基于dspamer的電動伺服電機無刷直流電動機伺服控制系統(tǒng)研究

基于dspamer的電動伺服電機無刷直流電動機伺服控制系統(tǒng)研究

0運動控制系統(tǒng)硬件在回路實驗平臺上的仿真電機的數(shù)學(xué)模型是一個高度線性、非線性、強耦合的時變多變量系統(tǒng)，實際機械負(fù)荷通常具有死區(qū)、摩擦等強非線性特征。因此，在傳統(tǒng)的純數(shù)字在線模擬研究中，電機和負(fù)載模型是一個簡化模型，在一定的假設(shè)下不同于實際對象。另一方面,純數(shù)字離線仿真無法考慮到包括實際處理器的運算能力、存儲器的限制、中斷及I/O接口電路電氣特性等諸多因素。因此,采用這種方法設(shè)計得到的控制算法在實際應(yīng)用中無法取得理想效果。而在采用單片機或DSP的數(shù)字運動控制系統(tǒng)開發(fā)過程中,不僅需要手工編寫大量算法,而且需要開發(fā)相應(yīng)的接口電路及驅(qū)動檢測裝置,開發(fā)周期長、重復(fù)性工作多。現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展為上述問題的解決提供了很好的工具。dSPACE實時仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了與MATLAB/Simulink無縫鏈接,并支持代碼的自動生成,實現(xiàn)了從基于MATLAB/Simulink的純數(shù)字離線仿真到硬件在回路的半物理實時仿真的快速過渡。目前,dSPACE實時仿真系統(tǒng)在運動控制系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用中在國外已經(jīng)得到了應(yīng)用,而在國內(nèi)僅有極少數(shù)的院校開展了這方面的研究。本文結(jié)合dSPACE實時仿真系統(tǒng),研究了運動控制系統(tǒng)硬件在回路實驗平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及通用電機驅(qū)動裝置的研制。在此平臺上研究了稀土永磁無刷直流電動機伺服控制系統(tǒng),并給出了相應(yīng)的實驗結(jié)果。1基于psace的運動控制實時模擬平臺1.1ds2002接口電路設(shè)計從集成了處理器與輸入、輸出接口的單板系統(tǒng)(DS1103、DS1104)到整合了PowerPC處理器及高速信號處理芯片的標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)DS1005、DS1006,dSPACE實時仿真系統(tǒng)為運動控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了強大的硬件系統(tǒng)及豐富的軟件資源。本系統(tǒng)采用DS1005PPC組件系統(tǒng),處理器包括IBMPowerPC750GX與TMS2407數(shù)字處理芯片,通過內(nèi)部32位PHS總線與各接口模塊相連接。在外圍接口電路中,16位5路高速并行DS2001模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換時間最短可達(dá)到0.9μs,保證了對多相電流的高速、同步采樣。同時,DS4002多功能數(shù)字I/O模塊實現(xiàn)32路數(shù)字量I/O通道的循環(huán)采樣,并且利用另外8路高速I/O通道實現(xiàn)PWM的生成、任意信號的發(fā)生及定時、計數(shù)等功能。另外,采用DS3002增量式編碼盤接口,快速獲取電機轉(zhuǎn)子位置信號,實現(xiàn)位置、轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。如圖1所示。該驅(qū)動及功率主電路,如圖2所示。額定功率為3kVA,可用于驅(qū)動無刷直流電動機、感應(yīng)式異步電動機及同步電動機等,主要包括:三相全橋整流電路及IGBT逆變橋電路、PWM死區(qū)生成(圖中未畫出)及隔離放大電路、檢測及保護(hù)電路三部分。其中,6路PWM調(diào)制信號經(jīng)硬件死區(qū)生成電路后(死區(qū)時間t=5μs),再經(jīng)TLP250隔離放大后控制IGBT模塊的通斷。同時,針對電機運行過程中可能發(fā)生的過流、過壓等故障,系統(tǒng)實時檢測主電路輸出端U、V兩相的電流iu、iv及母線電壓Ud,一旦故障發(fā)生,立即將PWM封鎖信號BRA置為低電平,使全部IGBT模塊迅速關(guān)斷。另外,為防止電機起動時大電流沖擊、IGBT過熱等問題,系統(tǒng)設(shè)計了延時起動、IGBT模塊的過熱檢測及保護(hù)、電機急停、能耗制動、故障復(fù)位等其它輔助功能。1.2實驗軟件的開發(fā)基于dSPACE的運動控制系統(tǒng)半物理仿真實驗平臺的軟件開發(fā)流程如圖3所示。主計算機主要進(jìn)行Matlab/Simulink下運動控制系統(tǒng)的純數(shù)字離線仿真及運行Controdesk等實驗測試軟件。當(dāng)離線仿真結(jié)束后,利用MATLAB的實時工作庫(RTW)與dSPACE系統(tǒng)的實時接口庫(RTI),算法定義與I/O接口,經(jīng)編譯鏈接后便可自動得到目標(biāo)程序,下載到dSAPCE系統(tǒng)中。同時,結(jié)合Controldesk、Mlib/MTRACE等工具軟件,可以方便地實現(xiàn)對電機運行過程的實時監(jiān)控、參數(shù)在線修改、數(shù)據(jù)捕獲及與上位機的實時數(shù)據(jù)通訊。2space在無刷直流動機的情況下的應(yīng)用2.1轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)主要劃分為信號的輸入/輸出模塊、檢測與保護(hù)模塊、速度調(diào)節(jié)模塊、換相模塊等多個功能模塊。其中,轉(zhuǎn)速給定信號采用DS2102模擬實際電位器(SPEEDSET),輸出電壓(DC0~5V),對應(yīng)0~10000r/min,再通過DS2001模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊讀入(ANALOGSAMPLING),并結(jié)合正/反轉(zhuǎn)切換信號確定電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值及方向。轉(zhuǎn)速測量采用dSAPCE提供的RTI模塊DS4002FTOD1,與給定轉(zhuǎn)速比較后,差值通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出當(dāng)前控制量即PWM占空比。同時,根據(jù)DS4002檢測三相霍爾位置傳感器信號(HALLSAMPLING),根據(jù)表1得到各開關(guān)器件的通斷信號。同時,系統(tǒng)實時檢測逆變器母線電流、電壓及緊急停機指令,當(dāng)電機發(fā)生嚴(yán)重過流、過/欠壓或緊急停車時,通過軟件中斷方式,在BRA模塊輸出一路低電平至TLP250驅(qū)動芯片的2腳,封鎖PWM的輸出信號。2.1.1比例積分控制器的工作原理在無刷直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)中,為防止在電機起動過程、頻繁換向過程及電機繞組短路、器件故障或堵轉(zhuǎn)等極限情況下,過大的電樞電流對電機繞組及功率器件的損害,電機速度控制器中采用了基于電流截止負(fù)反饋與比例積分(PI)控制相結(jié)合的方法。轉(zhuǎn)速控制器可表示為:GASR={KP(S+1Ti)S?1?(Id?Idt)<0KP?(Id?Idt)>0GASR={ΚΡ(S+1Τi)S-1?(Ιd-Ιdt)<0ΚΡ?(Ιd-Ιdt)>0式中:Id表示電機的母線電流,Idt表示電機的母線電流的允許的上限值,一般取電機額定電流的1.5~2倍。母線電流由DS2001模塊讀入,并經(jīng)二階切比雪夫低通濾波器去除噪聲后,與Idt設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)Id超出允許值時,為防止誤操作,采取5次連續(xù)采樣與判斷,一旦確認(rèn)為過流故障,通過減小PWM信號占空比,使加在電樞繞組上的電壓迅速降低,防止電機長時間工作在過流狀態(tài)。2.1.2換相機構(gòu)設(shè)計電動機工作模式為二相導(dǎo)通Y型繞組三相六狀態(tài),開關(guān)管的導(dǎo)通規(guī)律如表1所示。在一個周期內(nèi),各個開關(guān)管分別導(dǎo)通120°電角度,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電角度時進(jìn)行一次換相。根據(jù)轉(zhuǎn)速切換信號判斷正/反轉(zhuǎn)工作狀態(tài),依據(jù)相應(yīng)的換相邏輯控制各功率器件通斷。設(shè)電機為順時針旋轉(zhuǎn),無刷直流電動機各相的切換及PWM調(diào)節(jié)功能的實現(xiàn)如圖5所示。圖中,In2是DS4002多功能數(shù)字量模塊得到的電機三相霍爾傳感器位置信號hA、hB、hC,依據(jù)表1所示的邏輯關(guān)系,經(jīng)邏輯運算后得到不同轉(zhuǎn)子位置處對應(yīng)開關(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài),與控制輸出量相與,作為實際的控制占空比輸出到PWM生成RTI模塊DS4002PWM3_OUT中。2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的影響實驗系統(tǒng)如圖6所示,主要包括:監(jiān)控計算機、dSPACE主機及接口、電機及驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)矩加載臺等四部分。實驗電機采用某新型稀土永磁無刷直流電動機,極對數(shù)p=2,額定功率為PN=30W,額定電壓為UN=46V,額定轉(zhuǎn)速nN=12000r/min。母線電壓為27V,開關(guān)頻率f=10kHz時,負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=200g·cm,系統(tǒng)采樣頻率f=1000Hz。當(dāng)t=5.5s,電機轉(zhuǎn)速給定值n=1800r/min增加到3000r/min,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù):Kp=0.00015,Ki=0.002。圖7、圖8分別給出了n=3000r/min時電機穩(wěn)態(tài)下線電壓UAB波形及穩(wěn)態(tài)下相電流Ia波形,圖9給出了電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出控制量(PWM占空比)的動態(tài)響應(yīng)曲線。從實驗結(jié)果可以看出,在電機的加速過程中,隨著控制量的增大,轉(zhuǎn)速迅速增加。最終大約經(jīng)過150ms后,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出控制量即占空比由原0.69增大到0.82左右,電機轉(zhuǎn)速亦趨于平穩(wěn)。在實驗過程中,利用Controdesk及Mlib/Mtrace等實驗工具軟件,不僅可以編寫可視化的實驗界面,還可以實現(xiàn)模型中眾多變量的實時監(jiān)測、在線參數(shù)調(diào)整以及數(shù)據(jù)的實時捕獲與存儲。為實驗管理與數(shù)據(jù)后期分析帶來了極大的便利。3硬件在回路半物理仿真的過渡過程將dSPACE實時仿真系統(tǒng)應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)當(dāng)中,充分利用該系統(tǒng)提供的強大的數(shù)據(jù)運算能力及各種成熟的硬件接口電路,結(jié)合外圍檢測、驅(qū)動電路共同構(gòu)成硬件在回路的運動控制系統(tǒng)半物理仿真實驗平臺。利用dSP