永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

嚴(yán)格地說，永磁無刷直流電機是一個多才多藝、非線性的系統(tǒng)，線性是對永磁無刷直流電機系統(tǒng)的近似描述的在特定范圍內(nèi)和在一定程度上的。而在對永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的精度和性能要求較低的應(yīng)用場合,可以忽略系統(tǒng)的非線性,或者局部線性化后,在一定范圍內(nèi)可以滿足對控制的要求。速度和電流閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件主要由控制電路、驅(qū)動電路、顯示電路、RS-232接口電路組成,如圖1控制系統(tǒng)硬件框圖所示。由永磁無刷直流電機運行原理可以知道,永磁無刷直流電機的平均工作電流與轉(zhuǎn)速成反比例函數(shù)關(guān)系,也即轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系,因此控制無刷直流電機轉(zhuǎn)速就可以控制其電磁轉(zhuǎn)矩,而且永磁無刷直流電機通過改變電源電壓實現(xiàn)平滑調(diào)速。從圖1可以看出,本系統(tǒng)是速度閉環(huán)和電流閉環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。霍爾位置傳感器的位置信號經(jīng)信號處理后送專用驅(qū)動芯片后產(chǎn)生一個速度脈沖信號經(jīng)單片機處理轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速,再運用增量式PID算法,得到PWM控制信號經(jīng)過光耦隔離電路驅(qū)動專用集成驅(qū)動芯片閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速,并且霍爾電流傳感器檢測的電流信號進入Atmega16L單片的A/D轉(zhuǎn)換器,將電流模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后進行電流閉環(huán)控制。同時,單片機還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓等故障時,單片機將封鎖PWM輸出信號,使電機停機,并通過LED電路顯示故障。光電耦合器vAtmega16L產(chǎn)生的PWM信號通過光電藕合器產(chǎn)生同周期的PWM信號,經(jīng)分壓濾波之后輸出一個O-5V的用于驅(qū)動電路的調(diào)速電壓。為了起到隔離效果,在光電耦合器輸入端采用與Atmega16L相同的5V電壓,在輸出端采用給電機供電的12V電壓。采用穩(wěn)壓二極管使光電耦合器穩(wěn)到9V,它的PWM信號經(jīng)兩級RC濾波之后變得平滑,并且光電耦合器的兩端分別接地,所以光電耦合器起到了主控電路與驅(qū)動電路電氣隔離作用。u3000放大電路系統(tǒng)由ACS712組成電流檢測電路。由于ACS712在電流為0時輸出2.5V,因此設(shè)計了一個用精密電阻分壓產(chǎn)生2.5V的電壓,使放大電路輸出電壓U以0V開始線性變化。將此電壓送入Atmega16L的A/D轉(zhuǎn)換器處理就可得到電機的工作電流,應(yīng)用此電流可以對無刷直流電機進行電流閉環(huán)控制及其過流保護。輸入捕獲單元的控制轉(zhuǎn)速對于無刷直流電機控制系統(tǒng)極其重要,精確獲取電機轉(zhuǎn)速是系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。由驅(qū)動電路通過電機里安裝的霍爾位置傳感器輸出位置信號,無刷直流電機每轉(zhuǎn)一周輸出1個脈沖信號,并進行濾波處理。Atmega16L內(nèi)部Timerl具有16位的輸入捕捉單元,16位的輸入捕捉單元通過外部引腳ICP1來捕捉外部事件。當(dāng)引腳ICP1上的邏輯電平(事件)發(fā)生了變化,并且這個電平變化為邊沿檢測器所證實,輸入捕捉即被激活:16位的計數(shù)寄存器TCNTI數(shù)據(jù)被拷貝到輸入捕捉寄存器ICR1,同時輸入捕捉標(biāo)志位ICF1置位。如果此時捕捉中斷使能ICIE1=1,輸入捕捉標(biāo)志將產(chǎn)生輸入捕捉中斷。中斷執(zhí)行時ICF1自動清零,或者也可通過軟件在其對應(yīng)的I/O位置寫入邏輯“1”清零。讀取ICR1時捕捉寄存器先讀低字節(jié)ICR1L,然后再讀捕捉寄存器高字節(jié)ICR1H。再根據(jù)兩次捕捉寄存器的差值就可以算出電機轉(zhuǎn)速。為了避免驅(qū)動電路及其他接口電路的干擾,系統(tǒng)在與外電路接口線上都加了光電隔離,以保證電路正常運行。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制裝置為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器,分別是轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串級聯(lián)接。這就是說,把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM調(diào)制器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面,叫做內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面,叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用PID調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計電流的調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多,因此在電流調(diào)節(jié)器快速調(diào)節(jié)過程中,可以認為反電動勢E基本不變。這樣在設(shè)計電流環(huán)時,可以暫時不考慮反電動勢E變化的影響而得到圖2所示的電流環(huán)近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。為了使電流環(huán)穩(wěn)態(tài)上做到無靜差以獲得理想的堵轉(zhuǎn)特性,動態(tài)上保持電動機電樞電流的不超調(diào),保證系統(tǒng)的跟隨性。把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng),其傳遞函數(shù)為:式中:Ki,τi分別為電流調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和時間常數(shù)。根據(jù)“對消原理”,為了消掉控制對象中時間常數(shù)較大的慣性環(huán)節(jié),以使校正后系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快,取τi=T1;PID調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)Ki取決于系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。根據(jù)“電子最佳調(diào)節(jié)原理”中的“二階最佳系統(tǒng)”原理。按二階最佳系統(tǒng)效正,在一般情況下,希望超調(diào)量σ%≤5%時,查表得阻尼比ζ=0.707,KiTΣi=0.5,由此可得:轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計時,可以把已經(jīng)設(shè)計好的電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象。由此得到轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,提高系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能,把轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計成典型II型系統(tǒng),其傳遞函數(shù)為:式中:Kn,τn—分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例放大倍數(shù)和時間常數(shù)。根據(jù)II型典型系統(tǒng)參數(shù)確定的方法,有T1=hT2,于是有τn=hTΣn,其中h為中頻寬,TΣn=Ton+2TΣi,根據(jù)“調(diào)節(jié)器最佳整定設(shè)計法”,一般取h=5。然后按典型II型系統(tǒng)的最小閉環(huán)幅頻特性峰值Mmin準(zhǔn)則,得:軟件方案的設(shè)計中斷程序主要是實時性技術(shù)系統(tǒng)軟件包括主程序及中斷服務(wù)程序兩部分。主程序主要由系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計算及轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制組成,主程序完成大部分的功能任務(wù);中斷程序主要對中斷事件進行檢測并通知主程序進行相應(yīng)處理、完成必要的實時性功能,這樣做的目的是使中斷不占用太多的CPU時間,使程序各部分功能能夠可靠地運行,主要用來串行中斷接收上位機發(fā)來的轉(zhuǎn)速設(shè)定值、定時中斷檢測電流及顯示轉(zhuǎn)速值及相關(guān)故障。主程序流程如圖4所示。電機轉(zhuǎn)速的測量轉(zhuǎn)速檢測模塊要對無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速進行準(zhǔn)確地控制,首先要準(zhǔn)確地測量出它的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)直接利用轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出脈沖信號來反映電動機的轉(zhuǎn)速。將位置傳感器信號接至單片機的輸入腳,隨著電動機的轉(zhuǎn)動,單片機將不斷接收到脈沖信號。當(dāng)接收到一個上升沿時開始啟動定時器,直到接收到下一個相鄰的上升沿為止,定時器的計時結(jié)果便是電動機轉(zhuǎn)動一圈所需的時間,據(jù)此可以很容易地計算出電動機的轉(zhuǎn)速。測速子程序的作用就是根據(jù)定時器的計時時間計算實時轉(zhuǎn)速值。為了不占用主程序的運行時間,由定時器的中斷服務(wù)程序進行轉(zhuǎn)速計算。如果無刷直流電動機轉(zhuǎn)動一圈定時器的計時結(jié)果為Ts,則電動機轉(zhuǎn)速的計算式為ad轉(zhuǎn)換編碼系統(tǒng)每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,單片機都將把采樣后經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的存儲單元,供其他子程序,如電流調(diào)節(jié)器、電機運行保護等有關(guān)子程序運算調(diào)用。由于Atmega16L的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度比較高,采取中值濾波法來減少隨機干擾、誤檢或者傳感器不穩(wěn)定而引起的失真,以得到較為精確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果。即連續(xù)采樣6個數(shù)據(jù),去除最大最小值,然后把剩下的4個數(shù)據(jù)求平均值,所得的值就是此次轉(zhuǎn)換的最終數(shù)據(jù)。該方法的流程圖見圖5。電流控制器設(shè)計系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng).為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器,分別是轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串級聯(lián)接,