摘 要：介紹了采用DSP作為CPU來實(shí)現(xiàn)永磁無刷直流電機(jī)位置伺服控制的方法。系統(tǒng)的控制策略采用位置一速度一電流PID控制，其中位置環(huán)采用非線性PID控制。結(jié)合系統(tǒng)和負(fù)載的特點(diǎn)對傳統(tǒng)雙極型PW_M進(jìn)行修改，以解決系統(tǒng)靈敏度低的問題�？刂破魍ㄟ^專用通信芯片與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了控制器與外部數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計方案的合理性和有效性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī)；位置伺服系統(tǒng)；數(shù)字信號處理器；實(shí)驗(yàn)
0 引 言
傳統(tǒng)的直流電機(jī)由于有換向器和電刷的存在，其容量和轉(zhuǎn)速都受到了一定限制，電機(jī)運(yùn)行的可靠性也較差。而稀土永磁無刷直流電機(jī)(B][_,DCM)既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的特點(diǎn)，又具有傳統(tǒng)直流電機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，同時克服了機(jī)械換向器和電刷帶來的諸多問題。
由于永磁無刷直流電機(jī)具有體積小、轉(zhuǎn)矩高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天，精密儀器，現(xiàn)代家電等領(lǐng)域。本系統(tǒng)選擇稀土永磁無刷直流電機(jī)作為伺服電機(jī)_1 J。目前，小容量快速高精度無刷直流電機(jī)位置伺服系統(tǒng)(如導(dǎo)彈舵機(jī)控制系統(tǒng))多采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)。隨著單片機(jī)及DSP的廣泛應(yīng)用，針對采用單片機(jī)及DSP作為CPU來實(shí)現(xiàn)對位置伺服系統(tǒng)的數(shù)字化控制的研究逐漸增多。
目前基于DSP的位置伺服控制系統(tǒng)所采用的控制策略主要有PID控制、模糊自整定PID控制等。
本文結(jié)合負(fù)載及系統(tǒng)的特點(diǎn)采用了非線性PID控制，并且對傳統(tǒng)雙極型PWM方式進(jìn)行了修改，提高了系統(tǒng)的控制性能。目前出現(xiàn)的BLDCM位置伺服系統(tǒng)的位置給定信號多通過模擬信號給出，這種方式會引入一定的干擾，并且濾波環(huán)節(jié)會增加響應(yīng)延時，這些都會影響系統(tǒng)的性能，因此本系統(tǒng)通過數(shù)字通信方式來獲取及反饋數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的精度。
1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。DSP通過專用通信芯片接收上位機(jī)發(fā)送的伺服系統(tǒng)的位置給定信號及系統(tǒng)當(dāng)前所處工作狀態(tài)信號，并將伺服系統(tǒng)當(dāng)前的位置反饋信號發(fā)送給上位機(jī)。DSP將采樣所得反饋信號與位置給定控制信號進(jìn)行計算，發(fā)出PWM波，控制三相逆變器進(jìn)而控制電機(jī)動作，電機(jī)輸出經(jīng)減速機(jī)構(gòu)后帶動負(fù)載。負(fù)載為彈性負(fù)載，在零位兩側(cè)±20。范圍內(nèi)動作，因此，位置信號以角度形式表示。
下面介紹系統(tǒng)各部分組成及信號流程。
1)通信部分：實(shí)現(xiàn)位置給定信號的數(shù)字化，上位機(jī)通過專用通信芯片將位置給定信號發(fā)送到DSP，同時接收DSP反饋的負(fù)載當(dāng)前位置信號。
2)信號反饋及功率保護(hù)部分：系統(tǒng)將所采樣的電流、位置反饋信號經(jīng)濾波和電平變換，送入DSP的A／D采樣引腳。功率保護(hù)信號經(jīng)電平變換后直接送入DSP的功率保護(hù)引腳，當(dāng)出現(xiàn)低電平時，將觸發(fā)DSP的功率保護(hù)中斷，DSP將封鎖對應(yīng)通路的PWM波。
3)轉(zhuǎn)子位置同步部分：霍爾傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置以三路高低電平信號傳人DSP的GPIO引腳，DSP將采樣所得信號與換相表相比較控制三相逆變器功率管的開通關(guān)斷使之與轉(zhuǎn)子位置相匹配。
4)隔離、驅(qū)動及逆變部分：DSP發(fā)出的PWM波經(jīng)光耦隔離后送入功率驅(qū)動芯片，經(jīng)過功率放大后送入三相逆變器的功率管的柵極和源極之間，控制功率管的開關(guān)動作。
5)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)及負(fù)載部分：三相逆變電路控制電機(jī)動作，電機(jī)輸出經(jīng)減速裝置帶動負(fù)載。
系統(tǒng)負(fù)載為彈性負(fù)載，即零位負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零，向正負(fù)兩方向偏轉(zhuǎn)越大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大。
2 系統(tǒng)控制策略及PWM調(diào)制方式
2．1 控制策略
本位置伺服系統(tǒng)控制策略采用位置一速度一電流三環(huán)控制。三環(huán)參數(shù)調(diào)試時遵循從內(nèi)環(huán)到外環(huán)的順序，先調(diào)試電流環(huán)，然后是速度環(huán)，最后位置環(huán)。
電流環(huán)處于最內(nèi)環(huán)，調(diào)試時首先考慮其快速跟隨性，即輸出電流能夠快速跟隨給定電流的變化。本系統(tǒng)電流環(huán)采用比例控制算法。
速度環(huán)為三環(huán)中的中間環(huán)，采用PI控制算法。
速度環(huán)的反饋由位置反饋的微分產(chǎn)生，由于位置反饋信號中存在較大的干擾，直接微分所得速度反饋信號失真情況嚴(yán)重，故通過對位置反饋信號進(jìn)行模擬和數(shù)字濾波，延長位置微分信號之間的時間間隔(選取10個位置采樣周期的間隔計算一次速度)，對速度信號進(jìn)行再次數(shù)字濾波等措施來改善。
位置環(huán)作為最外環(huán)，直接決定了伺服系統(tǒng)的動和靜態(tài)性能，故位置環(huán)的調(diào)試是三環(huán)中最關(guān)鍵的部分。傳統(tǒng)PID算法雖具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便等特點(diǎn)，可是KpKiKd三個參數(shù)固定，難以同時保證系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度、較好的穩(wěn)態(tài)精度和較小的超調(diào)量。由于系統(tǒng)負(fù)載為彈性負(fù)載，故負(fù)載力矩的大小與負(fù)載偏離零位的角度成正比；并且負(fù)載從零位到給定位置過程中，負(fù)載力矩也在逐漸增大，而如果KpKiKd三個參數(shù)固定，則系統(tǒng)的快速性及超調(diào)量較難同時達(dá)到較好的狀態(tài)。綜合上述兩點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，位置環(huán)采用非線性PID控制，根據(jù)位置給定信號的大小和位置給定與位置反饋的差值作為判斷條件，在不同的條件下采用不同的PID結(jié)構(gòu)和參數(shù)。在實(shí)際調(diào)試過程中，由于位置反饋信號中存在較大的隨機(jī)干擾信號，加入積分后，系統(tǒng)總是難以調(diào)試到令人滿意的狀態(tài)，而采用非線性PD控制經(jīng)過調(diào)試后較容易達(dá)到系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。
2．2 PWM調(diào)制方式
逆變器多采用三相六狀態(tài)120°兩兩導(dǎo)通方式，在每一瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔1／6電周期(60°電角度)換相一次，每次換相一個功率管，每一個功率管在一個電周期內(nèi)導(dǎo)通120°電角度。
在這種方式下，先判斷電機(jī)當(dāng)前是正轉(zhuǎn)還是反 轉(zhuǎn)，正反轉(zhuǎn)分別對應(yīng)一個換相表，圖2所示。為傳統(tǒng)雙極型PWM調(diào)制方式的功率管開關(guān)表。在一種轉(zhuǎn)向下，一個PWM周期內(nèi)MOSFET、橋中只有兩個管子有效，即高電平時導(dǎo)通，低電平時截止。此時如占空比為O時，無電壓輸出，電機(jī)不動；占空比為100％時，輸出電壓****，電機(jī)輸出****轉(zhuǎn)矩。這種情況時，系統(tǒng)對較小角度的響應(yīng)不明顯，造成其各動作過程存在實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以重現(xiàn)的問題。且靈敏度下降，跟蹤一個漸變信號時容易出現(xiàn)“爬行"現(xiàn)象。
根據(jù)PWM控制方式存在的問題，決定采用改進(jìn)雙極型PW_M控制方案：在每一瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，一個PW_M周期內(nèi)共有4個功率管出現(xiàn)開關(guān)現(xiàn)象，他們在三相逆變器中為其中兩相的上下橋臂。
這4個功率管和電機(jī)、直流母線組成兩個獨(dú)立回路。
在三相六狀態(tài)1 20°兩兩導(dǎo)通方式下，一個PWM周期內(nèi)，只會有2個橋臂的功率管有開關(guān)現(xiàn)象，另一橋臂的功率管始終關(guān)斷。改進(jìn)雙極型PWM控制方案如圖3所示。每一有開關(guān)現(xiàn)象的橋臂的上下兩個功率管的PwM控制信號始終互補(bǔ)(暫不考慮死區(qū))，即上功率管導(dǎo)通時，下功率管關(guān)斷；上功率管關(guān)斷時，下功率管導(dǎo)通。
因此，PWM信號的高電平對應(yīng)一條通路(1、4)導(dǎo)通，而低電平則對應(yīng)與之相對的另一通路(2、3)導(dǎo)通。從使電機(jī)正反轉(zhuǎn)的角度來說，由于這兩條通路導(dǎo)通時對應(yīng)的輸出電壓是正負(fù)相反的，所以這兩條通路分別產(chǎn)生使電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的效果。
當(dāng)PWM的頻率較高時，這種正反轉(zhuǎn)交替的現(xiàn)象不明顯，對于電機(jī)停在一穩(wěn)定位置時，功率管在不斷換相，但從位置信號、聲音等方面都和電機(jī)斷電靜止時沒有明顯差別，只是觀測其電流可以看到有高頻波動，不過幅值較小，故當(dāng)占空比為50％時，高低電平所占時間相同，此時電機(jī)轉(zhuǎn)子位置不變，即負(fù)載位置不變；當(dāng)占空比為O時，電機(jī)以****轉(zhuǎn)矩向一個方向轉(zhuǎn)動(本系統(tǒng)為正向)；當(dāng)占空比為1 OO％時，電機(jī)以****轉(zhuǎn)矩向另一個方向轉(zhuǎn)動(本系統(tǒng)為負(fù)向)。
這種控制方式相對于傳統(tǒng)的控制方式具有對稱性好、靈敏度高、實(shí)驗(yàn)一致性好等優(yōu)點(diǎn)。同時由于增加了功率管的開關(guān)動作，造成了額外的開關(guān)損耗和穩(wěn)態(tài)電流損耗。為達(dá)到良好的控制性能，這些是可以接受的。而且由于每個PWM周期內(nèi)導(dǎo)通橋臂的上下兩個功率管都進(jìn)行換相，增加了出現(xiàn)功率橋臂直通的可能性，因此在軟硬件方面都要采用防直通措施。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3．1 實(shí)驗(yàn)波形1)帶額定負(fù)載、給定+2°位置階躍信號時的反饋波形如圖4所示。
2)帶額定負(fù)載、給定O°與±2°之間位置階躍信號時的反饋波形如圖5所示。
3)帶額定負(fù)載、給定+1 O°位置階躍信號時的反饋波形如圖6所示。
3．2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
分析從圖4可以看出，過渡過程時間(40 ms)、超調(diào)量(O)、穩(wěn)態(tài)精度等方面都可以達(dá)到系統(tǒng)控制要求。
從圖5可以看出，采用改進(jìn)雙極型PWM后系統(tǒng)在正、負(fù)兩個方向上的對稱性較好。
從圖6可以看出，在位置給定較大時其控制性能仍能達(dá)到系統(tǒng)控制要求，說明系統(tǒng)所采用的非線性PID控制是合理且成功的。
4 結(jié) 語
本文介紹了一種永磁無刷直流電機(jī)位置伺服控制器的設(shè)計方案。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用了合理的軟、硬件結(jié)構(gòu)。采用三閉環(huán)控制策略；非線性PID控制，用以提高系統(tǒng)對差別較大的給定信號的適應(yīng)能力，能在整個控制范圍內(nèi)都達(dá)到較好的控制性能；改進(jìn)雙極型PWM，用以提高系統(tǒng)的靈敏度，以及對正、負(fù)給定信號的響應(yīng)對稱性等。
通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了采取上述措施是合理的，證明了本設(shè)計方案是成功的。
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