多無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)偏差耦合同步控制
喻鵬，齊蓉
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：以三臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，分析基于偏差耦合的多電機(jī)同步控制策略。在Simulink下創(chuàng)建了多電機(jī)同步控制系統(tǒng)，對(duì)多電機(jī)伺服系統(tǒng)在不同負(fù)載下的轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)的抗干擾性進(jìn)行了分析研究。并采用基于DSP和CPLD的多電機(jī)控制系統(tǒng)驗(yàn)證其可行性。系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)給定速度同步跟蹤，具有同步性高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。證明了偏差耦合控制策略對(duì)多無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)同步控制的有效性。
關(guān)鍵詞：同步控制；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；偏差耦合；DSP；CPLD
中圈分類(lèi)號(hào)：a3M133 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(200s)04—0042—04
0引言
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是結(jié)合了多學(xué)科技術(shù)的一種新型電機(jī)，機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，具有高速度、高效率、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高熱容量和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有低噪聲和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。目前無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在這些領(lǐng)域的應(yīng)用中經(jīng)常需要多臺(tái)電機(jī)精確的一致工作，且對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力都有異乎尋常的要求。我們采用偏差耦合控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的同步控制，并建立了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以及一系列控制測(cè)量模塊的仿真模型，并給出了在不同條件下的仿真結(jié)果。最后使用以DSP和CPLD為主控芯片的控制系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證了其可行性。
1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型[1]
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有梯形反電動(dòng)勢(shì)，矩形電流波形。在建立數(shù)學(xué)模型之前，先假設(shè)電機(jī)三相繞組對(duì)稱(chēng)，忽略轉(zhuǎn)子磁阻，三相定子繞組自感相等且為L(zhǎng)，定子繞組間互感均為M。根據(jù)傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡議程可得三相電壓的數(shù)學(xué)模型如下:
式中:eA、eB、eC為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，p為微分算子。設(shè)電機(jī)為Y型連接，且無(wú)中性線，則可知：
其中：ω為轉(zhuǎn)子的電角速度，p為極對(duì)數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Te為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，TL為粘滯阻尼系數(shù)。
2控制策略分析
當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域最為主要的同步控制策略主要包括并行控制、主從控制、交叉耦合控制以及偏差耦合控制等。
文獻(xiàn)[3]證明了偏差耦合控制的結(jié)構(gòu)是源于交叉耦合控制，只在其基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)其性能便有質(zhì)的變化，使其能克服其它控制策略的缺點(diǎn)。偏差耦合控制最主要的改進(jìn)在于利用各個(gè)電機(jī)系統(tǒng)之間的阻尼系數(shù)關(guān)系在速度反饋信號(hào)中添加了各個(gè)電機(jī)的相對(duì)速度信號(hào)。速度補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，速度補(bǔ)償模塊的作用如同“虛擬地”一樣，將各個(gè)電機(jī)在過(guò)渡周期和轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)時(shí)的相對(duì)速度歸零。圖1所示系統(tǒng)必須是相對(duì)獨(dú)立的，即每組電機(jī)都需
要有獨(dú)自的驅(qū)動(dòng)器和傳感器。簡(jiǎn)單的說(shuō)，只是將偏差耦合控制策略運(yùn)用到相對(duì)速度反饋模塊，使每個(gè)驅(qū)動(dòng)器在沒(méi)有主參考輸入的情況下能夠通過(guò)其它  電機(jī)的狀態(tài)來(lái)得出控制指令。
圖中：Kr1、Kr2、......Km為速度反饋耦合放大增，n為電機(jī)的數(shù)量。各個(gè)速度補(bǔ)償器中的反饋放增益各不相同，因?yàn)樗鼈兪菫榱搜a(bǔ)償各個(gè)電機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的不同而存在的。各個(gè)速度補(bǔ)償器的反饋放大增益K，可以通過(guò)其對(duì)應(yīng)的電機(jī)的慣性常數(shù)求得。同時(shí)，為了設(shè)計(jì)偏差速度補(bǔ)償器必須要知道各個(gè)電機(jī)的慣性常數(shù)和摩擦系數(shù)，以及整個(gè)系統(tǒng)的自然頻率和阻尼系數(shù)。后兩個(gè)參數(shù)的作用是在閉環(huán)系統(tǒng)中用來(lái)設(shè)計(jì)H控制器，并且其決定整個(gè)系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)作以及在負(fù)載變化時(shí)的反饋狀態(tài)。
本系統(tǒng)采用速度與電流的雙閉環(huán)控制，加入偏差耦合策略，使系統(tǒng)完成同步控制的目標(biāo)。每臺(tái)電機(jī)都有專(zhuān)門(mén)的控制器和速度補(bǔ)償模塊。即每一臺(tái)電機(jī)及其控制模塊組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，然后各系統(tǒng)間通過(guò)速度補(bǔ)償模塊耦合起來(lái)，形成整個(gè)控制系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3．1仿真分析
文獻(xiàn)[1]已分析了無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)式(3)、式(5)、式(6)，即圖1和圖2可以建立電機(jī)仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
系統(tǒng)所選電機(jī)參數(shù)為：額定電壓(直流)28 V，額定轉(zhuǎn)速5 000 r／min，反電勢(shì)系數(shù)0 02 V·s／rad，極對(duì)數(shù)2，額定轉(zhuǎn)矩0 04 N·m，轉(zhuǎn)子慣性矩4．045×10-6N·m·s2，每相電樞繞組電阻1．5 Ω，繞組電感0．14 mH，兩相繞組間互感O 05 mH。
真曲線；圖5為系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)加入外部隨機(jī)擾動(dòng)時(shí)的速度仿真曲線。
從仿真結(jié)果可以得知，采用偏差解耦控制策略的多電機(jī)控制系統(tǒng)具有同步勝好、超調(diào)量小、響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
3．2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證偏差耦合控制策略的可行性，采用以專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片TMS320F2812為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證其有效性。
由于本系統(tǒng)有三臺(tái)電機(jī)，需要18路PWM接口來(lái)完成三相全橋控制，而TMS320F2812的事件管理單元一共含有16路專(zhuān)用PWM接口，由此出現(xiàn)了系統(tǒng)資源緊張的問(wèn)題。為了分擔(dān)DsP的負(fù)擔(dān)，選用MAX7000的復(fù)雜可編程邏輯器件中的EPM7064AE作為邏輯單元。DSP只需發(fā)送三路可調(diào)脈寬和頻率的PWM波，即可完成三臺(tái)電機(jī)的控制。對(duì)于驅(qū)動(dòng)部分，選用IR公司IR2130作為驅(qū)動(dòng)器件，使用IG—BT搭建三相全橋逆變電路。偏差耦合控制策略和PID調(diào)節(jié)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[5]給出了多電機(jī)同步控制PID參數(shù)計(jì)算方法。
本系統(tǒng)通過(guò)霍爾信號(hào)來(lái)檢測(cè)各電機(jī)的轉(zhuǎn)速，為了盡量在全速度范圍內(nèi)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，需要對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行6倍頻后再通過(guò)光耦隔離送人DSP的捕獲端口，以防止捕獲端口的計(jì)數(shù)器溢出造成捕獲速度不精確。對(duì)于電流的采集，為了節(jié)省成本，使用大功率精密無(wú)感電阻，作為電流采樣傳感器，然后通過(guò)差分放大器和有源濾波電路將電機(jī)母線上的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后通過(guò)線形光耦再送人DsP的AD端口。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。
系統(tǒng)中速度環(huán)采樣周期設(shè)為20 ms，電流環(huán)采樣周期設(shè)置為。200μs。系統(tǒng)驗(yàn)證了多臺(tái)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，以及換向時(shí)刻的同步性。通過(guò)DSP外擴(kuò)的128 kb 16位RAM存儲(chǔ)cAP口捕獲的速度信號(hào)，通過(guò)MATLAB繪出在給定轉(zhuǎn)速為5 000 r／min時(shí)的正反轉(zhuǎn)及切換瞬間的速度響應(yīng)曲線，如圖7所示。圖8給出了同等給定條件下的仿真速度曲線。
由圖7可知，采用偏差耦合控制策略的多電機(jī)控制系統(tǒng)，由于采用霍爾傳感器作為速度傳感器，同圖8的仿真結(jié)果相比較，測(cè)量精度受到一定的影響，同時(shí)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)由于電磁干擾等原因反饋速度有輕微的波動(dòng)，但穩(wěn)態(tài)誤差相對(duì)較小，且具有響應(yīng)時(shí)間快、魯棒性強(qiáng)、控制算法簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)際工程意義。
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