基于DSP的无刷直流伺服电机精确控制策略

1、Equipment Manufactring Technology No.4, 2008 收稿日期 :2008-01-22作者简介 :田小龙 (1976 , 男 , 河北蔚县人 , 工学硕士 , 研究方向 :机电控制系统 。基于 DSP 的无刷直流伺服电机精确控制策略田小龙 , 杨晓京 , 张兆隆 , 文光伟(昆明理工大学 现代农业工程学院 , 云南 昆明 650224摘要 :采用 TI 公司的 TMS320F2812DSP 实现了一个永磁无刷直流电机运行平稳 、 定位准确 、 启动快 、 转矩波动小 、 速度控制灵活的控 制 。 此伺服电机控制采用电流 、速度 、 位置闭环直流调速的控制策略

2、 , 通过 PID 调节器实现了对电流 、 速度 、 位置的调节 , 实现无刷直流 电动机 PWM 调速的实控制性 、 高精度以及无极调速 , 为伺服电机的控制提供了一个理想的解决方案 。 关键词 :DSP ; 无刷直流电机 ; PID ; PWM 中图分类号 :TM383.4文献标识码 :A文章编号 :1672-545X (2008 04-0060-03对永磁无刷直流电机的控制经历了从模拟控制电路到以 单片机为核心的数字控制电路的发展过程 , 但都存在着内在的 缺陷 。 前者由于模拟器件易老化而且对温度变化敏感 ; 后者虽 然克服模拟器件的内在缺陷 , 但运算速度慢 , 难以实现现代工 业对

3、电机实时控制的要求 。具有较高运算速度的 DSP 在电机控制的应用是一个新领 域 。 尤其是 TM S320LF2812DSP 控制器具有运动系统所需要的 专用外设事件管理器 EV , 如 PWM 产生电路等优点 , 同时它具 有强大的数字处理特点 :40M IP 的速度 (每秒百万条指令 使F2812控制器可以远远超过传统的 16位微控制器和微处理器的性能 。人们从传统的单片机控制转向现代高速数字信号处理 DSP 芯片的数字化控制系统 , 通过 DSP 本身自带的电机控制接口功能 , 结合 DSP 的高速字控制算法 , 使直流伺服驱动系统 具有高精度 、响应快 、 调速范围宽等特点 。 1无

4、刷直流伺服电机 F2812DSP 的 PWM 调速原理1.1无刷直流伺服电机 PWM 调速原理图 1PWM 调速控制原理图和电压波形图图 1利用开关管实现无刷 直 流 电 动 机 PWM 调 速 控 制 的 原理图和输入输出电压波形 。 当开关管 M OSFET 的栅极输入 高电平时 , 开关管导通 , 无刷直流电动机电枢绕组两段的电压U S 。 t 1时间后 , 栅极输入低电平 , 开关管截止 , 电机电枢两端电压为零 。 t 2时间后 , 栅极输入重新变为高电平 , 开关管的动作重 复前面的过程 。 这样 , 对应着输入的电平高低 , 直流伺服电机电 枢绕组两段端的电压波形如图 b 所示

5、。 电机的电枢绕组两端的电压平均值 U 0为 :U 0=t U +0t 1+t 2t U S =U S(1 =t 1:占空比(2占空比 表示了在一个周期 T 里 , 开关管导通的时间与 周期的比值 。 的变化范围为 0 1。 由此式可知 , 当电源 电压 U S 不变的情况下 , 电枢绕组两端的电压平均值 U 0取决于 占空比 的大小 , 改变 值就可以改变端电压的平均值 , 从 而达到调速的目的 , 这就是 PWM 调速原理 。1.2无刷直流伺服电机 F2812DSPPWM 波形的产生和实现产生一路 PWM 信号 , 需要一个合适的定时器来计数时钟 信号 , 比较寄存器保存调制值 , 比较寄

6、存器的值不断与定时器 的计数值相比较 。 当两个值匹配时 , 在相应的输出上产生跳变 (由低到高 , 或由高到低 。 当两个值之间发生第二次匹配或达 到定时器周期结束时 , 在相应的输出上发生另外一次跳变 。 在 这种模式下 , 将产生一个输出脉冲信号 , 它的开通 (或关断 持续 时间与比较寄存器的值成比例 。 每个 PWM 周期中比较寄存器 有不同的值 , 该过程是重复的 , 在相应的输出引脚上产生一个 调制了的 PWM 信号 2。在 事 件 管 理 模 块 中 , 比 较 单 元 、 通 用 定 时 器 1(对 于 EVA 模块 或通用定时器 3(对于 EVB 模块 、 死区单元以及输出

7、逻 辑电路可在两个功率器件的 (形成功率转换器的上下桥 控制 引 脚 上 产 生 一 对 具 有 可 编 程 死 区 以 及 输 出 极 性 控 制 的 PWM 输出驱动信号 。 在每个事件管理模块中 , 有 6个这种与比较单 元相关的 PWM 输出引脚 , 用来控制三相直流无刷电机 。图 2F2812DSP控制及其驱动电路60 装备制造技术 2008年第 4期2无刷直流伺服电机 F2812DSP 控制策略该伺服电机控制系统采用三环控制策略 。图 3无刷直流伺服电动机的控制2.1无刷直流伺服电动机的电流内环控制执行机构处于正反转工作状态 , 尽量缩短启动 、 制动和反 转过渡过程的时间 , 用

8、加大过渡过程的电流即加大动态转矩来 实现 , 因此采用电流反馈 。 例如执行机构启动时 , 将电流作为被 调量 , 在启动过程时间维持电流为最大值不变 , 这样可以充分 利用电动机过载能力的条件下获得最快的动态响应 1。 它的特 点是在电动机起动时 , 启动电流很快地加大到允许过载能力值 电流 , 并且保持不变 , 在这个条件下 , 转速的线性增长 , 当升到 需要的大小时 , 电动机的电流急剧下降到克服负载所需要的电 流值 。速 度 PI 调 节 器 输 出 Ugi 作 为 电 流 PI 调 节 器 的 给 定 信 号 , 与电流反馈信号 Ufi 比较后 , 偏差为 U =U g i -U

9、fi , 送 到 电 流 PI 调节器 , 通过电流 PI 调节器进行调节 , 实现电流的反馈 的过程 。总之 , 电流反馈起到了两个作用 :一个是在启动和大范围 加减速时起电流调节和限幅作用 。 因为此时速度调节器呈饱和 状态 , 其输出信号一般作为极限给定值加到电流 PI 调节器 , 电 流 PI 调节器的作用结果是使绕组电流迅速达到并稳定在其最 大值上 , 从而实现快速加减速和电流限流作用 ; 第二作用是使 系统的抗电源扰动和负载扰动的能力增强 。 若果没有电流环 , 扰动会使绕组电流随之波动 , 使电机的速度受影响 。 虽然速度 环可以最终使速度稳定 , 但需要的时间长 。 如果有电流

10、环 , 由于 其时间常数小 , 电流 PI 调节器会使受扰动的电流很快稳定下 来 , 不至于发展到速度产生大的影响 。 因此系统的快速性和稳 定性得到改善 。2.2DSP 无刷直流伺服电动机的速度中环控制静差度指电动机由理想空载到额定负载时的转速降 n N 与理想空载转速 n 0的比值 。 机械特性硬度指转矩变化 dT 与所 引起的转速变化 dn 的比值 。 为了实现了无静差调速系统 , 转速 降 n N 为 0, 得到理想的机械特性硬度 , 得到很平的机械特 性 , 必须设法在负载转矩发生变化时 , 使电动机的转速不变 。 笔 者采用直流伺服电动机的带速度反馈中环控制 。 这里通过速度 PI

11、 调节器来实现 。位 置 PID 调 节 器 输 出 Ugn 作 为 速 度 PI 调 节 器 的 给 定 信 号 , 与速度反馈信号 Ufn 比较后 , 偏差为 U =U g n -U fn , 送到速 度 PI 调节器 , 当 U 不等于 0时 , 速度 PI 调节器起调节作用 ; 当 U 等于 0时 , 速度 PI 调节器起调节作用停止 。 速度 PI 调 节器输出电压 Ugi 因积分作用 (消除静态误差 , 保持在某一数 值 , 以维持电动机在给定转速下运转 , 系统可以消除静态误差 。 总之 , 速度反馈中环解决在负载转矩发生变化时 , 使电动 机的速度不变问题 , 来保证电动机无静

12、差度静态特性 。 2.3DSP 无刷直流伺服电动机的位置外环控制最终控制执行元件的运动的位置 , 我们采用随动控制位置 反馈 。 通过 PID 位置调实现位置精确的控制 。给定 Ugp 作为位置 PID 调节器的给定信号 , 与位置反馈 信号 Ufp 比较后 , 偏差为 U =U g p -U fp , 送到位置 PID 调 节 器 进行调节 , 来实现位置精确的控制 。3DSP 无刷直流伺服电动机 PID 和 PI 调节 3在模拟控制系统中 , 控制器是最常用的 , 控制规律是 PID 控制 。 常规 PID 控制系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成 , 原理框图如图 4所示 。图 4P

13、ID 控制系统的原理框图PID 控制器是一种线性控制器 , 它根据给定值 r (t 与实际 输出值 c (t 构成控制偏差e (t =r (t -c (t (3 将偏差的比例 (P 、 积分 (I 和微分 (D 通过线性组合构成 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 :u (t =K P e (t +1T it! e (t dt +T d de (t " #(4 或写成传递函数形式 :U (s =KP(1+1T i s+T d s (5 其中 , Kp 为比例系数 , Ti 为积分时间常数 , Td 为微分时间 常数 。U (s =(K P

14、 +K I K D s E (s (6 其中 , Kp 、 KI 和 KD 分别称为比例增益 、 积分增益和微分 增益 。对上式作 Z 变换得 :U (z =K P +K I T +K D 1-z -1" $ E (s (7其中 , T 为采样时间 。进一步化简得 :U (z (1-z -1 =K P (1-z -1 +K 1T+K 1-2z -1+z -2%$ E (z (8以离散时域进行数字化 :u (k -u (k-1 =K P (e (k -e (k-1 +K 1Te (k +K D e (k -2e (k-1 +e (k-2 (9 即 u (k =u (k-1 +K 0e

15、(k +K 1e (k-1 +K 2e (k-2 (10 其中 K 0=K P +K 1+K D , K 1=K P +2K D , K 2=K D 。特别地 , 当上式中K D =0时 , K2=0且 K 0>K 1, 该控制器即为 PI 控制器 。61Equipment Manufactring Technology No.4, 20084DSP 无刷直流伺服电机调速实现通过 PID 进行电流内环 、 速度中环 、 位置外环调节 , 将 PWM 付 给 比 较 寄 存 器 (EvaRegs.CM PR1=pwm , 比 较 寄 存 器 的 值 不 断与定时器的计数值相比较 。 产生

16、pwm 信号 , 实现无刷直流伺 服电机调速控制 。 当 Speedset=2200, kp=0.003, ki=0.02, kd=0.0时 , 时 间 和 速 度的图形如图 5所示 : 图 5速度的变化曲线此图形横轴代表时间 (单位 :s , 纵轴代表速度 (单位 :r 。 当 Speedset=2200, kp=0.003, ki=0.01, kd=0.0时 , 时 间 和 速 度的图形如图 6所示 : 图 6速度的变化曲线此图形横轴代表时间 (单位 :s , 纵轴代表速度 (单位 :r 。 通过上面两幅图比较 , 当 ki=0.02其余的参数不变时得到高精 度 、 响应快的运动曲线 。当

17、 Speedset=1430rad 时 , kp=0.03, ki=0.01, kd=0.0时 , 时 间 和速度的图形如图 7所示 :图 7速度的变化曲线总之通过改变 Speedset 的值和 PID 调节 , 此控制系统实现 了直流伺服电机高精度 、 响应快 、 调速范围宽的控制 。5结论通 过 TI 公 司 的 TM S320F2812DSP 事 件 管 理 器 EVA 模 块 产 生 PWM 1PWM 6, 采 用 三 环 控 制 的 策 略 , 应 用 PID 调 节 速度 , 实现一个永磁无刷直流电机高精度 、 响应快 、 调速范围宽 的控制 。参考文献 :123The Contr

18、ol Way of the Brushless DC Motor Based on DSPTIAN Xiao-long , YANG Xiao-jing , ZHANG Zhao-long ,WEN Guang-wei(Faculty of M odem Agricultural Engineering , Kunming University of Science and Technology , Kunming 650224, China Abstract :This system make the DC servo motor more rapidness , anchor point nicety , torque wave little and the speed controlling agility by the TM S320F2812DSP of the TI company , The paper designs the control ways of the electric current , speed and position control in order to reach the rapidness , nicety and stabilization of the PWM speed control of