基于dspamer的电动伺服电机无刷直流电动机伺服控制系统研究

基于dspamer的电动伺服电机无刷直流电动机伺服控制系统研究

0运动控制系统硬件在回路实验平台上的仿真电机的数学模型是一个高度线性、非线性、强耦合的时变多变量系统，实际机械负荷通常具有死区、摩擦等强非线性特征。因此，在传统的纯数字在线模拟研究中，电机和负载模型是一个简化模型，在一定的假设下不同于实际对象。另一方面,纯数字离线仿真无法考虑到包括实际处理器的运算能力、存储器的限制、中断及I/O接口电路电气特性等诸多因素。因此,采用这种方法设计得到的控制算法在实际应用中无法取得理想效果。而在采用单片机或DSP的数字运动控制系统开发过程中,不仅需要手工编写大量算法,而且需要开发相应的接口电路及驱动检测装置,开发周期长、重复性工作多。现代仿真技术的发展为上述问题的解决提供了很好的工具。dSPACE实时仿真系统实现了与MATLAB/Simulink无缝链接,并支持代码的自动生成,实现了从基于MATLAB/Simulink的纯数字离线仿真到硬件在回路的半物理实时仿真的快速过渡。目前,dSPACE实时仿真系统在运动控制系统开发应用中在国外已经得到了应用,而在国内仅有极少数的院校开展了这方面的研究。本文结合dSPACE实时仿真系统,研究了运动控制系统硬件在回路实验平台的系统结构及通用电机驱动装置的研制。在此平台上研究了稀土永磁无刷直流电动机伺服控制系统,并给出了相应的实验结果。1基于psace的运动控制实时模拟平台1.1ds2002接口电路设计从集成了处理器与输入、输出接口的单板系统(DS1103、DS1104)到整合了PowerPC处理器及高速信号处理芯片的标准组件系统DS1005、DS1006,dSPACE实时仿真系统为运动控制系统的开发提供了强大的硬件系统及丰富的软件资源。本系统采用DS1005PPC组件系统,处理器包括IBMPowerPC750GX与TMS2407数字处理芯片,通过内部32位PHS总线与各接口模块相连接。在外围接口电路中,16位5路高速并行DS2001模数转换模块的转换时间最短可达到0.9μs,保证了对多相电流的高速、同步采样。同时,DS4002多功能数字I/O模块实现32路数字量I/O通道的循环采样,并且利用另外8路高速I/O通道实现PWM的生成、任意信号的发生及定时、计数等功能。另外,采用DS3002增量式编码盘接口,快速获取电机转子位置信号,实现位置、转速的闭环控制。如图1所示。该驱动及功率主电路,如图2所示。额定功率为3kVA,可用于驱动无刷直流电动机、感应式异步电动机及同步电动机等,主要包括:三相全桥整流电路及IGBT逆变桥电路、PWM死区生成(图中未画出)及隔离放大电路、检测及保护电路三部分。其中,6路PWM调制信号经硬件死区生成电路后(死区时间t=5μs),再经TLP250隔离放大后控制IGBT模块的通断。同时,针对电机运行过程中可能发生的过流、过压等故障,系统实时检测主电路输出端U、V两相的电流iu、iv及母线电压Ud,一旦故障发生,立即将PWM封锁信号BRA置为低电平,使全部IGBT模块迅速关断。另外,为防止电机起动时大电流冲击、IGBT过热等问题,系统设计了延时起动、IGBT模块的过热检测及保护、电机急停、能耗制动、故障复位等其它辅助功能。1.2实验软件的开发基于dSPACE的运动控制系统半物理仿真实验平台的软件开发流程如图3所示。主计算机主要进行Matlab/Simulink下运动控制系统的纯数字离线仿真及运行Controdesk等实验测试软件。当离线仿真结束后,利用MATLAB的实时工作库(RTW)与dSPACE系统的实时接口库(RTI),算法定义与I/O接口,经编译链接后便可自动得到目标程序,下载到dSAPCE系统中。同时,结合Controldesk、Mlib/MTRACE等工具软件,可以方便地实现对电机运行过程的实时监控、参数在线修改、数据捕获及与上位机的实时数据通讯。2space在无刷直流动机的情况下的应用2.1转速测量系统主要划分为信号的输入/输出模块、检测与保护模块、速度调节模块、换相模块等多个功能模块。其中,转速给定信号采用DS2102模拟实际电位器(SPEEDSET),输出电压(DC0~5V),对应0~10000r/min,再通过DS2001模数转换模块读入(ANALOGSAMPLING),并结合正/反转切换信号确定电机的转速设定值及方向。转速测量采用dSAPCE提供的RTI模块DS4002FTOD1,与给定转速比较后,差值通过转速调节器ASR输出当前控制量即PWM占空比。同时,根据DS4002检测三相霍尔位置传感器信号(HALLSAMPLING),根据表1得到各开关器件的通断信号。同时,系统实时检测逆变器母线电流、电压及紧急停机指令,当电机发生严重过流、过/欠压或紧急停车时,通过软件中断方式,在BRA模块输出一路低电平至TLP250驱动芯片的2脚,封锁PWM的输出信号。2.1.1比例积分控制器的工作原理在无刷直流电动机可逆调速系统中,为防止在电机起动过程、频繁换向过程及电机绕组短路、器件故障或堵转等极限情况下,过大的电枢电流对电机绕组及功率器件的损害,电机速度控制器中采用了基于电流截止负反馈与比例积分(PI)控制相结合的方法。转速控制器可表示为:GASR={KP(S+1Ti)S−1∀(Id−Idt)<0KP∀(Id−Idt)>0GASR={ΚΡ(S+1Τi)S-1∀(Ιd-Ιdt)<0ΚΡ∀(Ιd-Ιdt)>0式中:Id表示电机的母线电流,Idt表示电机的母线电流的允许的上限值,一般取电机额定电流的1.5~2倍。母线电流由DS2001模块读入,并经二阶切比雪夫低通滤波器去除噪声后,与Idt设定值进行比较。当Id超出允许值时,为防止误操作,采取5次连续采样与判断,一旦确认为过流故障,通过减小PWM信号占空比,使加在电枢绕组上的电压迅速降低,防止电机长时间工作在过流状态。2.1.2换相机构设计电动机工作模式为二相导通Y型绕组三相六状态,开关管的导通规律如表1所示。在一个周期内,各个开关管分别导通120°电角度,当转子转过60°电角度时进行一次换相。根据转速切换信号判断正/反转工作状态,依据相应的换相逻辑控制各功率器件通断。设电机为顺时针旋转,无刷直流电动机各相的切换及PWM调节功能的实现如图5所示。图中,In2是DS4002多功能数字量模块得到的电机三相霍尔传感器位置信号hA、hB、hC,依据表1所示的逻辑关系,经逻辑运算后得到不同转子位置处对应开关器件的导通状态,与控制输出量相与,作为实际的控制占空比输出到PWM生成RTI模块DS4002PWM3_OUT中。2.2转速调节器参数的影响实验系统如图6所示,主要包括:监控计算机、dSPACE主机及接口、电机及驱动装置、转矩加载台等四部分。实验电机采用某新型稀土永磁无刷直流电动机,极对数p=2,额定功率为PN=30W,额定电压为UN=46V,额定转速nN=12000r/min。母线电压为27V,开关频率f=10kHz时,负载转矩TL=200g·cm,系统采样频率f=1000Hz。当t=5.5s,电机转速给定值n=1800r/min增加到3000r/min,转速调节器参数:Kp=0.00015,Ki=0.002。图7、图8分别给出了n=3000r/min时电机稳态下线电压UAB波形及稳态下相电流Ia波形,图9给出了电机的转速及转速调节器输出控制量(PWM占空比)的动态响应曲线。从实验结果可以看出,在电机的加速过程中,随着控制量的增大,转速迅速增加。最终大约经过150ms后,转速调节器输出控制量即占空比由原0.69增大到0.82左右,电机转速亦趋于平稳。在实验过程中,利用Controdesk及Mlib/Mtrace等实验工具软件,不仅可以编写可视化的实验界面,还可以实现模型中众多变量的实时监测、在线参数调整以及数据的实时捕获与存储。为实验管理与数据后期分析带来了极大的便利。3硬件在回路半物理仿真的过渡过程将dSPACE实时仿真系统应用于运动控制系统的研究与开发当中,充分利用该系统提供的强大的数据运算能力及各种成熟的硬件接口电路,结合外围检测、驱动电路共同构成硬件在回路的运动控制系统半物理仿真实验平台。利用dSP