大力矩反作用飞轮转速控制设计.doc

大力矩反作用飞轮转速控制设计上海大学工程硕士过程控制及系统课程 题目：大力矩反作用飞轮转速控制设计学生姓名：胡元闻学 号：12610121专 业：控制工程指导教师：孙鑫 讲师大力矩反作用飞轮转速控制设计摘 要本文是针对大力矩反作用飞轮转速控制系统进行的分析和设计，反作用飞 轮作为动量交换元件，无论是工作在力矩模式还是工作在速率模式，都是通过转速变化来实现动量交换的，为了实现高精度的卫星姿态控制，必须要求飞轮能够实现转速稳定均匀。所以本设计采用速度电流双闭环的控制系统，这样可以极大地减小反电势以及部分控制参数的不精确性对输出力矩的影响，解决零转速附近的摩擦力矩波动，来确保输出力矩的稳定性。关键词：速度、电流环双闭环控制；飞轮转速、电机电流；转速控制；目录 摘 要1引 言3一、飞轮调速系统31.1 系统工作原理31.2 系统反馈组成41.3 PID控制原理51.4 速度及电流双闭环控制61.5无负载情况下的调速系统运行7二、系统控制策略92.1双闭环调节92.2换向控制112.3电流控制12总 结14参考文献15引 言飞轮作为动量交换元件，无论是工作在力矩模式还是工作在速率模式，都是通过转速变化来实现动量交换的，为了实现高精度的卫星姿态控制，必须要求飞轮能够实现转速稳定均匀。对于反作用飞轮来说，由于存在低速和转速过零问题，要在整个转速范围内实现转速控制的稳定均匀是十分困难的。在高速段范围内要实现转速的高稳定性是很容易的，这时的转速测量较为容易，摩擦力较为均匀，因此控制也比较容易达到指标；但是在零转速附近要达到较高的转速稳定性就有困难。问题来自两个方面，一个是测量问题，一个是控制问题。测量问题可以通过选用在低速和高速工作都理想的转速测量方式来解决，而在零转速附近的控制问题来自经过零转速时的摩擦力波动，控制的实质在于对摩擦力的有效补偿，即对抗摩擦力干扰的能力要强。由于摩擦力的非线性，要实现其有效补偿，在整个转速范围内采用单一结构的控制策略是很难达到理想的控制效果，因此在零转速及低速段附近必须采用抗摩擦力等非线性干扰因素能力强的先进的控制策略。综上，为解决零转速附近的摩擦力矩波动，减小反电势以及部分控制参数的不精确性对输出力矩的影响，大力矩飞轮控制电路采用速度环和电流环双闭环的控制方案，来确保输出力矩的稳定性。大力矩飞轮调速控制系统按功能划分有：主控制器部分、速度/电流采样部分、功率驱动驱动部分、CAN通信部分及电源部分。由于飞轮电机不带负载，其摩擦力可忽略不计，所以负载力矩基本等于零。这种无负载调速系统，有别于一般的带负载调速系统。对这种调速系统的控制，并且要取得高性能的控制效果，是一个值得研究的重点。一、飞轮调速系统1.1 系统工作原理整个飞轮调速系统的系统结构及工作原理如图1所示。图1 飞轮调速系统原理框图主控制器部分采用DSP控制器实现，通过DSP自身丰富的硬件资源以及软件程序设计，完成整个飞轮调速系统的运行控制；电机的位置、速度及电流信息分别通过各采样接口反馈到DSP，由DSP的控制软件进行相应的位置、速度及电流控制，位置信息由电机内置霍尔传感器产生，速度信息由电机上安装的光电编码器输出转速脉冲及方向信息，电流信息由采样电阻对电机电流采样后获得。DSP的PWM发生电路产生PWM波形，经驱动电路及大功率桥电路后驱动电机运转； DSP与上位机之间通过CAN总线及相应的通信协议进行通信，上位机通过CAN总线向DSP发送控制指令，而DSP通过CAN总线接收指令及上传相关数据；电源转换电路分为数字电源部分和功率电源部分两块，分别对数字控制部件和电机驱动部件进行供电；1.2 系统反馈组成（1） 位置反馈飞轮上的无刷直流电机采用三相六状态的星形接法，通过三相全控功率桥逆变电路驱动。电机内置霍尔传感器，根据霍尔传感器感应到的电机转子目前所在位置，决定三组功率晶体管上下管的开启或关闭顺序。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以往同一方向持续转动。当控制部分决定要电机转子停止，则关闭功率晶体管；要电机反向转动则采用相反的功率晶体管开启顺序。霍尔信号为三路，每路信号根据是否上拉分为0、1两种状态，三路输出的组合产生001、010、011、100、101、110六个有效信号，来指示电机转子的位置。通常电机每转导致霍尔信号变化的次数还与电机的极对数有关，关系为，其中为霍尔信号变化次数，为电机的极对数，即对对极的电机来说，每转霍尔输出信号变化次。因此，在有些对转速控制精度不高的场合，也可以通过霍尔信号的变化进行测速。（2）速度反馈通过光电编码器产生的正交编码脉冲（QEP）对电机转速进行测量。正交编码脉冲是由两个具有变化频率和1/4个周期（90）当固定相移的两个脉冲序列A、B组成的，如图10所示。如果将脉冲序列A超前序列B1/4个周期（90）认为是电机正转方向，如图2（a）；那么序列B超前序列A1/4个周期即为电机反转方向，如图2（b）。通过对正交编码脉冲计数及先导序列的检测，即可得到电机的转速及转向信息。当采用刻线数为256线的光电编码器时，则电机每转由光电编码器产生两路256个脉冲的正交编码脉冲。而我们对正交编码脉冲电路计数时，通常对每路脉冲的上升沿和下降沿均进行计数，故实际计数脉冲数为每转1024（256*4）个脉冲。因此，当调速采样周期为50ms时，可以达到1.172转/分的转速分辨率。图2 正交编码脉冲输出（3）电流反馈在三相无刷直流电机的运行控制中，需要获知流经电机实际电流值，以进行电流控制和力矩控制。因此，我们通过采样电阻将电机中的电流转换为电压信号，经过一系列的滤波电路后，反馈至处理器的A/D采样端，由处理器获得当前流经电机的瞬时电流值。1.3 PID控制原理PID控制是工业过程控制中常用的控制方法，因为PID控制器结构简单，实现简易，且能对很多被控对象进行有效的控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与系统实际输出值之间的偏差：，将偏差的比例(P)、积分（I）和微分（D）三个环节通过线性组合的方式构成控制量，进而对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为: 简单来说，三种环节的控制作用如下:(1)比例环节。误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，是被控制量朝着误差减小的方向变化，其控制作用的强弱取决于比例系数。比例控制的缺点是对于系统阶跃响应值为一有限值的被控对象存在静差，加大可以减小静差，但过大时，会破坏系统的动态性能，甚至使闭环系统不稳定。(2)积分环节。它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。积分控制的缺点在于积分作用具有滞后特性。如果积分控制作用太强就会使系统的动态性能变差，甚至使系统变得不稳定。(3)微分环节。它能对误差进行微分，敏感于误差的变化趋势，增大微分控制可以加快系统响应，使超调量减小，增加系统稳定性。它的缺点是对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。在数字控制系统中，使用的是数字PID控制器，它可以表示为：。其中、和分别称为比例、积分和微分系数，为采样时间。在本文中，我们采用DSP软件编程的方式实现PID控制，故采用的也为数字式的PID控制方式。1.4 速度及电流双闭环控制当电机转动起来后，根据霍尔传感器信号变化及电机实际速度与设定速度的误差来决定大功率管导通顺序以及导通时间长短。速度不够则加长导通时间，速度过头则减短导通时间，这部份工作就由PWM控制来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM是达到精准速度控制的核心。为了满足系统超调小、抗扰动能力强，实时性、快速响应性好的要求，飞轮调速系统采用转速、电流双闭环的控制策略。对于要加入转速和电流两个闭环的调速系统，为了在启动过程中只有电流负反馈起作用以保证最大允许工作电流，不应让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端；到达稳态转速后又希望能使转速恒定，静态误差尽可能小，应只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要作用。转速、电流双闭环调速系统应该能够做到既有转速和电流两种负反馈作用，又能使它们在不同的阶段起主要作用。如图3所示为转速、电流双闭环控制的原理框图。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个PID调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级连接。图3 电机双闭环控制原理框图其中外环为速度环，用于控制电机的实际转速跟随设定的速度变化，消除稳态速度误差。当电机实际转速小于（或大于）设定转速时，速度环根据其误差做出同时增大电流（或减小）电流的决定，最终通过反复调整，给出准确的电机参考电流。同时，速度环对其参考电流的输出进行限幅，来控制允许的最大电流上限值。由于在速度环中加入微分环节容易导致其输出变化加剧，使电流环的控制不稳定，通常在速度环中去掉微分调节，只采用PI控制算法。内环为电流环，用来加快系统的动作速度，减小调节时间，起超前控制的作用，同时保证电枢电流在动态过程中不超过允许值，对PWM占空比上限进行约束，防止调整中出现过流情况。当速度环给出准确的参考电流值后，电流环首先采样流过电机的实际电流，当发现电机实际电流小于（或大于）参考电流时，便作出增大或减小PWM输出脉宽的调节决策，使流经电机的实际电流准确趋近速度环给出的参考电流值。在电机运行过程中，当出现电机过流时，电流环将迅速减小PWM占空比来减小电流，起到保护电机的作用。1.5无负载情况下的调速系统运行飞轮电机在转动过程中，不论是工作在正向运转还是反向运转，都处于无负载运行状态中。由于没有负载的能耗制动，如果我们不加以控制，飞轮转速一旦超过所设定的转速就会处于滑行状态，此时电流为零，无法进行速度的调整。因此，我们需要施加一定的反向制动力矩，来减缓飞轮的转速，使其向设定转速靠近。当飞轮正向超速时，需要给它施加负向力矩；当飞轮负向超速时，需要给它施加正向力矩。对正负向力矩的施加是通过控制三相桥中晶体管的导通顺序来实现。我们可以将飞轮的运行过程分成三个阶段，如图4所示。图中，（）部分为调速阶段，（）部分为稳速阶段，（）部分为零速（超低速）阶段。下面我们分别从系统双闭环和电流控制两方面来探讨无负载情况下电机的运行过程。图4 飞轮电机阶段运行过程图（1）调速阶段调速阶段是一个飞轮的当前转速与设定转速之前存在较大偏差，经控制后当前转速不断向设定转速靠近的过程。对正反双向运行的电机来说，又可以分为正向加速、反向加速、正向减速和反向减速的调整过程。在调速过程中，当速度偏差较大时，速度环通过PID调节迅速饱和，此时速度环给出的电流参考值为允许的最大上限电流。同时，随着电机转速提高，反电势越来越大，将导致电流减小。此时，通过电流环的调节，提高PWM占空比，使实际流经电机的电流始终靠近速度环给出的电流参考值，保证电机以恒定的力矩运行。当电机启动时，由于反电势很小，电机短时间处于堵转状态。为了保护电机，我们应控制电机的启动电流，在电机转速提高后，逐渐加大电机电流的上限，从而可以起到降低噪声，达到电机稳定变速的目的。（2）稳速阶段稳速阶段是电机的当前转速在设定转速上下波动的阶段。在无负载情况下，由于电机转速的调节是通过电流正反向的加速或制动来实现的，所以不可避免的会存在转速波动。我们的目标是将这种波动控制在可以接受的性能指标内。此时由于电机的当前转速和设定转速之间的偏差很小，为了提高控制精度，需要提高速度环的灵敏度。因此，我们可以适当增大速度环PID控制中的参数Ki，使速度环对较小的速度静差也能及时的响应。在稳速阶段，通过速度环的微调，给出比较精确的参考电流后，电流环对PWM占空比的精确调节可以保证流经电机的实际电流与速度环给出的参考电流相一致。（3）零速阶段（超低速阶段）当电机从一个较高的转速经过一系列制动，到达设定的零速附近转速时，由于电机的惯性及无负载情况下的制动控制，电机更容易发生在零速附近反复震荡，无法停止的问题。此时，电机又处于近似堵转状态下，长时间的电流冲击会缩短电机寿命。因此，在零速阶段，关键是电流的控制。适当的降低电流上限，既可以减小电流对电机的冲击及降低噪声，又可以减小由于过量控制及惯性导致的过冲。而速度环和电流环中PID参数的调整，可以参考稳速阶段的控制来进行。二、系统控制策略通过上一节对无负载情况下电机运行过程的分析，我们可以看到，要改善无负载情况下电机的控制效果，需要从三个方面来寻找探求好的控制策略，一是从双闭环调节中控制参数的调整，二是正确处理电机在稳速情况下的换向控制，三是不同转速及运行状态下对电流的控制。2.1双闭环调节考虑到积分环节对大超调量的延迟性，为使系统有较快的响应，速度环中采用由改进的积分分离的增量式PI控制算法。为积分分离开关量。当时，1，引入积分环节，消除静态误差，提高控制精度；当时，0，去掉积分环节，防止初始时超调过大。速度环调节周期需要根据速度控制精度及速度采样方式来选取，通常在1050ms之间。调节周期过小，导致单位周期内速度采样值相对减小，会使速度采样精度降低；反之，如果调节周期过长，导致系统响应变慢，加大了速度环控制的延迟性。电流环中PID控制参数的选择通常根据经验来选取，在实际调试中不断进行调整。一般来说，电流环调节的时间要比速度环快得多，一般取速度环的调节周期为电流环调节周期的10100倍之间。如果电流环的调节周期较之速度环调节周期过大，则电流环的调节作用降低；反之，电流环调节时间太短，对电流采样及CPU处理速度提出了更高的要求。为了加快系统的动作速度，减小调节时间，起超前控制的作用，以减小响应的超调，电流调节器采用标准的PID增量控制式算法。对PWM占空比上限进行约束，防止调整中出现过流情况。PWM频率的选取并不是任意的，PWM频率直接影响到整个控制系统运行性能的好坏和运行效率的高低。PWM一般可以选取的范围比较大，主要考虑的因素是电机的性能和效率两个方面。高频率的PWM斩波抗干扰能力强，并可以减小噪音。，电流采样为50kHz。P.控制(比例控制) ：输出与输入误差讯号成正比关系，即将误差固定比例修正，但系统会有稳态误差。 I .控制(积分控制) ：当系统进入稳态有稳态误差时，将误差取时间的积分，即便误差很小也能随时间增加而加大，使稳态误差减小直到为零。 D.控制(微分控制)：当系统在克服误差时，其变化总是落后于误差变化，表示系统存在较大惯性组件或(且)有滞后组件。微分即是预测误差变化的趋势以便提前作用避免被控量严重冲过头。 按图5所示系统仿真框图进行仿真实验。图5 系统仿真框图通过多组数据比较，选定速度环调节周期50ms，电流环周期50us，PWM频率20kHz。速度环PI参数：蓝线kp 2，ki1； 紫线kp1，ki0.1； 绿线kp0.5，ki0.1。电流环PID参数：kp0.5, ki0.2, kd0.1。仿真结果如图6所示。图6 仿真运行结果2.2换向控制当电机运行在稳速状态下，由于其实际转速不断在设定转速上下波动，会带来三相桥中功率管在正反向的导通顺序上反复切换的现象。如果我们采取比较刚性的控制策略，如图7所示。由于此时PWM的占空比变化很小，而仅仅改变功率管正反向的切换，会带来反复的电流冲击，产生很大的噪声。图7 刚性控制下的电机换向因此，我们采用另一种功率管导通顺序的切换方式，如图8所示。 当电机实际转速超过设定目标转速后，首先通过电流环将PWM占空比减小进行缓冲，功率管的导通顺序保持不变。当PWM占空比减小到零，即电流趋近于零时，进行功率管在正反转方向上的切换。采用这种换向控制方式后，能够有效地减小电机在稳态转速上震荡换向带来的噪声，但是会增大电机在稳态转速上的超调量。当然，通过PID控制参数的调整，提高PWM占空比的调整速度，可以将该超调量控制在有效的范围内。图8 柔性控制下的电机换向2.3电流控制在电机运行的控制过程中，我们主要通过电机的设定转速和实际转速这两个重要参量进行控制。同样，对电机电流的控制也需要参考这两个参量。如图3-7中所示，（）线为在电机运行实际速度下所允许的流经电机的上限电流曲线，（）线为在电机设定的目标转速在所允许的流经电机的上限电流曲线。将（）线函数，（）线函数组合即可得到在不同的电机实际转速和设定的目标