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基于DSP的無刷直流電動機伺服控制系統

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:268

摘要:應用TMS320LF2407芯片設計了一套無刷直流電動機伺服控制系統。系統采用了位置、速度、電流三閉環的控制結構以滿足快速性、高精度以及傳動的剛性和高的速度穩定性等方面的性能要求。簡述了實現該控制系統的軟件和硬件設計方案及控制策略,系統采用了主、輔兩個位置環,實驗證明系統調速范圍寬,控制性能好。

0  引  言

  無刷直流電動機具有簡單的電壓和電流關系式,控制算法和功率放大器也比較簡單,同時具有運行效率高和調速性能好等諸多優點…。此外,借助于霍爾元件實現換相的無刷直流電動機又避免了直流電動機因電刷而引起的各種缺陷。其機械特性和調節特性線性度好,調速范圍寬,壽命長,維護方便,可靠性高,噪聲較小,不存在換向火花,不會產生對無線電信號的干擾。因此,在高性能、高精度伺服控制系統領域,無刷直流電動機具有廣泛的應用前景。本文以TMS320LF2407芯片為核心,設計并且實現一個基于數字信號處理器DSP控制的無刷直流電動機伺服控制系統,完成位置伺服控制。

1伺服系統的構成

   基于DSP的無刷直流電動機伺服控制系統結構圖如圖1所示。

    圖l無刷直流電動機伺服控制系統組成框圖

   從圖中可以看出,該系統包括三部分:主電路、控制部分和顯示設定部分。

   主電路是由電動機和功率模塊共同組成的電動機驅動部分;控制部分由DSP控制;顯示設定部分由89C2051控制,它和DSP控制器之間通過串行通信來實現數據交換??刂撇糠滞瓿呻妱訖C的驅動和速度、位置、電流的初始信號以及實時信號的采集和運算,實現系統的閉環伺服控制;設定和顯示部分完成系統的起動、停止、復位的設定以及速度和位置的給定值和實時值的顯示,實現人機對話。

   圖2是主電路控制部分的總體框圖??刂撇糠钟呻姍C驅動回路、電流環、速度環和位置環組成。主要完成速度、電流的監控以及位置的伺服控制。

1.1電動機驅動回路

 電動機驅動回路是由無刷電動機、霍爾位置傳感器、信號處理電路、信號捕獲單元,以及功率模塊組成。這里霍爾位置傳感器安裝在電動機內部定子側。在空間上成120°電角度分列開來,共有三個;信號捕獲單元能夠將霍爾傳感器給出的脈沖信號正確及時的捕獲并且送到處理器中,處理器根據當前的轉子位置信號進行分析判斷,給出正確及時的換相命令;功率模塊是由六個IGBT、組成的三相全控橋,由處理器的全比較單元控制它通斷狀態實現電機定子換相和PWM調速。

 圖2控制部分總體框圖

1.2電流環

   電流環由主電路、霍爾電流傳感器、信號處理路、AD轉換器、電流調節器、電壓比較電路組成?;魻栯娏鱾鞲衅骺梢詸z測主電路的電流信號并且將電流信號轉化為成比例的電壓信號。由于DSP只能處理數字信號,因此要將電流傳感器送出的電壓信號經過A/D轉換器轉換為數字信號送入DSP進行處理,從而決定功率模塊輸出。當主電路的工作電流過大時,很容易損壞電機,因此必須要對電流進行上限限制。電壓比較電路完成的任務是,當電流突然超過最大允許值時,通過電壓比較電路硬件封鎖功率模塊迫使電動機電流下降,從而更好的實現電路的自我保護功能。

1.3速度環

   速度環由脈沖編碼器、信號處理電路、捕獲單元、速度給定以及速度控制器組成。電機轉速由脈沖編碼器進行檢測。脈沖編碼器將轉速轉化為對應脈沖信號,通過信號處理電路的處理,由捕獲單元捕獲并且送入DSP。經過速度控制器的運算,得出相應的控制信號送出,作為電流環的給定。而保證在系統上電初始化后,功率模塊的三個橋臂處于全部截止狀態。

   系統的起動信號是通過按啟動鍵給出的。單片機在檢測到起動信號以后,立刻通過串行口和控制部分進行通訊,如果通訊正常,則系統立刻起動。

3實驗結果與結論

   圖4是位置給定變化后轉速隨著位置誤差變化的實測數據圖。所選用的是YHWM一80的無刷直流電動機,額定電流1.8 A,額定電壓24 V,額定功率25 W,額定轉速為3 000 r/min。

   圖4電動機伺服曲線

   從圖中可以看出,在位置誤差為零的情況下,電機處于停止狀態。在t1時刻加位置給定為正向轉過10000脈沖數,這時位置誤差為+10000脈沖數,電機立即以最大電流起動,達到額定轉速后,開始以額定轉速向著減小位置誤差的方向移動,這時伺服系統的快速性占主導地位。當位置誤差小于l 000個脈沖時,為了使系統準確定位,并且速度不是太慢,開始使電機的速度逐漸減小,在位置誤差為零時準確停車,達到準確定位的目的。在電機停止后,在

t2時刻,使位置給定由+l0 000脈沖減小為+6 000脈沖,這時系統檢測到位置誤差為一4 000脈沖,電機立即以最大電流起動,達到額定轉速后,開始以額定轉速向著減小位置誤差的方向移動??梢娺@時電機運行的方向是反向運行。當檢測到的位置誤差小于一l 000脈沖時,為了系統的準確定位,并且速度不是太慢,開始使電機的速度逐漸減小,在位置誤差為零時準確停車,達到準確定位的目的。

   總之,從系統的總體性能來看,不論在伺服系統的快速性方面還是在精確方面,系統都有比較好的性能。

1.4位置環

   位置環是一個雙環電路。第一個環稱為主位置環,它是從速度環的檢測電路送出,包括脈沖編碼器、信號處理電路、捕獲單元、位置給定以及位置控制器。脈沖編碼器安裝在電機的轉子上,轉子旋轉一周,脈沖編碼器也跟著轉過一周,通過計算脈沖編碼器產生的脈沖數就可以得出當前轉子所轉過的位置信息。捕獲單元將脈沖編碼器產生的脈沖捕獲并且送入DSP內部的計數器。通過位置控制器運算得出輸出量,并將輸出量作為速度環的給定。

   第二個環稱為輔助位置環,它是從無刷電動機的驅動部分電路送出。為了防止電動機在運行過程中出現脈沖捕獲出錯,而造成定位不精確的故障發生,因此可以充分利用電路中的已有資源設計出一個輔助位置環,對位置檢測進行校驗,從而實現精確的位置控制。輔助位置環由電動機驅動回路、霍爾 位置傳感器、信號處理電路、信號捕獲單元組成。輔助位置環的原理是當電機的轉子旋轉一周時,定子換相完成一個周期。在兩次換相時刻之間,位置的

變化應該是一個定值,即位置計數器的增量是一個常量。當兩次換相之間計數器增量變化時,證明位置檢測有誤。然而只要電機正常旋轉,換相必然成功,因此可以用兩次換相時刻的增量作為參考基準來校驗位置檢測的正確性。

2控制系統軟件設計

   控制部分的軟件主要包括主程序,位置、速度反饋與換相驅動模塊,信號采樣模塊,控制器算法模塊,PWM產生,實時通訊子程序。在這里只對主程序流程進行介紹。

   控制部分軟件的主程序流程圖如圖3所示。

    圖3控制部分主程序流程圖

   主程序在初始化部分將系統的CPU頻率設為20 MHz,SYSCLK的頻率設為10 MHz,PWM的頻率為1 kHz。串行通訊設為10為異步通訊方式,并且波特率設置為10 416.67 bit/s,系統的電流采樣周期設為0.001 s,轉速采樣周期為0.005 s,實時通訊周期0.02 s,全比較單元的輸出為高電平狀態,從而保證在系統上電初始化后,功率模塊的三個橋臂處于全部截止狀態。

   系統的起動信號是通過按啟動鍵給出的。單片機在檢測到起動信號以后,立刻通過串行口和控制部分進行通訊,如果通訊正常,則系統立刻起動。

3實驗結果與結論

   圖4是位置給定變化后轉速隨著位置誤差變化的實測數據圖。所選用的是YHWM一80的無刷直流電動機,額定電流1.8 A,額定電壓24 V,額定功率25 W,額定轉速為3 000 r/min。

  圖4電動機伺服曲線

   從圖中可以看出,在位置誤差為零的情況下,電機處于停止狀態。在t1時刻加位置給定為正向轉過10000脈沖數,這時位置誤差為+10000脈沖數,電機立即以最大電流起動,達到額定轉速后,開始以額定轉速向著減小位置誤差的方向移動,這時伺服系統的快速性占主導地位。當位置誤差小于l 000個脈沖時,為了使系統準確定位,并且速度不是太慢,開始使電機的速度逐漸減小,在位置誤差為零時準確停車,達到準確定位的目的。在電機停止后,在t2時刻,使位置給定由+lO 000脈沖減小為+6 000脈沖,這時系統檢測到位置誤差為一4 000脈沖,電機立即以最大電流起動,達到額定轉速后,開始以額定轉速向著減小位置誤差的方向移動??梢娺@時電機運行的方向是反向運行。當檢測到的位置誤差小于一l 000脈沖時,為了系統的準確定位,并且速度不是太慢,開始使電機的速度逐漸減小,在位置誤差為零時準確停車,達到準確定位的目的。

   總之,從系統的總體性能來看,不論在伺服系統的快速性方面還是在精確方面,系統都有比較好的性能。

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