一種直流力矩電機(jī)精確控制的新方法

1、廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)2007年第10期JournalofGuangdongPolytechnicNormalUniversityNo.10,2007一種直流力矩電機(jī)精確控制的新方法高冰張萍(廣東技術(shù)師范學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院,廣東廣州510635)摘要:針對(duì)直流力矩的閉環(huán)調(diào)速控制,、精確控制問(wèn)題。介紹算法,并給出實(shí)現(xiàn)這一算法的技術(shù)方案。,共同組成閉環(huán)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。,。關(guān)鍵詞:;中圖分類號(hào):T:A文章編號(hào):1672-402X(2007)10-0001-0311引言在測(cè)量?jī)x器中,工件的某些參數(shù)檢測(cè)是在其穩(wěn)速下進(jìn)行的,直流力矩電機(jī)是帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的常用控件之一。因其負(fù)載能力強(qiáng),可工作在堵轉(zhuǎn),不必加齒輪變速,可

2、直接帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn),從而減小振動(dòng)、磨損對(duì)測(cè)量精度的影響。在測(cè)量系統(tǒng)中往往對(duì)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性要求較高,因此直流力矩電機(jī)的精確控制成為人們關(guān)注與研究的對(duì)象。實(shí)現(xiàn)快速、平穩(wěn)、精確的無(wú)極調(diào)速,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能價(jià)格比高是人們努力方向。筆者對(duì)直流力矩電機(jī)的精確控制進(jìn)行了較深入的研究?？偨Y(jié)出一種新的控制算法漸近調(diào)速法,并給出實(shí)現(xiàn)這一方法的技術(shù)方案。以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心,與集成馬達(dá)控制元件和測(cè)速單元共同組成閉環(huán)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的控制原理如圖1所示。ni-1:電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速。ni和ti:將調(diào)解的電機(jī)轉(zhuǎn)速和與其對(duì)應(yīng)的脈寬。21漸進(jìn)調(diào)速算法在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中,電機(jī)的調(diào)速要考慮電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)電樞電壓變動(dòng)大時(shí),轉(zhuǎn)

3、速變化快,調(diào)速過(guò)程加快,難免會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)量,會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行轉(zhuǎn)速在設(shè)定轉(zhuǎn)速ns的上下來(lái)回?cái)[動(dòng),造成電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)。本設(shè)計(jì)中采用漸進(jìn)調(diào)整算法,即每次轉(zhuǎn)速的調(diào)整量為設(shè)定轉(zhuǎn)速ns與當(dāng)前實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速ni-1之差ni-1的0.6倍。在調(diào)整過(guò)程中因設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速之差n1的不同,調(diào)整的次數(shù)也不同。將有實(shí)測(cè)各轉(zhuǎn)速n1,n2,n3nM,逐次逼近設(shè)定轉(zhuǎn)速ns,直至ni量滿足使用要求,調(diào)速停止。當(dāng)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速ni-1低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)ns,轉(zhuǎn)速調(diào)整示意如圖2.a所示。預(yù)調(diào)轉(zhuǎn)速ni可用下式表達(dá):3(1)ni=ni-1+ni-10.6i=2,3,Mni-預(yù)調(diào)整的轉(zhuǎn)速,ns-設(shè)定轉(zhuǎn)速,ni-1-當(dāng)前實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速,ni-1=(ns-ni-1)速

4、度差。當(dāng)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速ni-1高于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)ns,轉(zhuǎn)速調(diào)整示意如圖2.b所示。有下式:圖1系統(tǒng)控制方框圖圖中:Tm:測(cè)速傳感器;f0:電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率;圖2轉(zhuǎn)速調(diào)整示意圖收稿日期:2007-02-20作者簡(jiǎn)介:高冰(1956-),女,遼寧沈陽(yáng)人,廣東技術(shù)師范學(xué)院高級(jí)工程師,主要從事機(jī)電一體化儀器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),自動(dòng)化、測(cè)控專業(yè)的教學(xué)與科研;張萍,女,廣東技術(shù)師范學(xué)院高級(jí)講師,主要從事計(jì)算機(jī)控制、數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的教學(xué)與科研。23高冰張萍:一種直流力矩電機(jī)精確控制的新方法第10期ni=ni-1-ni-10.6i=2,3,M(2)DSP的高速脈沖捕捉端。通過(guò)計(jì)數(shù)、解算可得電機(jī)實(shí)其中ni-1=ni-1-ns。直流力

5、矩電機(jī)的調(diào)整特性呈線性,當(dāng)采用PWM脈寬控制時(shí),脈沖周期一定,脈沖寬度與電機(jī)轉(zhuǎn)速可用下式表達(dá):(3)ti/ni=ti-1/ni-1i=2,3,.M3ti=niti-1/ni-1=(ni-1+0.6ni-1)ti-1/ni-1際運(yùn)行轉(zhuǎn)速,將其與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較,根據(jù)轉(zhuǎn)速差計(jì)算出控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)脈寬的調(diào)整量。312驅(qū)動(dòng)控制通道設(shè)計(jì)。DSP器件外圍設(shè)備庫(kù)中的事件管理器(EV)模塊,提供了大量的函數(shù)和功能部件,它們可以用于運(yùn)動(dòng)控。PWM1和PWM2(4)由當(dāng)前轉(zhuǎn)速ni-1和當(dāng)前脈寬ti-1計(jì)算出下一步預(yù)調(diào)整脈寬ti,反復(fù)幾次,直至達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速過(guò)程快速、平穩(wěn),軸的抖動(dòng)。的。因?yàn)檗D(zhuǎn)速ni-1ti-1,反映電機(jī)當(dāng)

6、前運(yùn)行條件下的控制關(guān)系,由此計(jì)算出的預(yù)調(diào)整脈寬符合電機(jī)的調(diào)整特性。按上述調(diào)整方法每次調(diào)整后剩余轉(zhuǎn)速差有:ni=ni-1=0.4Mn1。其中ni是滿足使用要求的轉(zhuǎn)0.4速差,n1是原始轉(zhuǎn)速差,M是調(diào)整次數(shù)。調(diào)整次數(shù)M可用下式表示:n1)/lg0.4M=lg(ni/(5)元出端,產(chǎn)生PWM信號(hào)。WM7EV模塊的簡(jiǎn)單比較器輸出端,產(chǎn)生位控信號(hào)。圖中IN3、IN4是L298中第二組橋驅(qū)動(dòng)電路PWM信號(hào)輸入端。ENB是L298單片驅(qū)動(dòng)電路工作狀態(tài)的使能端,接收位控信號(hào)。圖4DSP與L298接口電路31漸進(jìn)調(diào)速算法的實(shí)現(xiàn)采用閉環(huán)智能控制實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式調(diào)速?？刂葡到y(tǒng)由三部分組成:1。提取反饋的速度量,分析解算,

7、發(fā)出PWM脈沖的智能單元;2。對(duì)PWM脈沖功率放大驅(qū)動(dòng)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不等于設(shè)定的轉(zhuǎn)速時(shí),要改變控制電壓,即改變作用于電樞的平均電壓Vav。當(dāng)采用PWM脈沖控制時(shí),脈沖電壓的平均值應(yīng)等于電樞的平均電壓Vav。設(shè)PWM脈沖周期為T1,正向脈沖寬度為ti,則有脈寬占空比:=ti/T1。改變占空比即可獲電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)單元;3。反饋電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)速得不同的控制電壓,從而調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。脈沖周期T1單元。是常量,則占空比的改變?nèi)Q于正向脈沖寬度ti。311控制系統(tǒng)的構(gòu)成313速度反饋通道設(shè)計(jì)采用定點(diǎn)式數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320F24X速度反饋通道由霍爾測(cè)速傳感器和鎖相環(huán)構(gòu)成。為核心構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

8、其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。測(cè)速傳感器拾取的轉(zhuǎn)速脈沖f0經(jīng)鎖相環(huán)倍頻后,獲得DSP所具有的PWM脈沖輸出功能,為電機(jī)調(diào)速控制提N倍f0的脈沖信號(hào)Nf0,并將其提供給DSP。測(cè)速通道供了極大方便,其高速脈沖捕捉功能用于提取測(cè)速傳的構(gòu)成如圖5所示。來(lái)自測(cè)速傳感器的電機(jī)軸同步信感器的鎖相倍頻信號(hào)。號(hào)f0經(jīng)CD4528整形,供給鎖相器件CD4046和多級(jí)計(jì)數(shù)器CD4040組成的鎖相環(huán),經(jīng)倍頻可得到Nf0時(shí)鐘頻率。CD4046-Vcout輸出的Nf0脈沖提供給DSP的捕捉單元作為轉(zhuǎn)速測(cè)量輸入?？梢圆捎靡韵露N方式測(cè)速:1。倍頻脈沖計(jì)數(shù)法。2。倍頻周期測(cè)量法。圖3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖DSP的PWM脈沖經(jīng)集成控制

9、器功率放大,驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn),測(cè)速傳感器拾取轉(zhuǎn)速同步信號(hào),電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,傳感器拾取一個(gè)頻率為f0的脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)整形電路整形后供鎖相環(huán),經(jīng)倍頻后為128f0供圖5測(cè)速通道原理圖第10期高冰張萍:一種直流力矩電機(jī)精確控制的新方法331311倍頻脈沖計(jì)數(shù)法鎖相環(huán)電路中電機(jī)轉(zhuǎn)速的倍頻脈沖信號(hào)Nf0,作為DSP處理器的捕捉輸入信號(hào)。在一定時(shí)間Ty內(nèi)紀(jì)錄綜合上述分析:電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速高時(shí)宜采用倍頻脈沖計(jì)數(shù)法,轉(zhuǎn)速低時(shí)宜采用倍頻周期測(cè)量法。輸入的Nf0脈沖數(shù)Ny。則有等式:Ty=Ny/Nf0,由此解得:f0=Ny/NTy。41結(jié)束語(yǔ)常用的直流伺服電機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)由雙閉環(huán)構(gòu)成。主電路是PWM,反饋是速度控

10、制,。其測(cè)速是由測(cè)速發(fā)電機(jī)。本設(shè)計(jì)由數(shù)字信號(hào)處理器、集成馬達(dá)控制器、鎖相倍頻測(cè)速構(gòu)成單環(huán)系統(tǒng),測(cè)速回路由霍爾傳感器與鎖相倍頻電路構(gòu)成。入口是設(shè)定的轉(zhuǎn)速和倍頻脈沖,由數(shù)字信號(hào)處理器完成分析、比較、計(jì)算、判斷,出口是PWM脈寬控制信號(hào)。測(cè)速通道帶來(lái)的誤差很小,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。文中所探討的漸進(jìn)調(diào)速算法和技術(shù)方案可應(yīng)用于對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求較高的直流力矩電機(jī)控制系統(tǒng)中。參考文獻(xiàn):1廖效果,劉又武。數(shù)控技術(shù)M。武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版(6)(7)Ny有一個(gè)脈沖跳變的誤差。=1/Ny=1/TyNf0由式(8)可見(jiàn),即設(shè)定脈沖輸入的時(shí)間TyN。這二個(gè)參數(shù)值越大,測(cè)量精度越高,但Ty和N的取值應(yīng)兼顧整機(jī)工作效率和電路結(jié)

11、構(gòu)簡(jiǎn)潔。本設(shè)計(jì)中N取128。31312倍頻周期測(cè)量法鎖相倍頻脈沖信號(hào)Nf0供給DSP的高速脈沖捕捉端,取該信號(hào)的一個(gè)周期,在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)紀(jì)錄DSP內(nèi)部時(shí)鐘fs.脈沖個(gè)數(shù)Ny。則有表達(dá)式:(9)1/Nf0=Ny/fs.解得:(10)f0=fs/Ny.NNy有一個(gè)脈沖跳變的誤差。誤差的表達(dá)式為:=1/Ny=Nf0/fs(11)由式(11)可見(jiàn),影響測(cè)量精度有二個(gè)因數(shù),內(nèi)時(shí)鐘頻率fs和鎖相環(huán)的倍頻數(shù)N。內(nèi)時(shí)鐘頻率fs取值大,鎖相倍頻數(shù)N取值小帶來(lái)的測(cè)量誤差就小。本設(shè)計(jì)中N取128。社,2000。2劉和平,鄧力。DSP原理及電機(jī)控制應(yīng)用M。北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006。3高冰?；跀?shù)字信號(hào)

12、處理技術(shù)的基波信號(hào)提取方法J。軸承,2004。AnewmethodofprecisecontrollingaDCtorquemotorGaoBingZhangPing(GuangdongPolytechnicNormalUniversity,Guangzhou510665,China)Abstract:Inviewoftheclosed2loopspeedcontrolDCtorquemotor,agradualtimingalgorithmispresentedinthepaper,inwhichtheissues,suchasspeed,stableness,precisecontrola

13、ndsoon,willbesolvedintheprocessofregula2tingthespeed.Thealgorithmandthetechnicalprogramofhowtorealizeithavebeenintroduced.Theprogram,withthedigitalsignalprocessorasacore,isaclosed2loopservocontrolsystem,composedwithadrivenmotorcontrolleraswellasalock2octavespeedunit.Boththedesignofdrivingcontrolchannela