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全数字舵机用无刷直流电机伺服系统的设计
jiang_0514 发表于 2009/2/27 8:35:31 1365 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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近年来，随着稀土永磁材料、电力电子技术的发展以及微处理器dsp性能的提高，永磁无刷直流电动机（permanent magnet brushless dc motor， pmbldcm）以其控制简单、输出转矩大、动态响应好、惯量小、可靠性高等优点而得到越来越广泛的研究和应用。尤其作为中小功率高性能调速电机和伺服电机，在航空航天、军事、家电及工业领域有广阔的应用前景和研究价值。
模拟伺服系统存在很多缺陷，如控制线路体积大、限制了先进控制方法的运用、电路参数受环境影响大、可靠性差以及不易更改。随着dsp性能的提高，全数字控制得以引入伺服控制器中，使得系统简化，不易受环境影响，可靠性高。本文设计了以ti公司高性能dsp-tms320f2812为核心的舵机用伺服控制器，包括硬件和软件设计。
一、伺服系统的基本原理
图1给出永磁无刷直流电动机伺服系统的结构框图，该系统由电机本体、电子换向器及位置传感器三部分组成，其中电子换向器包括逆变器和控制器。永磁无刷直流电动机的定子上放置了电枢绕组，转子上安装了永磁体，提供电机的励磁，并在转子上同轴安装位置传感器，会输出有规律的位置信号。经逻辑处理后去控制逆变器中电子开关的通断，从而建立起旋转的定子磁场，并且使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90°左右的电角度，产生转矩推动转子旋转。
图1 永磁无刷直流电动机结构框图
为增加电机出力，永磁无刷直流电机的反电势设计成120°梯形波，三相互差120°，相应的采用三相六状态工作方式。为了实现精确的定位，保证系统的稳定、快速，伺服系统采用三环控制，如图2所示系统控制框图。电流环作为内环，速度环作为外环，位置环作为最外环。位置给定与位置反馈形成偏差，经位置调节后产生速度参考量，它与速度反馈量的偏差经速度调节后形成电流给定量，再与电流反馈的偏差经电流调节输出pwm占空比，控制逆变器开关管的开通与关断从而控制无刷直流电动机，实现位置伺服控制。
图2 pmbldcm伺服系统闭环控制框图
二、伺服系统的分析与设计
单斩上管调制方式可以减少开关管的损耗，避免功率电路与输入电源的能量的循环，使系统有更高的效率。伺服系统采用这种调制， 导通区间，上管调制，下管常通。pid控制具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛用于工业过程控制中，它不需要知道被控对象精确的数学模型。本系统三个闭环调节器都采用pid控制。电流环控制的对象为两个惯性环节的串连，按照调节器工程设计方法，将电流环校正成典i型系统，要实现快速的电流跟踪，电流调节器选择pi调节。电流环作为速度环的内环，经调节后可以看作一个惯性环节，故速度环的控制对象是一个惯性环节和一个积分环节的串连，按照调节器工程设计方法，将速度环校正成典ii型系统，速度调节器选择pi调节。一般情况下，伺服系统不希望出现位置响应超调，以免位置控制响应精度下降，故将位置环校正成典型ⅰ型系统，调节器为p调节。
伺服系统的硬件设计
伺服系统硬件结构如图3所示，该控制系统主要由控制电路、功率放大电路，位置检测电路、采样电路及保护电路等部分组成。
图3 伺服系统硬件结构框图
主电路及驱动电路设计
为提高定子绕组的利用率、减小转矩脉动以及降低电路成本，逆变器一般采用三相全桥驱动结构，如图4所示。伺服电机要求能在四象限运行，当制动时能量回流到直流侧，对燃料电池来说是不允许的，故直流侧须串二极管d0，保证电流单向流动。回馈的能量给输入电容cdc充电，过多的能量经电压泵升电路释放。泵升电路采用滞环控制，当cdc电压超过滞环上限值，开通功率管q0经电阻r0释放能量；当cdc电压低于滞环下限值则关断功率管q0。
图4 主电路结构图
合理的驱动电路对功率器件的安全工作及整个伺服系统的稳定运行至关重要。图5给出文中设计采用的功率管驱动电路，驱动芯片采用带光耦隔离的专用驱动芯片ir3120，为保证功率管可靠关断，采用稳压管in4733，使其获得-5v左右的关断电压。
图5 功率管驱动电路
控制电路设计
控制器采用tms320f2812作为控制芯片。控制器位置给定和反馈通过ad采样检测直线电位器电压得知。采用电流互感器检测两相电流，因三相星型连接易得第三相电流。电流检测经调理电路调理后保证其在采样电路所要求的0～3v量程内，然后送至dsp2812的三个a/d采样口。三个位置间隔120°分布的霍尔位置传感器h1、h2和h3经整形隔离电路后分别与dsp的三个捕捉引脚相连，通过产生捕捉中断来给出换向时刻，查表得到换向控制字并提供速度计算信号。换向控制字与导通逻辑的对应关系如附表所示。为了保证伺服系统安全运行，电源合理使用，本系统设计了硬件过欠压保护和过流保护
三、伺服系统的软件设计
闭环数字实现
伺服系统采用c语言编程，软件由主程序、定时中断程序和捕捉中断三部分组成，中断子程序如下图6和7所示。主程序进行系统初始化，使能t2周期中断并使能内部中断int3，等待中断发生，定时中断周期为25μs。三闭环都用数字实现，位置调节周期为10ms；为了提高速度响应，避免起动、停转和大幅加减速时调节器饱和，在普通pi调节器基础上改进为bang-bang控制，其阀值定为200r/min。速度调节周期为2.5ms，速度反馈从霍尔传感器的位置信号得到。电流调节每次定时中断进行一次。电流检测采用t1p下溢起动ad采样，检测三相电流，检测到的电流进行调零处理后作为电流反馈。通用定时器gp1设置成连续增计数模式，波形发生器产生非对称pwm波。
图6 定时中断子程序
图7 捕捉中断子程序
速度计算
由于实际的霍尔传感器爪盘很难做到完全对称，所以利用转子旋转一周的间隔来计算速度，则可以很好的消除误差，对高速电机而言这种速度计算精度完全满足要求。另转子换向时如果有扰动则有可能使得电机有瞬间的抖动，速度计算出错。故在计算速度时加入抗扰动处理：存储上次位置信号，每次cap中断，读到的位置信号与前一次比较，判断是否换向正确，否则不予计算速度。这种方法能很好排除速度计算干扰。
四、试验结果
基于以上原理分析，设计制作了伺服控制器原理样机，其控制的电机额定电压udc=56v、额定功率850w、2对极，逆变器功率管选择ixfr200n10p，并进行了原理试验。图8为轻载时霍尔信号与电流波形，通道1是霍尔位置信号hall1，通道2为a相电流信号。霍尔信号输出为反逻辑：下降沿开通功率管，上升沿关断功率管。图9为a和b相相电流波形。图10为在起动时的速度波形，通道1为速度给定，通道2为速度。速度给定为3000r/min，速度反馈能很好的跟踪。
图8 霍尔与电流波形
图9 相电流波形
图10 起动时速度波形
试验结果初步验证了文中的原理分析，控制器性能的优化还需做进一步工作。
五、结 语
本文分析了永磁无刷直流电动机的工作原理，表明永磁无刷直流电机具有控制简单、输出转矩大、动态响应好、可靠性高等优点。根据其工作原理进行了dsp全数字伺服控制器的设计，设计制作了原理样机，试验结果表明这种设计的合理性，具有系统结构简单，控制性能较好的特点。速度计算时巧妙的加入位置捕捉判断，解决了速度计算干扰问题。