直流无刷电机运动控制系统电流

直流无刷电机运动控制系统电漉度调节器参数设计、实验目的了解直流无刷运动控制系统速度控制的系统结构框图和硬件组成了解DSP实现数字式电流/速度调节器掌握电流/速度调节器参数调节对系统性能的影响二、实验设备序号名称备注1运动控制实验箱天煌教仪2直流无刷电动机附1024增量式编码器3PC机安装运动控制软件平台4存储刀、波器选用三、实验线路和原理1.直流无刷（BLDC）电机电流/速度调节器原理框图图8-1BLDC电机电流/速度调节器框图在直流无刷运动控制系统中采用的是串级控制结构，对于电流控制器来说，需要一个16位的数字式PI调节器对其进行调整。图中两相电流反馈Ia、Ib通过LEM公司的霍尔电流传感器进行测量，将输入的电流信号转换为输出的电压信号，经过功率放大电路电平转换后送到DSP控制芯片。电流调节器根据由速度调节器提供的电流参考IA*和电流反馈信号Ia、Ib，产生输出的电压参考值UA*。DSP根据电流调节器所提供的电压参考值UA*和直流无刷电机反馈回的位置信号，输出相应的PWM信号，PWM信号经功率放大级驱动后输出调制波形电压，从而驱动电机工作。在速度调节器中，速度反馈信号由光电编码器提供，速度调节器把光电编码器反馈回来的速度信号Qm与程序所提供的参考信号Q*m比较，产生提供给电流调节器的I*A信号。电流调节器参数调节在本实验中电流回路通过一个离散的PI调节器进行调节，其PI调节的传递函数为：R（z）=Kp+—^—xTs_C1—ZT式中Kp为电流调节器比例系数，Ki为积分系数，Ts_C为电流环取样时间。Kp、Ki的系数通过调整电流环回路电流动态响应曲线来获取（如图8-2所示），通常是由闭环回路所希望的动态性能来完成的。图8-2电流控制回路结构图在MotionChip芯片内部PI调节器的执行如图8-3所示:图8-3MotionChip电流调节器执行原理由图可以看出，调节器需要外部输入下列参数：I_ref参考电流，由下列三种方式产生：参考发生器（电流/转矩模式）、速度调节器输出（配置了速度环）或位置/外部变量调节器输出（在位置模式且没有速度调节器），本实验直接由参考发生器产生，即Ib。I_fbk：电流反馈，即Ia。另外，还需考虑输入的值（电流采样比例系数）和输出的值（电压采样比例系数）之间所需要的一些参数值（KPluKTKPI等等位以及调节器系数调整结Kif果（Kp和Ki）。下面是上述一些系数的计算关系，关系式中电流调节器的参数分别用Kp_crt和Ki_crt表示：{ Kp_crt=Kp_C_real*KfKicrt=KiCreal*&讨Kif上式中Kif为电流采样比例系数，通过电流传感器获取其数值，具体计算公式为：Kif=Em]**[bits/A]。2.5V 2SFTCRTCGa为电流传感器的增益系数，系统中选用了LEM公司的HY5—P型的霍尔电流传感器，CGa为0.8。SFTCRT为电流偏移量系数，通常设为默认值0；由于DSP芯片不能输入负的电压值，电机相电流信号是一个正弦信号，时正时负，所以在硬件电路中将正弦信号的电位提高为2.5V。对于大于2.5V的电流信号，DSP将其判断为正的电流信号，对于小于2.5V的电流信号则判断为负的电流信号。Kuf为电压采样比例系数，通过直流电压传感器进行采样，计算关系式为：Kuf=“J/V]*65536[bits/V]。上式中Ugv=5/VdcMaxMeasurement[V/V]°VdcMaxMeasurement为母线电压检测最大值，在"Amplifier"中设定。Kp_C_real、Ki_C_real通过在“MotionStudio"中调整"Dump_C（阻尼系数）"、“PB_C（带宽广的值来改变，当程序中阻尼系数和带宽的值改变后，会自动计算出你所要的PI参数值。速度调节器参数调节速度调节器采用的是一个PI调节器，其PI调节的传递函数为：

R（z）=Kp+-^—xTs_S1-zt式中Kp为速度调节器比例系数，Ki为积分系数，Ts_S为电流环取样时间°Kp、Ki的系数通过调整闭环回路来获取，通常是由闭环回路所希望的动态性能来完成的。速度调节器还可以根据运动控制系统机械特性，对一些前馈信息进行处理，如：相关的加速度（受模型惯量影响）、相关的速度（受模型黏性摩擦影响）以及负载转矩（受模型负载转矩影响）。其结构图如图8-4所示：图8-4带前馈速度调节器结构图在MotionChip芯片内部图8-4带前馈速度调节器结构图在MotionChip芯片内部PI调节器的执行如图8-5所示:图8-5MotionChip速度调节器执行原理由图可以看出，调节器需要外部输入下列参数：speed_ref：参考速度，由下列方式产生：参考发生器（在速度模式）或位置/外部变量调节器输出（在位置/外部变量模式）。speed_fbk：速度反馈，通过速度传感器（光电编码器）反馈提供。acc_target：目标加速度，由参考发生器提供。speed_target：目标速度，由参考发生器提供。torque_load：负载转矩，由负载转矩传感器提供。同时输出下列参数：I_ref：参考电流，电流调节器PI调节的参考输入。在输入和输出之间还需要一些数字表达的参数：比例部分（KPS、SFTKPS）、积分部分（KIS、SFTKIS、IMAXS）、前馈部分（KFFA、KFFS、KFFL、SFTKFF）和饱和系数（SATS）。因此需要知道数字表达的参数（KPI、SFTKPI等）和调节器产生的系数（Kp、Ki等）之间的关系。这些关系必须考虑输入比例系数（速度）和输出比例系数（电流）。下面是相关系数的计算公式：{Kp_spd=Kp_S_real*K^LKispd=KiSreal*"fKif上式中Kif为电流采样比例系数，通过电流传感器获取其数值，具体计算公式为：Kif=CG"V⑶**[bits/A]。2.5V 2SFTCRTCGa为电流传感器的增益系数，系统中选用了LEM公司的HY5—P型的霍尔电流传感器，CGa为0.8。SFTCRT为电流偏移量系数，通常设为默认值0；Kvf为速度采样比例系数，通过速度传感器进行采样，其计算公式为:Kvf=PSresolution*TsSKvf=2兀在本实验系统采用脉冲编码器对速度进行估计，PSresolution的值为脉冲编码器分辨率的4倍，TsS为速度环采样周期。Kp_S_real>Ki_S_real通过在“MotionStudio”中调整“Dump_C（阻尼系数）”、“PB_C（带宽广的值来改变，当程序中阻尼系数和带宽的值改变后，会自动计算出你所要的PI参数值。四、 实验内容熟悉直流无刷运动控制系统电流/速度调节器的硬件构成电流调节器PI调节对系统性能的影响。速度调节器PI调节对系统性能的影响及各种PI参数下的速度控制。直流无刷电机速度控制的控制速度控制时电机启动和稳态时电流波形的观察五、 预习要求预习直流无刷电机的工作原理及其速度检测的方法仔细阅读运动系统电流/速度调节器的有关原理PI参数对系统性能的影响，工程中常用的闭环频率特性带宽和阻尼系数的设计方法。1） 电流2） 速度光电编码器的工作原理，速度控制的误差与哪些因数有关。六、 思考题比较速度调节器和电流调节器的带宽大小在电流调节器的参数整定时，怎样判断调节器的性能好坏？在速度调节器的参数整定时，如果电机出现振荡或转速不能达到预先设定值，应分别如何调整？理想速度调节器速度跟踪的时间一般为多少？七、 实验方法熟悉运动控制软件开发平台的系统结构图和基本单元。连接实验线路，检查无误后给控制电路通电（通电时先加控制电路电源，后加高压电源；断电时也应先断高压电源，后断控制电路电源），运行“MotionStudio”上位机软件，检查通讯是否成功（在软件状态栏中显示）；如不成功请检查串口线和端口设置。3.平台基本参数的设定。其设定顺序为：1） 在上位机软件中通过依次选取下列选项： “NewProject"—“Brushless"一"Bldc"—"Position"—"Acpm750"一"Api"一“BLDC_POSITION_ACPM750_API”，建立新的运动控制应用。2） 在“Configuration"配置中将“MotionControlLoops"对话框中选择电流环和速度环。关于各个对话框功能的说明见点击软件上"Help"按钮打开的帮助文档。3） 点击“Motor”按钮打开电机定义对话框，电机定义方法是：在“Database”中选择“User”，在“Motor”项中输入并保存你所用电机的各种参数。各参数说明见点击“Help”后的帮助文档。4） 点击“Amplifier”按钮打开对话框，在“Board”项中选择“ACPM750v3.3”，点击“VDCDetection"打开直流母线电压检测对话框，点击“Start”进行直流母线电压检测，并把检测结果保存。点击“TestPhaseconnection”打开一个对话框进行电机相位连接测试，该测试主要是对A相、B相电流采样进行验证。上述几个操作对话框的具体说明见相应的帮助。5） 点击“Sensors"打开位置传感器对话框，点击“Testconnections”打开编码器连接测试对话框，在这里你可以通过手动旋转电机轴来检查编码器连接的对错；点击“Detectnumberoflines”打开编码器相位连接测试，同时对编码器的线数进行估计。具体说明见对话框相应的帮助。6） 在位置传感器对话框中点击“Next”进入霍尔传感器的测试，在这里可以对直流无刷电机的霍尔信号的连接和结构进行测试。7）点击“Controllers”打开控制器调节对话框，在这里进行调节器的参数确认。首先按“Tune”按钮进入PI参数设定。图8—6电流调节器PI参数设定对话框在PI调节参数设定前，你可以电机定子阻抗等参数进行检测，方法是点击“IdentificationResistanceandInductance”按钮，在弹出的对话框（图2-6）中运行。图8—7定子阻抗检测设定好相应的PI调节参数后，可以点击“Test”按钮进行测试。8）点击“Tune”按钮进入速度调节器的参数整定对话框，如图8-8。

8-8速度调节器参数调整在该对话框中，你可以对速度调节器的一些参数进行整定，如：Dump_S(阻尼系数)、PB_S(带宽)等，通过对这些参数的整定，从而改变速度调节器的比例系数(Kp_S_real)和积分系数(Ki_S_real)。从图中还可以看出，在设定过程中还可以对积分饱和系数进行设定。通过点击"IdentificationTotalInertia”按钮进入转动惯量测试对话框，如图8-9，在此对话框中对电机的转动惯量进行测试。

图8-9 总的转动惯量测试9）点击“Test”按钮打开速度调节器测试对话框（图8-10）,在该对话框中对电机的动态性能进行测试。图8-10速度调节器整定测试1