基于DSP控制的無刷直流驅動器直接驅動機器人手臂(共23頁)

1、 基于 DSP 控制的無刷直流驅動(q dn)器直接驅動機器人手臂 k 曾現(xiàn)代永磁無刷直流（BLDC ）的驅動器具有優(yōu)異的高扭矩能力，這使它們適用于直接驅動機械手臂的應用中，但不幸的是，他們由傳統(tǒng)的電流控制(kngzh)器控制時會產生轉矩脈動。用間接轉矩檢測瞬時轉矩控制的方法，目的在于減少這樣的轉矩脈動。對ATT DSP32 ，數(shù)字信號處理芯片，由于控制算法需要高速計算被用作控制器。DSP電路已安裝在原型卡和安裝在微型計算機中作為程序開發(fā)系統(tǒng)和運行時的輸入 - 輸出控制器。我們目前的設計，實施和擬議的實驗結果是基于DSP瞬時轉矩控制器。關鍵詞:機器人、數(shù)字(shz)信號處理器、控制工程采用高扭

2、矩永磁（PM ）電機的無刷直流（BLDC ）驅動器適合于直接驅動伺服系統(tǒng)和機械手臂的應用中。直接驅動系統(tǒng)的優(yōu)勢在于他們的能盡量減少與齒輪傳動相關的摩擦和間隙。然而，沒有齒輪的并非沒有其自身的問題。直接驅動裝置在低速時，轉矩脈動的影響變得特別令人反感。然而，利用高性能數(shù)字信號處理器（ DSP）和快速開關功率器件，現(xiàn)在有可能實現(xiàn)一個瞬時轉矩控制器與負責最終速度或伺服系統(tǒng)的位置響應外部循環(huán)的內部循環(huán)控制器。這達到了扭矩特性閉環(huán)控制，因此具有優(yōu)越的伺服性能。傳統(tǒng)的電流控制器的目標是迫使定子相電流盡可能接近為一個恒定的轉矩指令提供（例如，一個理想的正弦曲線）的參考。這些通常由模擬和數(shù)字器件的混合組合來達

3、到。然而，在許多情況下，轉子磁通分布不可能是完全正弦波或梯形，從而導致轉矩脈動。使電機在次優(yōu)條件下運行。對于一個BLDC驅動瞬時轉矩控制的概念，如圖1所示。三相逆變器和永磁電動機的組合被認為是可以從轉矩控制器接受3位數(shù)字的命令轉矩產生單元。瞬時轉矩反饋信號可以從機器參數(shù)和瞬時電流與轉子位置的測量數(shù)值來估計。因此，通過設計合適的控制算法，通過使用逆變器的直接數(shù)字控制可以消除轉矩脈動。這也將導致無刷直流電機驅動系統(tǒng)電動機的最佳操作，并帶來改進的性能。在本文中，設計，實施和采用了變結構戰(zhàn)略建議瞬時轉矩控制器的實驗結果，為一個BLDC驅動器的內環(huán)控制被提出。為實現(xiàn)基于DSP的轉矩控制器，一個實驗裝置被

4、構造。該機械裝置包括一個實驗的PM電動機，電機耦合到的絕對位置傳感器轉子軸的一端，而另一端被耦合到一個非線性負載而形成單臂機器人。因為所需要的控制算法的高速運算，一種數(shù)字信號處理芯片被用作控制器。DSP電路是建立在這樣一個原型卡上和安裝在微型計算機中作為程序開發(fā)系統(tǒng)和運行時的輸入 - 輸出控制器。瞬時(shn sh)轉矩控制 圖1 級聯(lián)電機(dinj)驅動控制結構級聯(lián)控制結構通常采用直流無刷電機驅動（圖1 ）。這包括一個外環(huán)，它產生基準轉矩指令來實現(xiàn)的所需的速度或位置，一個內環(huán)，它控制逆變器的開關，從而使電動機產生所希望的轉矩。內環(huán)，俗稱(s chn)的轉矩或電流的控制器，也可以確保定子供給電

5、流和轉子磁通之間的同步。此功能被稱為電子通信，并一直優(yōu)于傳統(tǒng)刷式直流電動機的換向器和電刷。大多數(shù)用于BLDC驅動器的傳統(tǒng)內回路控制器依賴于傳感器和控制實際相電流匹配一個正弦參考。用這種方法的主要問題是會產生非理想的（即非正弦）的磁通分布，其結果是產生明顯的轉矩脈動。瞬時轉矩控制的方法是：在這里作為一種替代傳統(tǒng)的電流控制。這種控制的目的是確保較大瞬時扭矩緊跟在外環(huán)控制器發(fā)出的轉矩給定值。轉矩控制設計是基于可變結構策略（VSS） ，其中開關增益反相器是由數(shù)字控制器直接測定。沒有必要與PWM型調制和常規(guī)電流控制器相關聯(lián)。變結構策略在變結構策略（ VSS ）系統(tǒng)，控制是否允許改變其結構的。例如，每個反

6、饋通路的增益可在兩個值之間，根據一些規(guī)則進行切換。這種變結構控制規(guī)律提供有效和強大的控制手段，在要被控制的參數(shù)具有超過一定范圍變化的值，其結構參數(shù)具有非線性特性的情況下。計算機技術的進步，例如DSP和高速開關電路，例如功率MOSFET ，使VSS的控制驅動器實際執(zhí)行成為現(xiàn)實。本質上，VSS利用高速開關控制法來驅動所述非線性元件的狀態(tài)軌跡到指定值，使選擇用戶的開關閥值在狀態(tài)空間中，并且保持元件的狀態(tài)軌跡在這個閥值內一段時間。這個閥值稱為開關或滑動閥值，因為如果(rgu)狀態(tài)軌跡在該元件閥值的上方，一個控制路徑具有一增益，如果軌跡是在閥值之下，它具有不同的增益。受閥值限制元件裝置動態(tài)表示受控系統(tǒng)的

7、行為。由滑動閥值的合理設計， VSS達到控制的傳統(tǒng)目標，如穩(wěn)定，跟蹤，調節(jié)等。這種控制方案要求快速決策?，F(xiàn)在快速的處理器，如DSP的問世使之可行。開關(kigun)閥值的選擇所提倡的VSS扭矩控制器是使用的永久磁鐵電機的dq模型來設計的，因為它方便兩個正交相繞組的工作。為了選擇開關閥值，有必要確定相關的狀態(tài)變量。從機械的標準(biozhn)理論， 以PM電機的扭矩變化為根據，利用dq變換為直軸電流id和正交軸電流iq的值的函數(shù)。因此，狀態(tài)變量選擇為Id和Iq ，即：通過變換得到ABC域（常規(guī)三相表示）在dq領域的數(shù)學模型和計算公式如下：式中R是繞組電阻（ABC域中的每個繞組，并假定每個定子繞組

8、都一樣），w是轉子電氣角速度，和） 。 D和Q是各自的直軸和交軸轉化通量。在轉化的數(shù)量上，這些計算公式如下：id ，id，和if是dq軸模型中的轉換電流，Idd,Idq,Iqq和Iqf是等價轉化電感。因為PM電機將通過電壓型變頻器來驅動，該直軸電壓Vd和交軸電壓Vq被選擇為控制量u ，即：要選擇開關閥值，下面(xi mian)的因素是要考慮的。1 。瞬時轉矩響應應該盡可能快。這是因為，在瞬態(tài)響應的可達到最大的帶寬機械(jxi)輸出完全由它的限制。2 。期望的轉矩是要通過最小輸入電流來實現(xiàn)。這是為了最大限度(xind)地減少歐姆損耗，從而確保最大效率。3 。電子換向，必須保持。4 。不應該有穩(wěn)態(tài)

9、誤差。5 。轉矩環(huán)路必須是穩(wěn)定的，并且元件的參數(shù)值不應有明顯變化。由于直軸始終與轉子磁通軸一致，引起力矩變化的只有i。因此，一直保持標識id在零時刻，以致內部轉矩由iq決定，得到目標（2）。瞬時轉矩由下式給出：其中K是在小型開關間隔t內假定的恒定的扭矩參數(shù)。這相當于保持轉矩角在90度 。通過調節(jié)IQ的基準值達到的轉矩需求，目標（1）也可以達到。id和iq是轉旋轉假想的數(shù)量值，這些量控制定子供給電流和轉子磁通，從而滿足目標（3）之間意味著同步。如果控制量輸入在任何時候滿足滑動模態(tài)的存在條件，目標（ 4 ）和（ 5 ）也被保證。因此，開關閥值被選擇為：其中Idref=0,Tref 是由外部環(huán)路控制

10、器決定的力矩參考值。控制功能VSS控制功能被選擇為：其中Vd和Vq由使用VSS的設計規(guī)則來確定震級定標量(bioling)。這些選擇都是基于矢量控制的理論?？刂破鞔_定控制輸入VD和VQ，它是在旋轉dq域內考慮開關器件的狀態(tài)軌跡的位置來確定的。這些控制輸入映射到逆變器的ABC電壓矢量中。為了使VSS的條件保持正確，它已經在數(shù)學上表示。 Vd和Vq必須滿足下列不等式：Vd和Vq的實際值由電機的運行期間獲得可達到的最大速度確定。逆變器所需的直流鏈路電壓是由dq變換到Vd和Vq來計算。VSS控制(kngzh)功能如（ 10）和（ 11 ）所示，因此u有四個可能的值（ X，T ）= VD（ X，T ）

11、， VQ（ X，T ） T。為使得所述映射到實際的逆變器矢量是簡單而有效的,控制功能的形式已被選擇。映射(yngsh)到矢量變頻器PM電動機是由三相電壓型逆變器電橋驅動，如圖2所示。逆變器由三對功率MOSFET組成。每一對工作在一個切換方式，即上層MOSFET導通和底部MOSFET關斷為1命令，反之為0命令。這種3字節(jié)控制信號被稱為矢量?？梢杂邪藗€不同的向量。表1列出了載體和MOSFET的狀態(tài)。矢量0和7被置零向量，因為無論接到正或負直流母線端子它們都可能造成短路到。其余六個載體是活性載體。要從控制輸入的dq平面映射到實際的矢量變頻中，電機轉子周期分為12個區(qū)域。據該12個區(qū)域的轉子角，最新的

12、逆變器的矢量被置有四個控制輸入。該結果已列于表2 。區(qū)域的數(shù)目和位置已經被確定，使得每個區(qū)域具有唯一的一組四個不同的控制輸入向量。實際上映射(yngsh)等同于規(guī)則： 圖2 三相(sn xin)MOSFET逆變橋表1變頻器矢量(shling)和MOSFET的狀態(tài)表2 映射(yngsh)到變頻器的矢量其中a，b和c表示的是變頻器矢量，Va，Vb和Vc的是從Vd和Vq逆變得到的。從映射邏輯產生的向量被發(fā)送到分割后的MOSFET橋矢量的柵極來驅動電路以獲得其補充，如圖3所示 。采樣頻率應該是高的，一般至少10kHz，這樣的電流的損耗是小的。延遲應保持在最低限度。因此，所設計的扭矩控制算法需要一個(y

13、 )高速處理器如DSP ，使得這一過程得以實現(xiàn)。圖4顯示了扭矩控制裝置的框圖。我們先前進行的模擬研究表明該控制方案是可行的。利用轉矩觀測器的技術，它是基于科學地使用電動機方程和參數(shù)估計方法獲得的瞬時扭矩反饋信號。這種技術在參考6進行了詳細闡述 ?？刂破鲗崿F(xiàn)(shxin)本節(jié)介紹了實驗裝置的實施細則，調查測議瞬時轉矩控制技術的性能。該實驗裝置的框圖如圖5所示。 圖3 控制器逆變器界面(jimin)控制(kngzh)設計采用了數(shù)字(shz)信號處理器作為控制器。所使用的DSP是由ATT制造的DSP32設備 圖4 力矩(l j)控制器框圖 圖5 塊試驗裝置圖無刷直流驅動(q dn)裝置該機械裝置包括

14、一個實驗的PM電動機，轉子軸的一端耦合到一個絕對型旋轉光學編碼器，而另一端是通過一個軸的扭矩檢測器IO耦合的負載。主電機pararneters摘要列于表3 。單臂機器人被用作高度非線性的負載，因為這將產生一個非常依賴于位置的負載力矩。絕對編碼器具有13位分辨率，每轉子一個機械周期分為8192測量步驟。它的輸出代碼(di m)基于格雷碼格式。扭矩檢測器是扭矩傳感器的位移型，其將其扭桿的扭轉角度轉換成相位差信號。這個信號由一個計算和顯示(xinsh)單元加工成成比例的轉矩的模擬信號。扭矩檢測器能夠檢測到靜態(tài)扭矩和低速時的瞬時扭矩波動（小于10轉）。根據控制器的性能需要，可用示波器顯示瞬時扭矩。一個

15、電壓供給三相逆變橋來驅動電機。它由三對功率MOSFET及其柵極驅動電路組成。柵極驅動器電路，能夠確保為了避免擊穿通過互補的MOSFET之間的切換延遲。這些MOSFET能夠切換速度超過100千赫。直流母線電壓是可調的。直接由數(shù)字控制器產生的開關信號傳送到網橋。光電耦合器中使用柵極驅動電路，以隔離控制電路與電力電子設備。相電流信號由霍爾效應電流傳感器產生的。這些換能器的輸出是雙極型量程20A的動態(tài)范圍電流。定子繞組是星形連接，只有兩相電流需要被測定。基于(jy)DSP的控制器數(shù)字控制系統(tǒng)的核心是一個32位DSP。這種特殊的設備(shbi)被選擇，是因為轉矩控制算法需要非?？斓挠嬎銇硐拗齐娏鞯牟▌?。

16、DSP是一種專用的微處理器，有有限的指令集。由于各種指令比一般的微處理器少，其體系結構進行了優(yōu)化，能在流水線上高水平高效率地執(zhí)行其任務，其吞吐量是非常高的。表3 機器(j q)參數(shù) 圖6 基于(jy)DSP的實驗控制器在DSP由微型計算機用作主機開發(fā)系統(tǒng)的控制應用程序的開發(fā)期間和實時實驗和測試期間提供輸入 - 輸出設備的支持。當應用程序已準備好進行實時檢測，它被下載到DSP32裝置的存儲器空間。該DSP32控制器被構造在一個原型(yunxng)卡，允許它被安裝在微型計算機的ISA（工業(yè)標準結構）總線。圖6顯示了基于DSP的控制器。這種硬件設計(shj)方案允許快速的程序開發(fā)，調試和測試。它也是

17、通用的，因為它可以擴展為一個控制器，用于多電機布置。對于一個實際的商用設計中，DSP可以用永久掩膜編程的充分測試的應用程序和設置其自身的輸入輸出設備，以便它可以作為一個單獨的控制器來操作。這里應注意的是，盡管用于獲得在下一節(jié)中描述的實驗結果的特定DSP是ATT DSP32 ，很清楚的是，這里所提出的技術也可以容易地由32位DSP器件的任何其他產品實現(xiàn)。在我們目前的工作中得到成功應用的另一臺設備是德州儀器的TMS320C30。DSP32的接口(ji ku) 圖7 DSP32 的連接(linji)該DSP32的并行I / O （ PIO ）功能使得它能通過一個八位雙向并行端口與外圍設備進行通信(t

18、ng xn)。它由PIO控制塊，六個內部寄存器，錯誤控制邏輯和存儲器刷新電路的DSP32片內RAM組成 。該PIO用在實驗裝置上，以允許微型計算機來下載應用程序到DSP32存儲器。在運行時，微型計算機也傳遞從模擬和數(shù)字輸入 - 輸出通過PIO的DSP32的數(shù)據。微型計算機和DSP32之間的PIO接口示于圖7。該PIO有兩種傳輸模式，DMA（直接存儲器存?。┗虺绦蚩刂?。在DMA方式下，微型計算機由第一個寫地址傳送到內部PIO寄存器開始轉印，即的起始地址，其中數(shù)據將被存儲或從DSP32存儲器中檢索。微電腦然后讀取或寫入數(shù)據或從到并行端口。該讀/寫過程繼續(xù)進行，直到微型計算機停止DMA操作。在這種編

19、程模式下，因為數(shù)據都存儲在單獨的內部寄存器PIO中，所以微機和DSP32可以同時訪問PIO 。在編程模式中，DSP32的讀或寫操作是通過在DSP32應用程序中執(zhí)行一個指令來完成的。單片機的讀或寫操作是通過八位并行端口。在我們的實驗裝置中，DMA模式下應用程序是下載到DSP32的存儲器中?？刂茟贸绦蜻\行時進入編程模式?？刂破鞯男阅芩矔r轉矩控制方案在上一節(jié)中所描述的實驗裝置中得以實現(xiàn)。在本節(jié)中，我們檢測已提出的瞬時轉矩控制器的性能，并將它與已實現(xiàn)了的傳統(tǒng)的正弦電流控制相比較。第一次測試僅在內環(huán)進行。此外，需要解決的一個更為重要的問題是在已提出的基于dsp的控制器的幫助下，典型的機器人應用是不是能

20、得到改善。這里測試也在外循環(huán)進行的，并且對位置和靜力控制的機器人的典型應用的控制系統(tǒng)的性能做了研究。內部(nib)閉環(huán)的轉矩控制轉矩控制回路的采樣時間被選為100us。在每個采樣周期開始時，相電流和轉子位置信息被讀入。那么相電流數(shù)據(shj)轉化為Id和Iq 。對于dq變換，sin（ 0 ）值和COS （ 0 ）的值是必需的 。這些值使用查表法獲得。使用VSS控制功能，適當?shù)男盘柋话l(fā)送到逆變器?？偟挠嬎銜r間大約是12us。與傳統(tǒng)的正弦電流控制方法也作了比較。 圖8 使用瞬時(shn sh)轉矩控制的轉矩和相電流 圖9 使用正弦電流(dinli)控制的轉矩和相電流圖8顯示(xinsh)的是使用瞬

21、時扭矩技術獲得的轉矩和相電流。本試驗沒有在外環(huán)控制器上運行。設定1Nm的轉矩參考，調整負載，以使電機的速度為約10轉每分鐘。圖9顯示的是在相同的測試條件下由正弦電流控制器控制時的轉矩和相電流。有明顯的脈動頻率，頻率大約是電流頻率的6倍。這與傳統(tǒng)的正弦電流控制的理論相協(xié)調。與圖8相比，使用瞬時轉矩控制技術時，轉矩脈動有明顯降低。比較使用不同的控制器引起的轉矩脈動，兩個指數(shù)，轉矩脈動的內容和轉矩波動的因素是被用來量化轉矩波動的程度的量。指數(shù)的值越小，控制性能(xngnng)越好。轉矩脈動含量（TRC ）被定義為：其中T e（t）是瞬時扭矩和Tmean是平均扭矩。轉矩波動因子（TRF ）被定義為其中

22、TPP是峰 - 峰值轉矩脈動。表4 給出了兩種控制方案的性能指標.結果一致表明，瞬時轉矩控制能有效地減少轉矩脈動。表4 轉矩性能(xngnng)指數(shù)。位置(wi zhi)控制在對于內環(huán)使用基于dsp的瞬時力矩控制器的位置控制應用中，外環(huán)使用位置控制算法可能使性能得到(d do)提高。外循環(huán)的設計是基于變結構的策略。利用正弦電流控制和瞬時轉矩控制的位置控制器的響應示于圖10。結果表明，采用瞬時轉矩控制獲得的響應曲線速度快，但阻尼大無超調。轉矩脈動的減少使得外環(huán)位置控制器能以較少的控制工作實現(xiàn)其目標。因此，瞬時轉矩控制器提高了位置控制器的瞬態(tài)性能。圖10 位置控制的實驗結果（負載0.2Nm）; （ a）瞬時(shn sh)轉矩控制;（ b）正弦電流控制靜力矩(l j)/力控制基于DSP的瞬時扭矩控制器可以控制電機軸上的現(xiàn)成扭矩，即使在軸是靜止的。這是機器人技術很重要的重要應用，例如聯(lián)合扭矩控制器。在一個典型的多關節(jié)機器人中，每一個旋轉接頭有一個電機與自己的關節(jié)轉矩控制器相連。為了直接驅動機器人，沒有一個電機用齒輪或聯(lián)軸器與相連手臂傳遞力矩(l j)。因此，發(fā)達扭矩也是聯(lián)合扭矩。作為典型的例子，在控制機器人的計算力矩的方法中，主控制器決定所相關的關節(jié)扭矩，對跟蹤期望的軌跡末端效應式必需的。各關節(jié)力矩控制器的功能是確保電機驅