。所以，當 dE 發生變化時，只要調整 M 使 dEM? 保持不變，電機就得到相同的起動效果 在此系統中， dE 測量是把主回路電壓經過濾波、分壓、 A/D 轉換、再由 CPU查表 (測量值 — 實際值關系表 )得出當電網電壓發生變化時， Ed 也隨之變化， CPU測得 dE 后，據此調整 M ，就可使逆變器輸出保持不變。這樣電機就可以在很寬的輸入電壓范圍內正常起動。 假起動現象的形成和辨別 如果電機在同步切換時，停轉或速度過低，繞組的反電勢接近零，因此，反電勢過零檢測開始的時刻，也是檢測到過零點的時刻，控制系統會誤認為己成功檢測到反電勢過零點，然后延遲 30176。 電角度，并切換導通模式，在延遲 15176。 電角度開始新一個反電勢過零點的檢測，如此循環，則控制系統會誤認為電機速度迅速在上升而不是停 止，這個過程稱為“假起動”。 27 怎樣辨別電機是“假起動” ? 在“假起動”時，控制系統檢測到的電機速度會迅速上升，當超過目標速度時，就會利用反饋調節降低驅動波形的占空比，即輸出電壓。隨后，檢測到的電機速度不斷升高，驅動波形的占空比不斷減小。我們利用這一特點可自動檢測出“假起動”，當電機速度高于目標速度而占空比低于某值時，就可確定電機處于假起動狀態。檢測出“假起動”后，停止驅動波形的輸出，延遲一段時間后，再重新起動。 轉速、電流雙閉環控制 無刷直流電機的轉速是通過改變逆變器的輸出電壓來控制的， CPU 通過調節驅動波形的脈沖寬度來調節輸出電壓，輸出最低電壓為 0，最高電壓為 100%占空比的電源電壓。施加給電機的電壓一定時，電機的輸出轉矩與轉速成反比，電機以能產生和負荷轉矩相平衡的轉速運轉。當電壓升高時，如轉速不變，則必將使轉矩加大，而轉矩加大最終使轉速提高。同樣原理，當電壓降低時，轉速也降低。 本系統采用速度環和電流環串聯的雙閉環控制策略，當電機處于自同步運行狀態時，控制器根據測出的電機位置切換信息計算出當前轉速，速度給定信號與當前轉速在 DSP 中進行 PID 計算 (速度環 )得到電流的參考值，電機繞組電流反饋信號由電流 傳感器從 A/D 口送入 DSP, A/D 轉換得到當前電流值，將當前電流值與電流參考值進行 PI 計算 (電流環 )，最終通過電流環的 PID 調節算法實現對電機驅動波形的脈寬調制，從而控制電機達到預定的轉速。 PID 控制原理 在機電系統的控制中，最簡單、最通用的控制器是比例 — 積分 — 微分控制器，簡稱 PID 控制器。其中符號 P 代表比例， I 代表積分， D 代表微分。 PID 控制結構簡單，參數易于整定，在長期應用中己積累了豐富的經驗，是控制系統中技術成熟，應用最為廣泛的一種控制器。 1. 模擬 PID 控制器 28 模擬 PID 控制的 框圖如圖 所示。 K pK i / sK d s被 控 對 象R ( s ) +E ( s )_+U ( s ) C ( s )++ 圖 模擬 PID 控制方框圖 圖 中， )(sR 為設定值 。 )(sC 為實際輸出值 。 )(sE 為偏差 。 )(sU 為控制量。將偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過線性組合構成控制量，對控 制對象進行控制，故稱 PID 控制器。其控制規律為 : )()()( sCsRsE ?? （ ） )()()( sEKsKKsU dip ??? （ ） 或 01 ( )( ) ( ) ( )tPdid e tu t K e t e t d t TT d t??? ? ?????? （ ） 2. 數字 PID 控制算法 由于計算機控制的特點，需對模擬 PID 算法離散化，假設采樣周期為 T ，在采樣時刻 kTt? ,可得數字 PID 控制算法如下 : 0( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) )k dP ii TTu k T K e k t e iT e k T e k T TTT???? ? ? ? ?????? () 為了書寫方便，將 )(kTe 簡化成 )(ke , )(kTu 簡化成 )(ku , 即省去 T ，式 ()可簡化為 : 0( ) ( ) ( ) ( ( ) ( 1 ) )k dP ii TTu k K e k e i e k e kTT???? ? ? ? ?????? （ ） 或 29 0( ) ( ) ( ) ( ( ) ( 1 ) )kP i diu k K e k K e i K e k e k?? ? ? ? ?? （ ） iK 為積分系數， ipi TTKK? ； dK 為微分系數 , TTKK dpd ? 。只要采樣周期T 足夠小，就能保證有足夠的精度。 ()以及 ()式稱為位置式 P1D 算法。由()可推導出下式 : 10( 1 ) ( 1 ) ( ) ( ( 1 ) ( 2 ) )kP i diu k K e k K e i K e k e k??? ? ? ? ? ? ? ?? （ ） 令 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ?則有： ()uk?? ? ? ? ?( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )P i dK e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? （ ） 上式稱為增量式 PID 算法，可將此進一步改寫為 : ()uk?? ( ) ( 1 ) ( 2 )A e k B e k C e k? ? ? ? （ ） 式中 1 dP i TTAK TT??? ? ?????, 21 dP TBK T??? ? ?????, dPTCKT? 由 ()以及 ()可得 : ( ) ( ) ( 1 ) ( 2 ) ( 1 )u k A e k B e k C e k u k? ? ? ? ? ? ? ? （ ） ()與 ()并無本質區別，卻帶來了不少優點 : (1)計算機輸出增量，所以誤動作影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉。 (2)手動 /自動切換時沖擊小，便于實現無擾動切換。此外，當計算機發生故障時，由于輸出通道或執行裝置具有信號的所存作用，故仍能保持原值。 (3)算式不需要累加?？刂圃隽康拇_定僅與最近 k 次的采樣值有關，所以較容易通過加權 處理而得到比較好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之處 : 積分截斷效應大，有靜態誤差 。溢出的影響大。因此，在編程中，應對積分作用加以限幅，并在誤差過零時對積分項清零。這樣有利于減小積分累計帶來的大誤差。 雙閉環調速系統的設計 具有轉速和電流反饋的雙閉環調速系統屬于多環控制系統， 每一閉環都設有 30 本環的調節器，構成一個完整的閉環系統。設計多環系統的一般方法是，由內環向外環，一環一環地設計。對雙閉環調速系統，先從內環 (電流環 )開始，根據電流控制要求，確定將電流環校正為哪種典型系統，按照調節對象選擇調節器及其參數。設計完電流環之后，就把電流環等效為一個小慣性環節，作為速度環的一個組成部分，然后用同樣的方法完成速度環的設計。 1. 雙閉環調速系統結構 本系統所采用的串級雙閉環控制系統，其控制原理框圖如圖 所示。整個系統由兩個控制器組成。其中電流數字 PI 控制器稱為副控制器構成電機控制系統的 內環。而速度數字 PID 控制器稱為主控制器，構成速度環 (即外環 )，主控制器輸出的控制量作為副控制器的給定量。采用串級控制的結構可以有效提高系統的抗干擾能力，并能夠通過調整副回路的參數提高系統的穩定性。在實際控制中，要對系統進行歸一化運算。 圖 雙閉環調速系統原理框圖 2. 電流環設計 按照多環系統的設計方法，先對內環 (即電流環 )進行設計。如圖 中所示，虛線框內是電流環的結構框圖。在本系統中電流環采用增量式 PI 控制。在設計中，先確定內環的控制參數，人為給定電流給定值 ()JgVk，啟動電流采樣得到當前電流值，將兩者的差值 ()ek? 作為 PI 調節的輸入量，進行 PI 調節。 3. 速度環設計 31 在設計完電流環之后，接下來對速度環進行設計。在計算機控制系統中， PID控制規律是用計算機程序來實現的，因此靈活性很大，可以根據實際情況對數字PID 算法進行改進。在數字 PID 控制器中引入積分環節的目的，主要是為了消除靜差、提高精度。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定值時，短時間內系統輸出有很大的偏差，會造成 PID 運算的積分積累，導致算得 的控制量超過執行機構可能最大動作范圍對應的極限控制量，最終引起系統較大的超調，甚至引起系統的震蕩。積分分離 PID 算法就可以有效的避免上述情況，既保持了積分作用，又減少了超調量，使系統性能有較大的改善。其具體實現為 :根據實際情況，人為設定一閉值 。當偏差值大于這一閉值時，采用 PD 控制，可避免過大的超調量，又使系統有較快的響應 :當偏差值小于這一閉值時，采用 PID 控制，可保證系統的控制精度。 因此，在速度環的設計中，我們對增量式 PID 算法作以改進，引入積分分離的方法。將兩者結合作為實現速度環 (外環 )的控制。 4. 采樣周期的選取 采樣周期的選取受多方面因素的制約。從系統控制品質上看，希望采樣周期T 小一些，這樣接近 , N 連續控制，控制效果好。從執行機構的特性來看，例如無刷直流電機的轉速，響應速度低，采樣周期不能過短，如果過短，執行機構來不及響應，達不到控制目的。從控制系統的快速響應來說，要求周期短一些。從計算工作量來看，則希望周期長一些。并且反饋信號的獲取，控制量的計算都會造成一定的時間延遲，也會影響反饋調節的性能，從而影響周期的選取。 串級控制系統的計算順序是先運算主回路 (PID 控制器 )后運算副回路 (硬件電流半滯 環 )?？刂品绞接袃煞N :一種是異步采樣控制，即主回路的采樣控制周期 T1 是副回路采樣控制周期 T2 的整數倍。這是因為一般串級控制系統中主控對象的響應速度慢，副控對象的響應速度快的緣故。在本控制系統的設計中，電流環的抽樣速率是速度環的 10 倍以上，既保證了對瞬時電流的抑制，也保證了 32 速度控制的平穩性 。這主要是由于電機的 e? 和 m? 的差異而決定的。電流環采樣周期選定為 ，相當于載波周期為 5k，速度環采樣間隔選定為 220mS，依不同位置、速度而變化。 PID 的參數整定 確定 PID 參數，可以用理論方法，也可以用實驗方法。理論方法需要有被控對象的準確模型，但準確模型一般很難得到，并且系統的參數也會隨時間而變化。因此，在工程上 PID 參數常常是通過實驗來確定。為了減少實驗次數，可參照經驗公式導出基準 PID 參數，在此基礎上再湊試。 本系統選用 ZieglerNichols方法來整定參數。這種方法需要做穩定邊界實驗。選用純比例控制，給定值 r 為階躍信號，將比例系數由小變大，直到被控量出現臨界震蕩為止，如圖 所示 記下臨界震蕩周期 CT 和臨界增益 CK ，然后由表 推薦的經驗公式計算 PK 、 IT 、 DT 。將上面所得的參數 PK 、 IT 、 DT 用于實際對象，根據實驗結果和性能指標要求