基于DSP的無(wú)刷直流伺服電機(jī)精確控制策略

1、Equipment Manufactring Technology No.4, 2008 收稿日期 :2008-01-22作者簡(jiǎn)介 :田小龍 (1976 , 男 , 河北蔚縣人 , 工學(xué)碩士 , 研究方向 :機(jī)電控制系統(tǒng) 。基于 DSP 的無(wú)刷直流伺服電機(jī)精確控制策略田小龍 , 楊曉京 , 張兆隆 , 文光偉(昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 , 云南 昆明 650224摘要 :采用 TI 公司的 TMS320F2812DSP 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)永磁無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn) 、 定位準(zhǔn)確 、 啟動(dòng)快 、 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小 、 速度控制靈活的控 制 。 此伺服電機(jī)控制采用電流 、速度 、 位置閉環(huán)直流調(diào)速的控制策略

2、 , 通過(guò) PID 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流 、 速度 、 位置的調(diào)節(jié) , 實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī) PWM 調(diào)速的實(shí)控制性 、 高精度以及無(wú)極調(diào)速 , 為伺服電機(jī)的控制提供了一個(gè)理想的解決方案 。 關(guān)鍵詞 :DSP ; 無(wú)刷直流電機(jī) ; PID ; PWM 中圖分類(lèi)號(hào) :TM383.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :1672-545X (2008 04-0060-03對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制經(jīng)歷了從模擬控制電路到以 單片機(jī)為核心的數(shù)字控制電路的發(fā)展過(guò)程 , 但都存在著內(nèi)在的 缺陷 。 前者由于模擬器件易老化而且對(duì)溫度變化敏感 ; 后者雖 然克服模擬器件的內(nèi)在缺陷 , 但運(yùn)算速度慢 , 難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工 業(yè)對(duì)

3、電機(jī)實(shí)時(shí)控制的要求 。具有較高運(yùn)算速度的 DSP 在電機(jī)控制的應(yīng)用是一個(gè)新領(lǐng) 域 。 尤其是 TM S320LF2812DSP 控制器具有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所需要的 專(zhuān)用外設(shè)事件管理器 EV , 如 PWM 產(chǎn)生電路等優(yōu)點(diǎn) , 同時(shí)它具 有強(qiáng)大的數(shù)字處理特點(diǎn) :40M IP 的速度 (每秒百萬(wàn)條指令 使F2812控制器可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的 16位微控制器和微處理器的性能 。人們從傳統(tǒng)的單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向現(xiàn)代高速數(shù)字信號(hào)處理 DSP 芯片的數(shù)字化控制系統(tǒng) , 通過(guò) DSP 本身自帶的電機(jī)控制接口功能 , 結(jié)合 DSP 的高速字控制算法 , 使直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 具有高精度 、響應(yīng)快 、 調(diào)速范圍寬等特點(diǎn) 。 1無(wú)

4、刷直流伺服電機(jī) F2812DSP 的 PWM 調(diào)速原理1.1無(wú)刷直流伺服電機(jī) PWM 調(diào)速原理圖 1PWM 調(diào)速控制原理圖和電壓波形圖圖 1利用開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)無(wú)刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) PWM 調(diào) 速 控 制 的 原理圖和輸入輸出電壓波形 。 當(dāng)開(kāi)關(guān)管 M OSFET 的柵極輸入 高電平時(shí) , 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通 , 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩段的電壓U S 。 t 1時(shí)間后 , 柵極輸入低電平 , 開(kāi)關(guān)管截止 , 電機(jī)電樞兩端電壓為零 。 t 2時(shí)間后 , 柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?, 開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重 復(fù)前面的過(guò)程 。 這樣 , 對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低 , 直流伺服電機(jī)電 樞繞組兩段端的電壓波形如圖 b 所示

5、。 電機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值 U 0為 :U 0=t U +0t 1+t 2t U S =U S(1 =t 1:占空比(2占空比 表示了在一個(gè)周期 T 里 , 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與 周期的比值 。 的變化范圍為 0 1。 由此式可知 , 當(dāng)電源 電壓 U S 不變的情況下 , 電樞繞組兩端的電壓平均值 U 0取決于 占空比 的大小 , 改變 值就可以改變端電壓的平均值 , 從 而達(dá)到調(diào)速的目的 , 這就是 PWM 調(diào)速原理 。1.2無(wú)刷直流伺服電機(jī) F2812DSPPWM 波形的產(chǎn)生和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生一路 PWM 信號(hào) , 需要一個(gè)合適的定時(shí)器來(lái)計(jì)數(shù)時(shí)鐘 信號(hào) , 比較寄存器保存調(diào)制值 , 比較寄

6、存器的值不斷與定時(shí)器 的計(jì)數(shù)值相比較 。 當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí) , 在相應(yīng)的輸出上產(chǎn)生跳變 (由低到高 , 或由高到低 。 當(dāng)兩個(gè)值之間發(fā)生第二次匹配或達(dá) 到定時(shí)器周期結(jié)束時(shí) , 在相應(yīng)的輸出上發(fā)生另外一次跳變 。 在 這種模式下 , 將產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào) , 它的開(kāi)通 (或關(guān)斷 持續(xù) 時(shí)間與比較寄存器的值成比例 。 每個(gè) PWM 周期中比較寄存器 有不同的值 , 該過(guò)程是重復(fù)的 , 在相應(yīng)的輸出引腳上產(chǎn)生一個(gè) 調(diào)制了的 PWM 信號(hào) 2。在 事 件 管 理 模 塊 中 , 比 較 單 元 、 通 用 定 時(shí) 器 1(對(duì) 于 EVA 模塊 或通用定時(shí)器 3(對(duì)于 EVB 模塊 、 死區(qū)單元以及輸出

7、邏 輯電路可在兩個(gè)功率器件的 (形成功率轉(zhuǎn)換器的上下橋 控制 引 腳 上 產(chǎn) 生 一 對(duì) 具 有 可 編 程 死 區(qū) 以 及 輸 出 極 性 控 制 的 PWM 輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào) 。 在每個(gè)事件管理模塊中 , 有 6個(gè)這種與比較單 元相關(guān)的 PWM 輸出引腳 , 用來(lái)控制三相直流無(wú)刷電機(jī) 。圖 2F2812DSP控制及其驅(qū)動(dòng)電路60 裝備制造技術(shù) 2008年第 4期2無(wú)刷直流伺服電機(jī) F2812DSP 控制策略該伺服電機(jī)控制系統(tǒng)采用三環(huán)控制策略 。圖 3無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制2.1無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)的電流內(nèi)環(huán)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài) , 盡量縮短啟動(dòng) 、 制動(dòng)和反 轉(zhuǎn)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間 , 用

8、加大過(guò)渡過(guò)程的電流即加大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩來(lái) 實(shí)現(xiàn) , 因此采用電流反饋 。 例如執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí) , 將電流作為被 調(diào)量 , 在啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間維持電流為最大值不變 , 這樣可以充分 利用電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 1。 它的特 點(diǎn)是在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí) , 啟動(dòng)電流很快地加大到允許過(guò)載能力值 電流 , 并且保持不變 , 在這個(gè)條件下 , 轉(zhuǎn)速的線性增長(zhǎng) , 當(dāng)升到 需要的大小時(shí) , 電動(dòng)機(jī)的電流急劇下降到克服負(fù)載所需要的電 流值 。速 度 PI 調(diào) 節(jié) 器 輸 出 Ugi 作 為 電 流 PI 調(diào) 節(jié) 器 的 給 定 信 號(hào) , 與電流反饋信號(hào) Ufi 比較后 , 偏差為 U =U g i -U

9、fi , 送 到 電 流 PI 調(diào)節(jié)器 , 通過(guò)電流 PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié) , 實(shí)現(xiàn)電流的反饋 的過(guò)程 。總之 , 電流反饋起到了兩個(gè)作用 :一個(gè)是在啟動(dòng)和大范圍 加減速時(shí)起電流調(diào)節(jié)和限幅作用 。 因?yàn)榇藭r(shí)速度調(diào)節(jié)器呈飽和 狀態(tài) , 其輸出信號(hào)一般作為極限給定值加到電流 PI 調(diào)節(jié)器 , 電 流 PI 調(diào)節(jié)器的作用結(jié)果是使繞組電流迅速達(dá)到并穩(wěn)定在其最 大值上 , 從而實(shí)現(xiàn)快速加減速和電流限流作用 ; 第二作用是使 系統(tǒng)的抗電源擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)的能力增強(qiáng) 。 若果沒(méi)有電流環(huán) , 擾動(dòng)會(huì)使繞組電流隨之波動(dòng) , 使電機(jī)的速度受影響 。 雖然速度 環(huán)可以最終使速度穩(wěn)定 , 但需要的時(shí)間長(zhǎng) 。 如果有電流

10、環(huán) , 由于 其時(shí)間常數(shù)小 , 電流 PI 調(diào)節(jié)器會(huì)使受擾動(dòng)的電流很快穩(wěn)定下 來(lái) , 不至于發(fā)展到速度產(chǎn)生大的影響 。 因此系統(tǒng)的快速性和穩(wěn) 定性得到改善 。2.2DSP 無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度中環(huán)控制靜差度指電動(dòng)機(jī)由理想空載到額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降 n N 與理想空載轉(zhuǎn)速 n 0的比值 。 機(jī)械特性硬度指轉(zhuǎn)矩變化 dT 與所 引起的轉(zhuǎn)速變化 dn 的比值 。 為了實(shí)現(xiàn)了無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng) , 轉(zhuǎn)速 降 n N 為 0, 得到理想的機(jī)械特性硬度 , 得到很平的機(jī)械特 性 , 必須設(shè)法在負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí) , 使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變 。 筆 者采用直流伺服電動(dòng)機(jī)的帶速度反饋中環(huán)控制 。 這里通過(guò)速度 PI

11、 調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn) 。位 置 PID 調(diào) 節(jié) 器 輸 出 Ugn 作 為 速 度 PI 調(diào) 節(jié) 器 的 給 定 信 號(hào) , 與速度反饋信號(hào) Ufn 比較后 , 偏差為 U =U g n -U fn , 送到速 度 PI 調(diào)節(jié)器 , 當(dāng) U 不等于 0時(shí) , 速度 PI 調(diào)節(jié)器起調(diào)節(jié)作用 ; 當(dāng) U 等于 0時(shí) , 速度 PI 調(diào)節(jié)器起調(diào)節(jié)作用停止 。 速度 PI 調(diào) 節(jié)器輸出電壓 Ugi 因積分作用 (消除靜態(tài)誤差 , 保持在某一數(shù) 值 , 以維持電動(dòng)機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn) , 系統(tǒng)可以消除靜態(tài)誤差 。 總之 , 速度反饋中環(huán)解決在負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí) , 使電動(dòng) 機(jī)的速度不變問(wèn)題 , 來(lái)保證電動(dòng)機(jī)無(wú)靜

12、差度靜態(tài)特性 。 2.3DSP 無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)的位置外環(huán)控制最終控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)的位置 , 我們采用隨動(dòng)控制位置 反饋 。 通過(guò) PID 位置調(diào)實(shí)現(xiàn)位置精確的控制 。給定 Ugp 作為位置 PID 調(diào)節(jié)器的給定信號(hào) , 與位置反饋 信號(hào) Ufp 比較后 , 偏差為 U =U g p -U fp , 送到位置 PID 調(diào) 節(jié) 器 進(jìn)行調(diào)節(jié) , 來(lái)實(shí)現(xiàn)位置精確的控制 。3DSP 無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī) PID 和 PI 調(diào)節(jié) 3在模擬控制系統(tǒng)中 , 控制器是最常用的 , 控制規(guī)律是 PID 控制 。 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成 , 原理框圖如圖 4所示 。圖 4P

13、ID 控制系統(tǒng)的原理框圖PID 控制器是一種線性控制器 , 它根據(jù)給定值 r (t 與實(shí)際 輸出值 c (t 構(gòu)成控制偏差e (t =r (t -c (t (3 將偏差的比例 (P 、 積分 (I 和微分 (D 通過(guò)線性組合構(gòu)成 控制量 , 進(jìn)而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制 , 故稱(chēng) PID 控制器 。 其控制規(guī) 律為 :u (t =K P e (t +1T it! e (t dt +T d de (t " #(4 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式 :U (s =KP(1+1T i s+T d s (5 其中 , Kp 為比例系數(shù) , Ti 為積分時(shí)間常數(shù) , Td 為微分時(shí)間 常數(shù) 。U (s =(K P

14、 +K I K D s E (s (6 其中 , Kp 、 KI 和 KD 分別稱(chēng)為比例增益 、 積分增益和微分 增益 。對(duì)上式作 Z 變換得 :U (z =K P +K I T +K D 1-z -1" $ E (s (7其中 , T 為采樣時(shí)間 。進(jìn)一步化簡(jiǎn)得 :U (z (1-z -1 =K P (1-z -1 +K 1T+K 1-2z -1+z -2%$ E (z (8以離散時(shí)域進(jìn)行數(shù)字化 :u (k -u (k-1 =K P (e (k -e (k-1 +K 1Te (k +K D e (k -2e (k-1 +e (k-2 (9 即 u (k =u (k-1 +K 0e

15、(k +K 1e (k-1 +K 2e (k-2 (10 其中 K 0=K P +K 1+K D , K 1=K P +2K D , K 2=K D 。特別地 , 當(dāng)上式中K D =0時(shí) , K2=0且 K 0>K 1, 該控制器即為 PI 控制器 。61Equipment Manufactring Technology No.4, 20084DSP 無(wú)刷直流伺服電機(jī)調(diào)速實(shí)現(xiàn)通過(guò) PID 進(jìn)行電流內(nèi)環(huán) 、 速度中環(huán) 、 位置外環(huán)調(diào)節(jié) , 將 PWM 付 給 比 較 寄 存 器 (EvaRegs.CM PR1=pwm , 比 較 寄 存 器 的 值 不 斷與定時(shí)器的計(jì)數(shù)值相比較 。 產(chǎn)生

16、pwm 信號(hào) , 實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流伺 服電機(jī)調(diào)速控制 。 當(dāng) Speedset=2200, kp=0.003, ki=0.02, kd=0.0時(shí) , 時(shí) 間 和 速 度的圖形如圖 5所示 : 圖 5速度的變化曲線此圖形橫軸代表時(shí)間 (單位 :s , 縱軸代表速度 (單位 :r 。 當(dāng) Speedset=2200, kp=0.003, ki=0.01, kd=0.0時(shí) , 時(shí) 間 和 速 度的圖形如圖 6所示 : 圖 6速度的變化曲線此圖形橫軸代表時(shí)間 (單位 :s , 縱軸代表速度 (單位 :r 。 通過(guò)上面兩幅圖比較 , 當(dāng) ki=0.02其余的參數(shù)不變時(shí)得到高精 度 、 響應(yīng)快的運(yùn)動(dòng)曲線 。當(dāng)

17、 Speedset=1430rad 時(shí) , kp=0.03, ki=0.01, kd=0.0時(shí) , 時(shí) 間 和速度的圖形如圖 7所示 :圖 7速度的變化曲線總之通過(guò)改變 Speedset 的值和 PID 調(diào)節(jié) , 此控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 了直流伺服電機(jī)高精度 、 響應(yīng)快 、 調(diào)速范圍寬的控制 。5結(jié)論通 過(guò) TI 公 司 的 TM S320F2812DSP 事 件 管 理 器 EVA 模 塊 產(chǎn) 生 PWM 1PWM 6, 采 用 三 環(huán) 控 制 的 策 略 , 應(yīng) 用 PID 調(diào) 節(jié) 速度 , 實(shí)現(xiàn)一個(gè)永磁無(wú)刷直流電機(jī)高精度 、 響應(yīng)快 、 調(diào)速范圍寬 的控制 。參考文獻(xiàn) :123The Contr

18、ol Way of the Brushless DC Motor Based on DSPTIAN Xiao-long , YANG Xiao-jing , ZHANG Zhao-long ,WEN Guang-wei(Faculty of M odem Agricultural Engineering , Kunming University of Science and Technology , Kunming 650224, China Abstract :This system make the DC servo motor more rapidness , anchor point nicety , torque wave little and the speed controlling agility by the TM S320F2812DSP of the TI company , The paper designs the control ways of the electric current , speed and position control in order to reach the rapidness , nicety and stabilization of the PWM speed control of