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O 引言 無(wú)刷直流電機(簡(jiǎn)稱(chēng)BLDCM)是一種用電子換向器取代機械電刷和機械換向器的新型直流電動(dòng)機，具有結構簡(jiǎn)單，調速性好，效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)得到廣泛應用。TMS320F2812數字信號處理器是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)DSP控制器，器件上集成了多種先進(jìn)的外設，具有靈活可靠的控制和通信模塊，完全可以實(shí)現電機系統的控制和通信功能，為電機伺服系統的實(shí)現提供了良好的平臺。本文設計了以高性能TMS-320F2812DSP芯片為核心的無(wú)刷直流電機伺服控制系統。 1 伺服控制系統硬件構成及其工作原理 系統硬件框圖如圖1所示。 1.1 控制電路 控制電路是以F2812為核心，另外還包括位置編碼、數據采集、數據通信等功能模塊和部分外圍電路及數據接口，其主要功能是實(shí)現對被控對象位置信息的采集和處理，速度反饋信息的接收和處理，位置、速度的閉環(huán)控制。F2812片內具有12位的AD轉換器，但為提高伺服系統運動(dòng)的精度，在DSP外圍擴展了兩片6路16位的AD轉換芯片，用來(lái)采集反饋信號以及輸入的運動(dòng)指令信號。 系統設計同時(shí)采用DSP和CPLD以提高電路的可行性。DSP所起到的作用主要是根據反饋的位置，速度信號，結合電機的運動(dòng)方向和運動(dòng)速度，利用F2812片上的電機控制專(zhuān)用外設EVA，通過(guò)數字I/O口輸出1路與電機運動(dòng)相對應的PWM波。CPLD根據輸入的PWM信號，控制信號和數字信號組成的換相時(shí)序信息輸出對應大小和對應時(shí)序的相電壓，從而驅動(dòng)電機做相應的運動(dòng)。 1.2 信號采集以及調理電路 該電路對各種傳感器信號及電流電壓信號進(jìn)行采集并處理。包括采樣的電流電壓反饋信號，給定的控制信號等模擬量信號，以及霍爾傳感器的輸出等開(kāi)關(guān)量信號，經(jīng)調理電路處理后，使其幅值及電平可以滿(mǎn)足DSP控制器的要求。 本系統使用AD7656對采集來(lái)的模擬信號進(jìn)行模數轉換。F2812的GPIOA0口與74ACl6373的使能端相連，用于使能鎖存器，GPIOAl與CONVSTX相連，用來(lái)啟動(dòng)6路A/D的同時(shí)轉換。GPIOA2連接BUSY信號，AD7656轉換結束后，BUSY信號變低，DSP以查詢(xún)方式接收AD數據。74ACl6373用于鎖存AD轉換后的16位數據，74LSl38用于將DSP地址線(xiàn)譯碼與AD7656的片選信號相連。 1.3 驅動(dòng)電路 電機的驅動(dòng)電路由驅動(dòng)芯片IR2130和三相全逆變電路構成。功率驅動(dòng)電路采用+15 V供電，驅動(dòng)芯片IR2130內置了2.5 μs的死區時(shí)間，防止統一橋臂的上下兩個(gè)MOSFET同時(shí)導通。當系統出現欠壓，過(guò)流時(shí)，IR2130啟動(dòng)內置的保護電路鎖住后面的PWM輸出，保護系統電路。IR2-130的輸入信號是由CPLD解算而得的6路PWM波，經(jīng)過(guò)光耦隔離后送入IR2130，輸出信號送MOSFET驅動(dòng)無(wú)刷直流電機。在三相逆變電路中，六個(gè)功率器件起繞組開(kāi)關(guān)作用，采用兩兩通電，三相六狀態(tài)方式，每一個(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導通，每隔1/6周期(60°電角度)換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管一次導通120°電角度。 2 伺服系統的控制策略 本系統是通過(guò)電流、速度、位置三閉環(huán)結構實(shí)現系統控制的，其中電流環(huán)和速度環(huán)是內環(huán)，位置環(huán)是外環(huán)。 圖2是無(wú)刷直流電機控制系統框圖，在系統中設置了速度PI調節器和電流PI調節器，分別調節電機的轉速和電流，兩者之間是串級連接。給定的位置信號U與反饋的位置信號position經(jīng)過(guò)位置PID調節后得到速度的參考值SDref。根據兩次捕獲的時(shí)間可以計算出電機運行的速度speed，此速度作為速度參考值的反饋量，經(jīng)過(guò)速度PI調節后可以得到參考電流Iref，通過(guò)電流檢測電路可以得到電流的反饋量I，再經(jīng)過(guò)電流PI調節，最后得到的調節量用來(lái)控制PWM的占空比，即把速度調節器的輸出當做電流調節器的輸入，再以電流調節器的輸出去控制PWM裝置。 2.1 電流環(huán)控制 電流環(huán)是通過(guò)電流反饋控制使電機電樞電流線(xiàn)性受控，可達到電機輸出力矩的線(xiàn)性控制，并使其動(dòng)態(tài)范圍響應快，安全性提高。 在實(shí)際應用中，為加快系統響應速度，減輕DSP負擔，采用模擬實(shí)現方法。將電阻串聯(lián)在電樞回路上，同時(shí)起到一個(gè)功率變換電路的過(guò)電流保護作用。通過(guò)電流反饋控制使電機電樞電流線(xiàn)性受控，可達到電機輸出力矩的線(xiàn)性控制，并使其動(dòng)態(tài)范圍響應快，安全性提高。 電流環(huán)設計中，電流調節器選用PI調節器;限幅器可以和電流調節器做在一起，限幅值由PWM功放輸入范圍確定  WM功放選用專(zhuān)用集成電路;濾波保護網(wǎng)絡(luò )采用LC網(wǎng)絡(luò )提高EMC水平，二極管網(wǎng)絡(luò )保護PWM功放選;電流調節器選用PI調節器;采樣電阻選用O.1Ω，如果所選PWM功放具有電流測量端子，也可以直接讀出電機電流值。圖3為電流環(huán)控制框圖，R-電機電樞電阻，Tm-電機時(shí)常數。Ks-功率放大器電壓放大系數。電流環(huán)設計的參數：PI調節器，一階無(wú)靜差;輸出最大電流≥0.63 A，反饋系數為15.873;帶寬≥30 Hz;τi選為電機等效時(shí)常數。 2.2 速度環(huán)控制 速度環(huán)是位置環(huán)的重要內環(huán)路，速度閉環(huán)可改善控制對象的線(xiàn)性度，提高速度控制精度，改善電網(wǎng)電壓等對電機轉速的影響，提高抗干擾能力，改善系統性能。 轉子旋轉一周的時(shí)間內，霍爾傳感器輸出3路180°的交疊信號，電動(dòng)機每轉動(dòng)60°就有一次換相，只要檢測兩次換相的時(shí)間間隔就能計算出電機的速度。 2.3 位置環(huán)控制 位置環(huán)是通過(guò)安裝在電機轉軸上的電位器實(shí)現閉環(huán)的控制環(huán)路，位置環(huán)路的控制對象是電流環(huán)和傳動(dòng)機構。由電位器測得的電壓信號經(jīng)過(guò)信號解調和AD轉換得到位置反饋信號。由于位置環(huán)具有很大的不確定性，加之被控對象的非線(xiàn)性以及系統參數的時(shí)變性等，為了減小電機在運行過(guò)程中積分校正對系統動(dòng)態(tài)性能的影響，本系統對位置環(huán)采用積分分離的PID算法。如圖4所示，積分分離法是在誤差量較大時(shí)，不進(jìn)行積分，直至誤差達到一定值之后，才在控制量的計算中加入積分累積。算法為： 3 系統軟件實(shí)現 伺服控制系統的軟件采用模塊化設計，使軟件組織靈活有序，便于調整、修改和移植。DSP程序主要由主程序，信號采集與輸出程序，PID算法程序，串口通信程序，濾波程序等組成。主程序首先是DSP的初始化，包括設置系統時(shí)鐘、定時(shí)器、系統狀態(tài)寄存器、設置IO端口。然后初始化中斷設置，確定系統所需要用到的中斷類(lèi)別及中斷子程序，再設置事件管理器，產(chǎn)生PWM波。圖5為積分分離的PID程序流程圖，用積分分離的改進(jìn)算法效果較好，程序簡(jiǎn)單。 4 結束語(yǔ) 本文設計了一種基于TMS320F2812DSP的無(wú)刷直流電機伺服控制系統，采用積分分離的PID控制算法，根據偏差，對不同情況進(jìn)行不同的PID控制，并對系統的硬件設計以及控制算法進(jìn)行了研究。試驗結果表明，系統響應快，性能穩定，能較好的滿(mǎn)足伺服系統的控制性能要求。 |
