一种直流力矩电机精确控制的新方法

1、第10期高冰张 萍:一种直流力矩电机精确控制的新方法3 高冰张萍（广东技术师范学院自动化学曉广东广州510635）:针对直流力矩的闭环调速控制提出一种渐近调速算法.主驳解决调速过程的快連、平稳、精确控制问题9 介绍算法并给出实现这一算法的技术方案。方案以数字信号处理器为核心与隼成马达控制器和锁相倍频测速单元 共同组成闭环随动控制荼统。给出驱动控制通道设计和速度反惯通道设计,并对测速单元的測重方法做出精度分析。:力矩电机控制:渐近调速算法:系统设计:数字信号处理茶:1H 86: A: 1672 - 402X（2007） 10 - 0001 - 031994-2009 China Academic

2、 Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第10期高冰张 萍:一种直流力矩电机精确控制的新方法3 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第10期高冰张 萍:一种直流力矩电机精确控制的新方法3 图2转速调整示意图:2007 02 20:高冰（1956）.女.辽宁沈阳人.广东技术师范学院高级工程帅主要从事机电一体化仪器开发设计.自动化、测控专业 的教学与科研；张萍女广东技术师范

3、学况高级讲师主要从事计算机控制、数据库开发和应用的教学与科研。1引言在測量仪器中.工件的某些参数检測是在其稳速 下进行的直流力矩电机是带动工件旋转的常用控件 之一。因其负载能力强可工作在堵转不必加齿轮变 速.可直接带动工件旋转从而减小振动、磨损对测量 精度的影响。在測量系统中往往对转速的穂定性婆求 较髙因此直流力矩电机的精确控制成为人们关注与 研究的对象。实现快速、平稳、精确的无极调速.且结 构简单性能价格比髙是人们努力方向。笔者对直流 力矩电机的精确控制进行了较深入的研究。总结出一 种新的控制算法一 近调速法并给出实现这一方 法的技术方案°以数字信号处理器（DSP）为核心.与 集成

4、马达控制元件和測速单元共同组成闭环随动控制 系统。系统的控制原理如图1所示。詳涪年十牛出肋林祈卜|! T _Tf-i图1系统控制方框图图中：“】：測速传感器： n电机转动频率;山】：电机当前转速。m和t.:将调解的电机转速和与其对应的脉宽。2.渐进调速算法在电机转速控制中.电机的调速要考虑电机运行 平稳。当电枢电压变动大时转速变化快调速过程加 快难免会出现过调量会导致运行转速在设定辕速ns 的上下来回摆动造成电机运行不稳。本设计中采用 渐进调整算法即每次转速的调整量为设定转速ns与 当前实測转速几1之差An.1的0 6倍。在调整过 程中因设定转速与实測转速之差6的不同调整的 次数也不同。将有实

5、測各转速址小臥.逐次 道近设定無速 L直至An,量满足便用耍求，调速停 止。当实测转速n低于设定转速时n,转速调整示 意如图2 a所示。预调转速几可用下式表达：n, = n,. t +A n,. | （16i=2.3,M（I）n. 预调整的转速4 设定转速小-1 当前实测 转速A n,.,=（入）速度差。当实测转速n, 高于设 定转速时IV转速调整示意如图2 b所示。有下式：n（n： n< mAi111i1 1 II-0L1 1nn<（）n*.r n.iU th m01<b> nH n.n, = II,. > -A n,. | Q 6 i =2, 3.-M(2)其

6、中 n,_, =n,., iKo直流力矩电机的调整特性呈线性.当采用脉 宽控制时脉冲周期一定.脉冲宽度与电机转速可用下 式表达：I/口 = m i i =2, 3,. M(3)L = n, I, i /n,. i = (n,. t +Q 6 A n, - 1) t,. i /n,. i 由当前转速n和当前脉宽计算出下一步预 调整脉宽反复几次直至达到设定的转速n1O这个 过程快速、平稳不会出现过调量因此不会出现电机 轴的抖动。从而达到精确控制直流力矩电机运行之日 的。因为转速是与脉宽对应的实測值反映电 机当前运行条件下的控制关系，由此计算出的预调整 脉宽符合电机的调整特性。按上述调整方法每次调整

7、后剩余转速差有： n.= Q 4Xn., =Q其中 n是满足便用要求的转速差是原始转速差1是调整次数。调整次数M 可用下式表示：M = lgil n A n, ) /lgQ 4(5)3.渐进调速算法的实现采用闭环智能控制实现渐进式调速。控制系统由 三部分组成：1。提取反馈的速度量分析解算发出 RVM脉冲的智能单元；2。对脉冲功率放大驱动 电机运转的驱动单元；3。反馈电机运行状态的测速 单元。3. 1采用定点式数字信号处理器(DSD IMS320F24X 为核心构成闭环控制系统。其结构原理如图3所示。 DSP所具有的BVM脉冲输出功能.为电机调速控制提 供了极大方便其高速脉冲捕捉功能用于提取测速

8、传 感器的锁相倍频信号。图3控制萦统结构原理框图DSP的脉冲经集成控制器功率放大.驱动力 矩电机旋转測速传感器拾取转速同步信号，电机轴转 动一圈传感器拾取一个频率为G的脉冲信号。该信 号经整形电路整形后供锁相环.经倍频后为12死供 DSP的髙速脉冲捕捉端。通过计数、解算可得电机实 际运行转速.将其与设定转速比较根据转速差计算出 控制电机运转脉宽的调整量。3.2DSP器件外围设备库中的事件管理器(EV)模块. 提供了大量的函数和功能部件.它们可以用干运动控 制和电机控制。DSP的EV模块与集成马达控制器 L298的硬件接口电路如图4所示。PWM1和IWM2 是EV模块全比较单元输出端产生BVM信

9、号. 1WM7是EV模块的简单比较器输出端产生位控信 号。图中N?、N4是L298中第二俎桥驱动电路IWM 信号输入端。ENB是L298单片驱动电路工作状态的当电机转速不等于设定的转速时要改变控制电 压即改变作用于电枢的平均电压V“v。当采用PWM 脉冲控制时脉冲电压的平均值应等干电枢的平均电 压Vav。设脉冲周期为T1.正向脉冲宽度为ti. 则有脉宽占空比Y：Y =(,/ T.。改变占空比Y即可获 得不同的控制电压从而调整电机转速。脉冲周期T 是常量则占空比Y的改变取决于正向脉冲宽度I。速度反馈通道由霍尔測速传感器和锁相环构成. 测速传感器拾取的转速脉冲R经锁相环倍频后.获得 N倍|；的脉冲

10、信号NR.并将其提供给DSPo測速通道 的构成如图5所示。来自測速传感器的电机轴同步信 号6经CD4528整形.供给锁相器件CD4046和多级计 数器CD4040组成的锁相环.经倍频可得到Nf,时钟频 率。CD4046 -Vcom输出的NC.脉冲提供给DSP的捕 捉单元作为转速测量输入。可以釆用以下二种方式测3.3.1倍频脉冲计数法锁相环电路中电机转速的倍频脉冲信号NG作为 DSP处理器的捕捉输入信号。在一定时间1；内纪录 输入的N6脉冲数0。则有等式：E=Ny/N£,(6)由此解得：=Ny/Nl；o(7)N、有一个脉冲跳变的误差6。误差的表达式为： 6 =I/Ny =l/1；Nf&

11、gt;(8)由式(8)可见影响測量精度有二个因素，即设定 脉冲输入的时间1；和锁相倍频数N。这二个參数值越 大测量精度越高但T、和N的取值应兼顾整机工作 效率和电路结构简洁。本设计中N取128。3-3.2倍频周期測量法锁相倍频脉冲信号供给DSP的髙速脉冲捕捉 端取该信号的一个周期，在一个信号周期内纪录DSP 内部时钟k脉冲个数N,。则有表达式：1 /Nt =Ny/C(9)解得：fc = £ /Ny. N(10)N,有一个脉冲跳变的误差6。误差的表达式为：5 =1/Ny =Nfc/f；(11)由式(11)可见影响測量精度有二个因数.内时钟 频率C和锁相环的借频数N。内时钟频率匚取值大.

12、 锁相倍频数N取值小带来的测量误差就小。本设计中 N取 128O综合上述分析：电机轴的转速髙时宜釆用倍频脉 冲计数法转速低时宜采用倍频周期测量法。4.结束语常用的直流伺服电机脉宽调速系统由双闭环构 成。主电路是PWM脉宽调制放大器，反馈是速度控制 回路和电流控制回路。速度的电压信号与设定的转速 相比较得速度差依据电枢电流的检测信号与速度差 比较输出来调整PWM脉宽。其測速是由测速发电机 或脉冲编码器构成。本设计由数字信号处理器、集成 马达控制器、锁相倍频測速构成单环系统-测速回路由 霍尔传感器与锁相倍频电路构成。入口是设定的转速 和倍频脉冲由数字信号处理器完成分析、比较、计算、 判断出口是BV

13、M脉宽控制信号。测速通道带来的误 差很小电路结构简单。文中所探讨的渐进调速算法 和技术方案可应用于对转速精度耍求较高的直流力矩 电机控制系统中。1呼效果刘又武。数控技术|M 0武汉:湖北科学技术岀版 社2000o2拠和平.邓力。DSP原理及电机控制应用M。北京:北京 航空航天大学出版社.2006。3備冰。基于数字信号处理技术的基波信号提取方法J 轴承.2004。1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第10期高冰张 萍:一种直流力矩电机精确控制的新方法3 19

14、94-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第10期高冰张 萍:一种直流力矩电机精确控制的新方法3 A new metliod of precise controllhg a DC torque motorGao B ing Zhang Ping(Guangdong Ptly technic No mi al University, Guangzhou 510665. China)Abstract： In view of the cbsed-kx)p jpeed co

15、nliol DC lorque mo Ide a gmdual tin ing algorithm is presented in the paper in which the issues, such as pecd, stableness, precise conliol and on, will be solved in the processor negula- ting the speed Tlic algorithm and the technical piognm of how Id realize it have been intioduced The piognm, with the digital signal procesjor as a core, is a ebsedloop seno conliol system. c(niposed with a driven molor conlioller as well as a bckoctave peed unit Both lhe de sign of driving conliol channel and lhe jpeed feedback channel have been staled Moreover, a precise analysis