摘要：介紹了基于TMs320F2812數(shù)字信號處理器、采用新型PID參數(shù)自整定分段控制的方法實現(xiàn)高精度無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制方法。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)精度高、響應(yīng)速度快。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；伺服控制；數(shù)字控制；實驗0 引 言無刷直流電機具有調(diào)速性能好、控制方法靈活多變、效率高、壽命長、起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強等優(yōu)點。無刷直流電機采用專用芯片。本系統(tǒng)選用TMs320F2812處理器構(gòu)建控制平臺，充分利用DsP的片內(nèi)資源，以簡潔可靠的硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了電機的位置、速度和電流三閉環(huán)全數(shù)字化控制。
1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成和工作原理
1.1控制電路
TMs320F2812數(shù)字信號處理器是基于TMs320c2xx內(nèi)核的定點數(shù)字信號處理器。F2812數(shù)字信號處理器的運算精度達32位，主頻高達150．MHz，內(nèi)部集成了128 kB的nash存儲器，4kB的引導．ROM，數(shù)學運算表，2 kB的0TP ROM以及兩個事件管理器。其先進的內(nèi)部和外設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合電機及其他運動控制應(yīng)用，能夠真正實現(xiàn)單片控制，為電機的伺服控制提供了良好的控制功能。
由于在F2812芯片上集成了上述靈活、可靠的控制和通信模塊，因此完全可以采用單芯片實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的控制和通信功能。圖1給出了本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)功能框圖。
1．2邏輯電路
邏輯電路選用MAx7000A系列的EPM7128AE器件對電機的轉(zhuǎn)子位置等信號進行邏輯處理。該器件基于高性能的cMOS EEPROM工藝，最小傳輸延遲時間為4．5 ns。由于其良好性能，能完全滿足系統(tǒng)的性能要求。器件EPM7128AE實現(xiàn)了電機的三相全橋逆變電路觸發(fā)信號、過流保護、正反轉(zhuǎn)、三相全橋開通與關(guān)斷功能，將這些信號進行與或邏輯后輸出六路PwM信號控制電機。
1．3驅(qū)動電路電機的驅(qū)動電路
由驅(qū)動芯片。[R2130和三相全橋逆變電路構(gòu)成，如圖2所示。驅(qū)動芯片IR2130內(nèi)置了2．5μs的死區(qū)時間，防止同一橋臂的上下兩個MOSFET同時導通。當系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓、過流時，IR2130起動內(nèi)置的保護電路鎖住后面的PWM輸出，保護系統(tǒng)電路。
驅(qū)動電路采用上橋臂功率管PWM斬波控制的單斬方式。[R2130的輸入信號由EPM7128AE得到的PWM信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動后，把PWM信號送入[R2130的輸入口，信號經(jīng)過IR2130后的輸出給MOSFET去驅(qū)動無刷直流電動機。通過對定子繞組輸入電壓進行PwM斬波，從而改變定子繞組的平均電壓，實現(xiàn)了調(diào)壓調(diào)速。
2伺服控制策略
本系統(tǒng)采用全數(shù)字三閉環(huán)控制。電流環(huán)設(shè)計成I型系統(tǒng)，控制算法采用P控制；速度環(huán)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng)，控制算法采用PI控制；位置環(huán)采用分段控制，根據(jù)不同時刻的位置誤差及其變化率采取不同的控制策略，能夠較好地對非線性對象進行控制。伺服系統(tǒng)的控制如圖3所示。
2．1電流檢測
為了檢測到準確的電流反饋值，用一個O．01 Ω無感精密電阻(見圖2中的電阻R)作為一個電流傳感器，將其安放在母線回路上。采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號送到電流監(jiān)控芯片INAl94進行放大，然后經(jīng)過由0PA2344構(gòu)成二階有源濾波電路濾波，再經(jīng)AD—uMl401隔離送到DSP的A／D轉(zhuǎn)換器。本文中開關(guān)管采用單極性PWM控制，因此只能在PWM的高電平區(qū)間，即上下橋臂開通期間才能采樣到電流值。采用定時器周期中斷，每中斷1次進行1次電流環(huán)調(diào)節(jié)。
2．2速度檢測速度
檢測不但用于產(chǎn)生速度反饋量，而且還用于換向控制。每一個霍爾傳感器都會產(chǎn)生180°
脈寬的輸出信號，3個霍爾傳感器的輸出信號互差120°相位差。它們在每個機械轉(zhuǎn)動中對應(yīng)6個換向時刻。速度檢測把霍爾傳感器得到的霍爾信號Ha、Hb、Hc經(jīng)過邏輯運算后，得到12個上升沿和下降沿的信號。通過將DSP設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕獲中斷功能，電動機每轉(zhuǎn)動60°就有一次捕獲。只要檢測兩次換向的時間間隔就能夠計算出電動機的速度，同時把定時器采用128分頻。由于電動機為兩對極，因此電動機的角速度為ω=60°／t·12。采用連續(xù)捕獲12次位置信號，然后取平均值的辦法算出無刷直流電動機的速度值。cPu定時器每中斷4次進行1次轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)。
3位置環(huán)控制
位置環(huán)作為三閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器的最外環(huán)，直接決定了伺服系統(tǒng)的各種動態(tài)和靜態(tài)性能。cPu定時器每中斷8次，進行1次位置環(huán)調(diào)節(jié)。
位置給定具有很大的不確定性，加之被控對象的非線性以及系統(tǒng)參數(shù)的時變性等，一般傳統(tǒng)的P1D控制算法很難滿足要求，理論和實踐均證明采用分段控制根據(jù)不同時刻的位置誤差及其變化率采取不同的控制策略，很夠較好地對非線性對象進行控制。圖4是系統(tǒng)位置環(huán)的調(diào)節(jié)規(guī)律，在位置誤差較大的OA段電機全速運行，以加快響應(yīng)的上升時間，A點是bang—bang控制點，之后采用PID控制。AB段采用積分分離的PI控制，接下來按照位置誤差ep及其變化率ep的正負關(guān)系將控制過程分為Bc—cD—DE—EF四段進行控制。各段采取不同的PID參數(shù)，與固定參數(shù)的PID控制算法相
可見，不完全微分的uD(K)多了一項α·un(k一1)，原微分系數(shù)由KD降到KD(1一α)。
4試驗結(jié)果及其分析
采用PID參數(shù)自整定分段控制的方法得到的位置環(huán)的調(diào)試結(jié)果如圖6和圖7所示。其中圖6為方波跟蹤響應(yīng)，著重體現(xiàn)的是系統(tǒng)的跟蹤效果；圖7為階躍響應(yīng)，著重體現(xiàn)為靜態(tài)精度。
從上面的位置響應(yīng)曲線圖可以看出，系統(tǒng)的跟蹤效果較好，穩(wěn)態(tài)精度較高，已達到控制要求O．2°；動態(tài)過程中半波振蕩1次也基本滿足要求，滿足了系統(tǒng)性能指標，達到了系統(tǒng)的控制要求。
5結(jié)論
采用了先進的TMS320F2812數(shù)字信號處理器，使得穩(wěn)定時間能夠很短。由于F2812的集成度高，單片就能完成整個控制功能，使得硬件系統(tǒng)的體積大大縮小。針對無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)要求的精度高、響應(yīng)速度快，采用了PID參數(shù)自整定的方法，根據(jù)偏差和偏差變化率，對不同的階段采用不同的控制方法，充分發(fā)揮各種控制方法的優(yōu)點。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)快、性能穩(wěn)定，能較好地滿足伺服系統(tǒng)控制性能的要求。
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林輝(1957一)，男，教授，博士生導師，研究方向為電力電子與申．力傳動。
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