多軸永磁無刷直流電機運動控制系統的研制

山東大學控制科學與工程學院（濟南250061） 高芳紅 劉錦波

1 引言

運動控制系統作為先進制造領域內計算機數控技術（CNC）中的一個核心組成部分正在發揮著越來越重要的作用。無論是在工業機器人、精密加工還是在塑料機械、化工、軋鋼等領域到處都能看到運動控制系統的使用。同時人們對運動控制系統的性能指標也提出了更高要求。除PID以及基于極點配置的線性控制策略外，各類新型非線性控制策略的提出也為滿足這一要求提供了發展空間[1][2]。高性能的DSP、FPGA以及各類新型高速電力電子器件和PWM技術的出現為這些控制策略的實時實現提供了可能[6]。

本文對由永磁無刷直流電機 （BLDC）組成的多軸運動控制系統進行了研究。傳統的多軸運動控制系統多采用多個運動控制系統組合組成。這種結構體積較大、接線復雜、從而帶來設備的可靠性降低。為此，本文提出了一種新的多軸運動控制系統結構。其每臺電機是通過同一DSP控制的，多臺逆變器便于集中。除此之外，多軸運動控制系統的編碼器以及BLDC電機的霍爾元件也由該DSP統一處理，因而大大簡化了結構和系統接線，提高了系統的可靠性。這種結構的多軸運動控制系統可廣泛應用于多軸小型設備如視頻檢測機、小型機器人等。

2 多軸永磁BLDC電機的運動控制系統構成

2.1 單軸永磁BLDC驅動系統的組成、調速原理與機械特性

圖1為單軸永磁BLDC電機的系統組成框圖。圖1中逆變器采用“導通型”開關規律，通過對逆變器中的三只共射極的IGBT開關管進行PWM控制，實現永磁BLDC電機的調壓調速。其相應的穩態機械特性可以用下式表示為：

根據（1）式繪出直線永磁BLDC電機的機械特性如圖2所示[1]。

由圖2可見，通過改變PWM的占空比 !調節電樞電壓的平均值便可以實現對永磁BLDC電機的速度調節。

2.2 單軸永磁BLDC電機運動控制系統的構成

單軸永磁BLDC電機的運動控制系統如圖3所示。圖中，轉子的位置信息由安裝在轉軸上的編碼器測量獲得。為了提高精度，轉子轉速的信息則通過瞬時速度觀測器計算獲得（具體設計方法見3.2節）。轉子的位置信息與轉速的反饋信息一起，分別與位置和轉速的給定指令作差后通過控制算法處理獲得電樞電流的參考值。

上述電樞電流的參考值與實際電樞電流作差，經電流PI控制器調節輸出，獲得電樞電壓的控制量大小。然后，通過PWM改變占空比達到調壓調速的目的。

2.3 多軸永磁BLDC電機運動控制系統的構成

利用圖3組成的單軸運動控制系統結構，便可獲得多軸永磁BLDC電機組成的運動控制系統如圖4所示。

圖4中，采用單一DSP控制三臺永磁BLDC電機。每一臺BLDC電機的位置與轉速的控制算法以及結構均與圖3相同。圖中，由上位機PC機實現運動控制系統的人機界面交互以及運動控制系統控制參數的修改、狀態信息的獲得以及故障指示等功能。而具體實時運算、狀態量的檢測與處理、故障處理PWM脈寬信號的調整則完全由下位機DSP完成。上位機PC與下位機DSP之間的通訊則通過RS232串口或CAN總線實現。

3 多軸永磁BLDC電機運動控制系統的設計

根據系統要求，選擇AD公司的DSP（型號為ADSP2181）作為主微處理器（外部時鐘頻率為33MHZ）和XLINX公司的FPGA（型號為XC5204）配合完成運動控制系統的所有運算。通過FLASH實現FPGA配置程序和運行程序的存儲。圖5、圖6分別給出了運動控制板和驅動板的原理框圖。其中，原理圖的設計采用美國PADS軟件公司的POWERLOGIC完成。充分利用其與PCB設計的OLE（對象連接嵌入）技術，實現原理圖與PCB圖之間的相互發送和接受，從而給設計帶來很大的方便。FPGA的設計則采用原理圖的輸入形式（也可以采用VHDL編程的輸入方式）。利用XILINX公司的Foundation Series實現FPGA的配制。

3.1 單軸運動控制策略的設計

3.1.1 位置與速度環控制策略的設計

位置與速度控制器采用PID控制，其輸出可表示為：

其中，!ref為加速度的參考值。根據上式得單軸永磁BLDC電機運動控制器的結構圖如圖7所示。

3.1.2 電流環控制策略的設計

電流內環采用PI控制器。PI控制器在s域內可表示為：

其中，Y表示PWM電壓。X表示電流偏差。

其相應的差分方程為：

3.2 運動控制系統的用戶界面設計

采用VC++6.0設計人機用戶界面，該用戶界面主要完成任務大致分為如下幾類：

（1）運動控制系統參數的修改：包括PMSM參數、負載的參數以及控制參數的修改；

（2）系統狀態量（位置、速度、加速度、電流等）的測量以及響應曲線；

（3）極限參數的設定：最大電流、最大轉速、最大加速度等的設定；

（4）編碼器及HALL元件信息的設定和測量；

（5）運行控制等；

（6）故障診斷。

3.3 運動控制系統軟件的基本設計思想

控制系統的主要運行軟件主要包括二個模塊：初始化模塊和中斷模塊。現分別介紹如下：

3.3.1 初始化模塊的設計

DSP復位后，初始化模塊執行下列任務：

DSP設置：內核設置，看門狗，各類時鐘程序，通用I/O程序，事件管理程序；

（1）變量初始化：主要是缺省變量的初始化；

（2）中斷服務程序的選擇和使能；

（3）循環等待：循環等待涉及到DSP和PC機人機界面的通訊。而DSP和PC機的通訊具體實現是借助于單片機PIC16C69的橋梁作用來完成的，即通過PC機的串行口（COM）和PIC的串口實現人機界面與DSP用戶板的通訊，確保用戶通過RS232連接更新變量及標志。然后利用DSP的并行異步通訊口實現與PIC的并口通訊，確保由PC機人機界面下載修改參數時，不影響DSP主程序的執行。

3.3.2 接口模塊的設計

接口模塊是低級程序，它將現實數據變換為適當的數據形式。這些模塊包括：

（1）電流檢測和定標；

（2）機械位置的檢測和定標；

（3）電氣位置的定標和機械速度的計算與定標。

（4）控制策略設計模塊

鑒于篇幅，本文就不再贅述。

4 樣機的實驗結果與討論

圖8～圖12分別給出了該裝置的實驗結果。圖8給出了正、反轉運行時平均電樞電流的給定值與實際值隨時間的變化曲線。圖9、圖10分別為單軸重復運動和階躍響應時的位置偏差曲線。圖11分別為單軸運動時位置階躍響應時的響應曲線。圖12為BLDC電機的階躍響應曲線比較。

經過反復實驗證明：本運動系統具有較好的性能，其最大速度為125，000 Counts/s（即最高轉速為7500r/m），其最大加速度為4，000，000 Counts/s2（即最大加速度為4000r/s2）。考慮到絲杠的螺距為3.6mm/r，故系統的最大速度為400mm/s，最大加速度為14.4m/s2。上述實驗結果很好地反映了所設計控制器的收斂性和系統良好的動靜態性能。

5 結論

本文基于DSP和FPGA實現了一套三軸交流運動控制系統，并將該運動系統成功地應用于視頻檢測機系統中。本章對該三軸運動系統從系統結構、系統的硬件電路設計、系統的用戶界面到系統軟件的設計思想均作了詳細地闡述。本章的最后對實驗裝置和實驗結果進行了介紹。實驗結果很好地驗證了所設計方案的有效性和可行性。

[1]J.Slotine,W.Li,Applied Non linear Control,Englewood Cliff,NJ Prentice Hall,1991

[2]D.M.Dawson,J.Hu,T.C.Burg,Nonlinear Control of Electric Machinery,Marcel Dekker,Inc.,1998

[3]Joachim Holtz,Pulse width modulation for Electronic Power Conversion,proceeding of IEEE,1994,82（8）:1194－1214

[4]劉錦波，張承慧，電機與拖動[M].北京：清華大學出版社，2006.08

[5]John Chiasson,Modeling and high-performance control of electric machine,John Wiley&Sons,Inc.,2005

[6]R.Dybey,P.Agarwal,M.K.Vasantha,“FPGA based PMAC motor control for system-on-chip applications”,Proceeding of International Conference on Power Electronics Systems and Applications,pp:194－200,Nov2004