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微特電機(jī)論文:舵機(jī)用全數(shù)字無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
 

  摘要:基于TMS3201恐812設(shè)計(jì)的全數(shù)字舵機(jī)用伺服系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)、位置最外環(huán)的叁閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了帶有電壓泵升電路的主功率電路以及功率管驅(qū)動電路,軟件采用c 語言模塊化編程。對速度計(jì)算的改進(jìn)提高了速度的計(jì)算精度和抗干擾能力。試驗(yàn)結(jié)果表明,分  析正確,設(shè)計(jì)合理。

  關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng);全數(shù)字;無刷直流電動機(jī);舵機(jī);實(shí)驗(yàn)

  0引 言

  近年來,隨著稀土永磁材料和電力電子技術(shù)的發(fā)展以及微處理器DsP性能的提高,永磁無刷直流電動機(jī)以其控制簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)響應(yīng)好、慣量小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越廣泛的研究和應(yīng)用,尤其作為中小功率高性能調(diào)速電機(jī)和伺服電機(jī),在航空航天、軍事、家電及  工業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景和研究價(jià)值。

  模擬伺服系統(tǒng)存在很多缺陷,如控制線路體積大,限制了先進(jìn)控制方法的運(yùn)用,電路參數(shù)受環(huán)境影響大,可靠性差等,隨著DsP性能的提高,全數(shù)字控制得以引入伺服控制器中。

  1伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

  為了實(shí)現(xiàn)精確的定位,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、快速,伺服系統(tǒng)采用叁環(huán)控制,框圖如圖l所示。電流環(huán)作為內(nèi)環(huán),速度環(huán)作為外環(huán),位置環(huán)作為最外環(huán)。位置給定與位置反饋形成偏差,經(jīng)位置調(diào)節(jié)后產(chǎn)生速度參考量,它與速度反饋量的偏差經(jīng)速度調(diào)節(jié)后形成電流給定量,再與電流反饋的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)輸出PwM波形,控制逆變器開關(guān)管的開通與關(guān)斷,從而控制無刷直流電動機(jī),實(shí)現(xiàn)位置伺服控制。

  

  單斬上管調(diào)制方式可以減少開關(guān)管的損耗,避免功率電路與輸入電源能量的循環(huán),使系統(tǒng)有更高的效率”。伺服系統(tǒng)采用120。導(dǎo)通區(qū)間,上管調(diào)制,下管常通。本系統(tǒng)叁個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)器都采用PID控制。電流環(huán)控制的對象為兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的串連,按照調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法,將電流環(huán)校正 成典I型系統(tǒng),要實(shí)現(xiàn)快速的電流跟蹤,電流調(diào)節(jié)器選擇PI調(diào)節(jié)。電流環(huán)作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán),經(jīng)調(diào)節(jié)后可以看作一個(gè)慣性環(huán)節(jié),故速度環(huán)的控制對象是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)的串連。按照調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法,將速度環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)。速度調(diào)節(jié)器選擇PI調(diào)節(jié)。

  一般情況下,伺服系統(tǒng)不希望出現(xiàn)位置響應(yīng)超調(diào),以免響應(yīng)精度下降,故將位置環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器為P調(diào)節(jié)。 1.1硬件設(shè)計(jì) 伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由控制電路、功率放大電路,位置檢測電路、采樣電路及保護(hù)電路等部分組成。

  (1)主功率電路及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

  為提高定子繞組的利用率,減小轉(zhuǎn)矩脈動以及降低電路成本,逆變器一般采用叁相全橋驅(qū)動結(jié)構(gòu),如圖3所示。伺服電機(jī)要求能四象限運(yùn)行。當(dāng)制動時(shí)能量回流到直流側(cè),對燃料電池來說是不允許的,故直流側(cè)須串二極管DC,保證電流單向流動;仞伒哪芰拷o電容cDC充電,過多的能量經(jīng)電壓泵升電路釋放。泵升電路采用滯環(huán)控制。當(dāng)cDC電壓超過滯環(huán)上限值,開通功率管Q。,經(jīng)電阻RO釋放能量;當(dāng)cDC電壓低于滯環(huán)下限值,則關(guān)斷功率管QO。

  

  圖4給出設(shè)計(jì)采用的功率驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片采用帶光耦隔離的專用驅(qū)動芯片[R3120。為保證功率管可靠關(guān)斷,采用穩(wěn)壓管IN4733,使其獲得一5 V左右的關(guān)斷電壓。

  

  (2)控制電路設(shè)計(jì)

  控制器采用TMs320]?2812作為控制芯片。控制器位置給定和反饋通過AD采樣檢測直線電位器電壓得到。采用電流互感器檢測兩相電流,因叁相星型連接易得第叁相電流。電流檢測經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后保證其在采樣電路所要求的03 V量程內(nèi),然后送至DSP2812的3個(gè)_A/D采樣口。3個(gè)位置間隔120°分布的霍爾位置傳感器Hl、H2和H3經(jīng)整形隔離電路后分別與DsP的3個(gè)捕捉引腳相連,通過產(chǎn)生捕捉中斷來給出換向時(shí)刻,查表得到換向控制字并提供速度計(jì)算信號。換向控制字與導(dǎo)通邏輯的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。為了保證伺服系統(tǒng)安全運(yùn)行,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件過壓、欠壓保護(hù)和過流保護(hù)

  

  1.2軟件設(shè)計(jì)

  (1)閉環(huán)數(shù)字實(shí)現(xiàn)

  伺服系統(tǒng)采用c語言編程。軟件由主程序、定時(shí)中斷程序和捕捉中斷叁部分組成。中斷子程序如圖5和6所示。主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化,使能 T2周期中斷并使能內(nèi)部中斷INl3,等待中斷發(fā)生,定時(shí)中斷周期為25μs。位置調(diào)節(jié)周期為 10 ms。為了提高速度響應(yīng),避免起動、停轉(zhuǎn)和大幅加減速時(shí)調(diào)節(jié)器飽和,在普通PI調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上改進(jìn)為b—g—bang控制。其閥值定為200 r/min,速度調(diào)節(jié)周期為2.5 ms。速度反饋從霍爾傳感器的位置信號得到。電流調(diào)節(jié)每次定時(shí)中斷進(jìn)行一次。電流檢測采用T1P下溢起動AD采樣,檢測叁相電流,檢測到的電流進(jìn)行調(diào)零處理后作為電流反饋. 通用定時(shí)器GPl設(shè)置成連續(xù)增計(jì)數(shù)模式,波形發(fā)生器產(chǎn)生非對稱PwM波。

  

  1.3速度計(jì)算

  文獻(xiàn)[3]采用兩次換向間隔作為固定的角度來計(jì)算速度。由于實(shí)際的霍爾傳感器爪盤很難做到完全對稱,所以計(jì)算得到的速度誤差也較大。如果利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的間隔來計(jì)算速度,則可以很好地消除這種誤差。對高速電機(jī)而言這種速度計(jì)算精度完全滿足要求。另轉(zhuǎn)子換向時(shí)如果有擾動則有可能使得電機(jī)有瞬間的抖動,速度計(jì)算出錯(cuò)。故在計(jì)算速度時(shí)加入抗擾動處理:存儲上次位置信號,每次cAP中斷,讀到的位置信號與前一次比較,判斷是否換向正確,否則不予計(jì)算速度。這種方法能很好排除速度計(jì)算干擾。

  

  2試驗(yàn)結(jié)果

  基于以上原理分析,設(shè)計(jì)制作了伺服控制器原理樣機(jī)。電機(jī)額定電壓uDC=56 V,額定功率 850 w,2對極;功率管選擇IXf、R200NIOP并進(jìn)行了原理試驗(yàn)。圖7為輕載時(shí)霍爾信號與電流波形。通道1是霍爾位置信號HALLl,通道2為A 相電流信號;魻栃盘栞敵鰹榉催壿嫞合陆笛亻_通功率管,上升沿關(guān)斷功率管。圖8為A相和B 相電流波形。圖9為起動時(shí)的速度波形。通道1為速度給定,通道2為速度。速度給定為3 000 r/ min速度反饋能很好地跟蹤。

  

  試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了文中的原理分析?刂破餍阅艿膬(yōu)化還需做進(jìn)一步工作。

  3結(jié)論

  本文進(jìn)行了DsP全數(shù)字伺服控制器的設(shè)計(jì),并制作樣機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,控制性能較好。速度計(jì)算時(shí)巧妙地加入位置捕捉判斷,解決了速度計(jì)算干擾問題。

  

 

 

 

 
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