基于變速積分pid的開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
王歆．田雨波．王寶忠
(江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212003)
摘要：在分析了開關(guān)磁阻電動機(jī)閉環(huán)速度控制方案的基礎(chǔ)上，針對pid算法在開關(guān)磁阻電動機(jī)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，給出了相應(yīng)的解決方法，提出了非線性變速積分pii)算法．并成功地解決了在低采樣周期時pid算法的積分飽和問題。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動機(jī)；pid控制；非線性變速積分
0引 言
低制造成本、高可靠性和高能量轉(zhuǎn)換效率是機(jī)電運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。開關(guān)磁阻電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，適合在惡劣環(huán)境下運行，只在定子上有繞組，沒有轉(zhuǎn)子銅耗。因此開關(guān)磁阻驅(qū)動系統(tǒng)迎合了機(jī)電運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，融合了電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制算法發(fā)展成果，成為近年機(jī)電運動控制領(lǐng)域的研究熱點。近年來已廣泛應(yīng)用于家電、汽車、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域。
1開關(guān)磁阻電機(jī)的速度控制方案
對開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制一般采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率(額定負(fù)載時電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比)要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。開關(guān)磁阻電動機(jī)的速度控制方案如圖1所示。
開關(guān)磁阻電動機(jī)控制器是電機(jī)調(diào)速運行的中樞，它綜合處理各種位置、速度等給定信號，給出相應(yīng)的相通斷、系統(tǒng)保護(hù)、顯示等信號。且根據(jù)鍵盤輸入的指令如起動、停止、速度設(shè)置等和傳感器提供的各種信號(如位置、電流等)輸出相通斷信號，驅(qū)動主開關(guān)管的開通與關(guān)斷，驅(qū)使電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。tms320f240芯片是ti公司專門針對電機(jī)、逆變器、機(jī)器人等控制而設(shè)計的，它配置了完善的外圍設(shè)備，且可設(shè)置六個優(yōu)先級的中斷。此款芯片在電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的整體來說，無論是從計算速度、精度、內(nèi)外部資源還是性價比上，都優(yōu)于傳統(tǒng)的一系列單片機(jī)，所以本設(shè)計中選用tms320f40來作為控制器的cpu。
如圖2所示，整個控制器單元主要包括最小系統(tǒng)電路、位置檢測電路、電流檢測電路、倍頻電路、過流、過壓及欠壓保護(hù)電路、轉(zhuǎn)換電路、電流斬波電路以及人機(jī)交互電路等。
閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制(簡稱pid控制)，是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器。pid調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡單，不一定需要系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，參數(shù)容易整定，在長期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗。將它移植到計算機(jī)控制系統(tǒng)，通過軟件予以實現(xiàn)，對于大多數(shù)控制對象都能獲得滿意的控制效果。pid調(diào)節(jié)器雖然易于使用，但在設(shè)計、調(diào)試開關(guān)磁阻電動機(jī)控制器的過程中常常會遇到pid調(diào)節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響等問題，且受數(shù)字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調(diào)節(jié)作用。所以，在不影響控制精度的前提下對pid控制算法加以改進(jìn)，關(guān)系到整個開關(guān)磁阻電動機(jī)控制器設(shè)計的成敗。
2設(shè)定速度和獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速
開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)采用光電式位置傳感器，它由靜止和轉(zhuǎn)動兩部分組成，前者包括紅外發(fā)光二極管、紅外光敏二極管和輔助電路；后者為srm轉(zhuǎn)子同軸安裝的6齒遮光盤，每齒間隔30o，遮光盤與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，通過遮光盤的遮光、透光，使光敏元件產(chǎn)生導(dǎo)通與關(guān)斷信號。對于四相8／6極開關(guān)磁阻電動機(jī)，在定子上安裝兩個相距75o的光敏傳感元件經(jīng)輸入電路處理，輸出兩路相位差15o、占空比為50％的方波信號，它組合成四種不同的狀態(tài)，分別代表電動機(jī)四相繞組不同的參考位置。tms320f240的兩個捕獲單元capl、cap2分別檢測這兩路信號。當(dāng)捕獲輸入引腳上檢測到一個轉(zhuǎn)換時，定時器tl或t2的值被捕獲并存儲在相應(yīng)的兩級深度fifo堆棧中。位置信號的上、下跳變均因起捕獲口中斷，即每15o產(chǎn)生一次捕獲口中斷，cap的中斷服務(wù)程序根據(jù)轉(zhuǎn)子的瞬時位置信號，由srm電機(jī)換相邏輯，確定電機(jī)對應(yīng)繞組關(guān)斷與導(dǎo)通，并根據(jù)測周法計算電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。
兩路位置信號輸入捕獲口，每一次跳變上升沿或下降沿都要產(chǎn)生一次捕獲中斷，讀取相應(yīng)捕獲堆棧寄存器即可計算出各路信號相鄰兩個跳變之間的標(biāo)準(zhǔn)脈沖個數(shù)n，捕獲功能以定時器2為時間基準(zhǔn)，定時器2計數(shù)頻率為l. 25 mhz。根據(jù)t測速法，可得如下轉(zhuǎn)速計算公式：
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