一种直流力矩电机精确控制的新方法

1、广东技术师范学院学报2007年第10期JournalofGuangdongPolytechnicNormalUniversityNo.10,2007一种直流力矩电机精确控制的新方法高冰张萍(广东技术师范学院自动化学院,广东广州510635)摘要:针对直流力矩的闭环调速控制,、精确控制问题。介绍算法,并给出实现这一算法的技术方案。,共同组成闭环随动控制系统。,。关键词:;中图分类号:T:A文章编号:1672-402X(2007)10-0001-0311引言在测量仪器中,工件的某些参数检测是在其稳速下进行的,直流力矩电机是带动工件旋转的常用控件之一。因其负载能力强,可工作在堵转,不必加齿轮变速,可

2、直接带动工件旋转,从而减小振动、磨损对测量精度的影响。在测量系统中往往对转速的稳定性要求较高,因此直流力矩电机的精确控制成为人们关注与研究的对象。实现快速、平稳、精确的无极调速,且结构简单,性能价格比高是人们努力方向。笔者对直流力矩电机的精确控制进行了较深入的研究。总结出一种新的控制算法渐近调速法,并给出实现这一方法的技术方案。以数字信号处理器(DSP)为核心,与集成马达控制元件和测速单元共同组成闭环随动控制系统。系统的控制原理如图1所示。ni-1:电机当前转速。ni和ti:将调解的电机转速和与其对应的脉宽。21渐进调速算法在电机转速控制中,电机的调速要考虑电机运行平稳。当电枢电压变动大时,转

3、速变化快,调速过程加快,难免会出现过调量,会导致运行转速在设定转速ns的上下来回摆动,造成电机运行不稳。本设计中采用渐进调整算法,即每次转速的调整量为设定转速ns与当前实测转速ni-1之差ni-1的0.6倍。在调整过程中因设定转速与实测转速之差n1的不同,调整的次数也不同。将有实测各转速n1,n2,n3nM,逐次逼近设定转速ns,直至ni量满足使用要求,调速停止。当实测转速ni-1低于设定转速时ns,转速调整示意如图2.a所示。预调转速ni可用下式表达:3(1)ni=ni-1+ni-10.6i=2,3,Mni-预调整的转速,ns-设定转速,ni-1-当前实测转速,ni-1=(ns-ni-1)速

4、度差。当实测转速ni-1高于设定转速时ns,转速调整示意如图2.b所示。有下式:图1系统控制方框图图中:Tm:测速传感器;f0:电机转动频率;图2转速调整示意图收稿日期:2007-02-20作者简介:高冰(1956-),女,辽宁沈阳人,广东技术师范学院高级工程师,主要从事机电一体化仪器开发设计,自动化、测控专业的教学与科研;张萍,女,广东技术师范学院高级讲师,主要从事计算机控制、数据库开发和应用的教学与科研。23高冰张萍:一种直流力矩电机精确控制的新方法第10期ni=ni-1-ni-10.6i=2,3,M(2)DSP的高速脉冲捕捉端。通过计数、解算可得电机实其中ni-1=ni-1-ns。直流力

5、矩电机的调整特性呈线性,当采用PWM脉宽控制时,脉冲周期一定,脉冲宽度与电机转速可用下式表达:(3)ti/ni=ti-1/ni-1i=2,3,.M3ti=niti-1/ni-1=(ni-1+0.6ni-1)ti-1/ni-1际运行转速,将其与设定转速比较,根据转速差计算出控制电机运转脉宽的调整量。312驱动控制通道设计。DSP器件外围设备库中的事件管理器(EV)模块,提供了大量的函数和功能部件,它们可以用于运动控。PWM1和PWM2(4)由当前转速ni-1和当前脉宽ti-1计算出下一步预调整脉宽ti,反复几次,直至达到设定的转速过程快速、平稳,轴的抖动。的。因为转速ni-1ti-1,反映电机当

6、前运行条件下的控制关系,由此计算出的预调整脉宽符合电机的调整特性。按上述调整方法每次调整后剩余转速差有:ni=ni-1=0.4Mn1。其中ni是满足使用要求的转0.4速差,n1是原始转速差,M是调整次数。调整次数M可用下式表示:n1)/lg0.4M=lg(ni/(5)元出端,产生PWM信号。WM7EV模块的简单比较器输出端,产生位控信号。图中IN3、IN4是L298中第二组桥驱动电路PWM信号输入端。ENB是L298单片驱动电路工作状态的使能端,接收位控信号。图4DSP与L298接口电路31渐进调速算法的实现采用闭环智能控制实现渐进式调速。控制系统由三部分组成:1。提取反馈的速度量,分析解算,

7、发出PWM脉冲的智能单元;2。对PWM脉冲功率放大驱动当电机转速不等于设定的转速时,要改变控制电压,即改变作用于电枢的平均电压Vav。当采用PWM脉冲控制时,脉冲电压的平均值应等于电枢的平均电压Vav。设PWM脉冲周期为T1,正向脉冲宽度为ti,则有脉宽占空比:=ti/T1。改变占空比即可获电机运转的驱动单元;3。反馈电机运行状态的测速得不同的控制电压,从而调整电机转速。脉冲周期T1单元。是常量,则占空比的改变取决于正向脉冲宽度ti。311控制系统的构成313速度反馈通道设计采用定点式数字信号处理器(DSP)TMS320F24X速度反馈通道由霍尔测速传感器和锁相环构成。为核心构成闭环控制系统。

8、其结构原理如图3所示。测速传感器拾取的转速脉冲f0经锁相环倍频后,获得DSP所具有的PWM脉冲输出功能,为电机调速控制提N倍f0的脉冲信号Nf0,并将其提供给DSP。测速通道供了极大方便,其高速脉冲捕捉功能用于提取测速传的构成如图5所示。来自测速传感器的电机轴同步信感器的锁相倍频信号。号f0经CD4528整形,供给锁相器件CD4046和多级计数器CD4040组成的锁相环,经倍频可得到Nf0时钟频率。CD4046-Vcout输出的Nf0脉冲提供给DSP的捕捉单元作为转速测量输入。可以采用以下二种方式测速:1。倍频脉冲计数法。2。倍频周期测量法。图3控制系统结构原理框图DSP的PWM脉冲经集成控制

9、器功率放大,驱动力矩电机旋转,测速传感器拾取转速同步信号,电机轴转动一圈,传感器拾取一个频率为f0的脉冲信号。该信号经整形电路整形后供锁相环,经倍频后为128f0供图5测速通道原理图第10期高冰张萍:一种直流力矩电机精确控制的新方法331311倍频脉冲计数法锁相环电路中电机转速的倍频脉冲信号Nf0,作为DSP处理器的捕捉输入信号。在一定时间Ty内纪录综合上述分析:电机轴的转速高时宜采用倍频脉冲计数法,转速低时宜采用倍频周期测量法。输入的Nf0脉冲数Ny。则有等式:Ty=Ny/Nf0,由此解得:f0=Ny/NTy。41结束语常用的直流伺服电机脉宽调速系统由双闭环构成。主电路是PWM,反馈是速度控

10、制,。其测速是由测速发电机。本设计由数字信号处理器、集成马达控制器、锁相倍频测速构成单环系统,测速回路由霍尔传感器与锁相倍频电路构成。入口是设定的转速和倍频脉冲,由数字信号处理器完成分析、比较、计算、判断,出口是PWM脉宽控制信号。测速通道带来的误差很小,电路结构简单。文中所探讨的渐进调速算法和技术方案可应用于对转速精度要求较高的直流力矩电机控制系统中。参考文献:1廖效果,刘又武。数控技术M。武汉:湖北科学技术出版(6)(7)Ny有一个脉冲跳变的误差。=1/Ny=1/TyNf0由式(8)可见,即设定脉冲输入的时间TyN。这二个参数值越大,测量精度越高,但Ty和N的取值应兼顾整机工作效率和电路结

11、构简洁。本设计中N取128。31312倍频周期测量法锁相倍频脉冲信号Nf0供给DSP的高速脉冲捕捉端,取该信号的一个周期,在一个信号周期内纪录DSP内部时钟fs.脉冲个数Ny。则有表达式:(9)1/Nf0=Ny/fs.解得:(10)f0=fs/Ny.NNy有一个脉冲跳变的误差。误差的表达式为:=1/Ny=Nf0/fs(11)由式(11)可见,影响测量精度有二个因数,内时钟频率fs和锁相环的倍频数N。内时钟频率fs取值大,锁相倍频数N取值小带来的测量误差就小。本设计中N取128。社,2000。2刘和平,邓力。DSP原理及电机控制应用M。北京:北京航空航天大学出版社,2006。3高冰。基于数字信号

12、处理技术的基波信号提取方法J。轴承,2004。AnewmethodofprecisecontrollingaDCtorquemotorGaoBingZhangPing(GuangdongPolytechnicNormalUniversity,Guangzhou510665,China)Abstract:Inviewoftheclosed2loopspeedcontrolDCtorquemotor,agradualtimingalgorithmispresentedinthepaper,inwhichtheissues,suchasspeed,stableness,precisecontrola

13、ndsoon,willbesolvedintheprocessofregula2tingthespeed.Thealgorithmandthetechnicalprogramofhowtorealizeithavebeenintroduced.Theprogram,withthedigitalsignalprocessorasacore,isaclosed2loopservocontrolsystem,composedwithadrivenmotorcontrolleraswellasalock2octavespeedunit.Boththedesignofdrivingcontrolchannela