基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝義龍，侯文國(guó)，殷 睿，郭 寧

（上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上以永磁體替代了勵(lì)磁繞組，并且省略了電刷和換相片，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，同時(shí)還具有效率高、壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)矩慣量比大等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、交通和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的機(jī)電設(shè)備中[1，2]。

可調(diào)推力直接側(cè)向力發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)直流電機(jī)帶動(dòng)閥芯往復(fù)作動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)燃?xì)忾y門的開度，實(shí)現(xiàn)推力矢量控制[3]。為提高直接側(cè)向力發(fā)動(dòng)機(jī)合成推力精度和響應(yīng)特性，要求發(fā)動(dòng)機(jī)伺服控制器具有較高的實(shí)時(shí)性和控制精度。伺服控制器是位置伺服控制系統(tǒng)的核心控制單元，通常采用專業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制芯片或者高速的DSP來(lái)控制伺服電機(jī)[4]。

為縮短伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，保證工作可靠性，文中伺服控制器的設(shè)計(jì)采用DSP、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、無(wú)刷直流電機(jī)等模塊化集成方法，通過(guò)可靠的現(xiàn)場(chǎng)總線CAN通信技術(shù)，可快速實(shí)現(xiàn)位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)，并且所設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件方案設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)的硬件部分主要由主控模塊（DSP芯片及其外圍電路）、驅(qū)動(dòng)模塊、D/A模塊、無(wú)刷直流電機(jī)及其檢測(cè)模塊等組成，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控模塊給出的控制指令通過(guò)CAN接口傳輸給主機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊并由其轉(zhuǎn)發(fā)至各從機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，主/從機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊解析指令后輸出特定占空比的PWM方波驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，檢測(cè)模塊采集電機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息并反饋給驅(qū)動(dòng)模塊，各從機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊將狀態(tài)信息上傳至主機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊后，經(jīng)CAN接口將狀態(tài)信息反饋至主控模塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，主控模塊通過(guò)SPI外擴(kuò)D/A模塊輸出4路實(shí)際位移模擬信號(hào)。

圖1 伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 主控模塊

系統(tǒng)主控模塊選用TI公司的TMS320F2812芯片作為核心控制單元，該芯片是32位的定點(diǎn)型DSP。TMS320F2812片內(nèi)含有128K×16位的Flash，18K×16位的RAM，CPU主頻高達(dá)150MHz，同時(shí)具有豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊參數(shù)配置、給定位移指令設(shè)置、CAN通信、以及通過(guò)SPI外擴(kuò)D/A模塊輸出實(shí)時(shí)位移信號(hào)等功能。

1.2 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊選用瑞士Maxon公司的EPOS4緊湊型50/15 CANopen從機(jī)型位置控制器，其內(nèi)部集成三相全橋驅(qū)動(dòng)電路和電流傳感器，支持10～50VDC供電，最大短時(shí)輸出電流可達(dá)30A，可用于帶霍爾傳感器和編碼器的無(wú)刷EC電機(jī)，最高支持50KHz的功率級(jí)開關(guān)頻率。通過(guò)RS232、USB、CANopen方式在上位機(jī)編程設(shè)置PI電流控制器、PI轉(zhuǎn)速控制器、PID位置控制器的相關(guān)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的控制和數(shù)據(jù)采集。

1.3 無(wú)刷直流電機(jī)及其檢測(cè)模塊

伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件選擇Maxon公司生產(chǎn)的EC-45 flat系列的8對(duì)極無(wú)刷直流電機(jī)（251601），其內(nèi)部三相繞組采用星型連接并自帶編碼器和霍爾傳感器，采用扁平結(jié)構(gòu)和外轉(zhuǎn)子方式，具有輸出轉(zhuǎn)矩高、在高轉(zhuǎn)速下散熱性能良好等特點(diǎn)。

運(yùn)動(dòng)位移檢測(cè)傳感器采用Maxon電機(jī)自帶的增量式編碼器MILE（462004），通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)位移反饋。編碼器輸出信號(hào)為增量脈沖類型，2通道，線數(shù)為1024，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器4倍頻后，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈編碼器輸出4096個(gè)脈沖信號(hào)，具有較高的單圈位置分辨率，因此可用于準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)實(shí)現(xiàn)位移和轉(zhuǎn)速反饋。

電機(jī)相電流的檢測(cè)采用驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部自帶的相電流檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)。由于電機(jī)自帶的霍爾傳感器對(duì)于轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度較低，因此采用編碼器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋，而只用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子位置獲得換相信息。

1.4 D/A模塊

數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A模塊的核心單元選用TI公司8通道的電壓輸出型DAC芯片TLV5608，其板載的高性能基準(zhǔn)源芯片可提供5V基準(zhǔn)電壓，模塊的輸出電壓范圍為0～5V，輸出電壓精度為1mV，支持SPI通訊協(xié)議，可與TMS320F2812的SPI接口進(jìn)行無(wú)縫連接，主要實(shí)現(xiàn)4路位移信號(hào)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換和輸出。

2 軟件方案與控制策略設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

基于TMS320F2812 DSP的帶位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)工作在TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS 7.3.0中采用C語(yǔ)言編寫，系統(tǒng)程序主要包括主程序、主中斷程序、CAN中斷程序、SPI數(shù)據(jù)發(fā)送程序、CAN數(shù)據(jù)讀取程序、外部觸發(fā)動(dòng)作程序、電機(jī)尋零位程序、位置模式設(shè)置程序、運(yùn)動(dòng)位移設(shè)置程序、運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置程序、延時(shí)程序等。

在主程序中，首先對(duì)系統(tǒng)初始化（系統(tǒng)控制寄存器、外設(shè)時(shí)鐘、PIE控制寄存器及中斷向量表等）和外設(shè)初始化（GPIO、EVA定時(shí)器T2、eCAN1、SPI、ADC等）。然后進(jìn)入主循環(huán)，依次實(shí)現(xiàn)速度模式下尋零位、尋零成功后切換到位置模式、調(diào)用CAN數(shù)據(jù)讀取程序讀取4路電機(jī)位置、通過(guò)SPI輸出初始位移、調(diào)用運(yùn)動(dòng)位移設(shè)置程序?qū)崿F(xiàn)4路電機(jī)按時(shí)序動(dòng)作、外觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行觸發(fā)運(yùn)動(dòng)、通過(guò)SPI控制D/A模塊輸出4路實(shí)際位移。

在主中斷程序中，對(duì)4路電機(jī)在速度模式下進(jìn)行尋零位。首先判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是否大于2圈，若是，則直接將尋零成功標(biāo)志位置1；否則，再判斷相電流是否大于5A，若是，則延時(shí)100ms后將尋零成功標(biāo)志位置1。

CAN數(shù)據(jù)讀取程序?qū)崿F(xiàn)4路電機(jī)相電流和實(shí)際位移的讀取；電機(jī)尋零位程序主要實(shí)現(xiàn)4路電機(jī)在速度模式下的運(yùn)動(dòng)速度、加速度和減速度的設(shè)置；位置模式設(shè)置程序中將4路電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式切換到位移模式，并尋找電機(jī)初始位置；運(yùn)動(dòng)位移設(shè)置程序中按照控制時(shí)序設(shè)置4路電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位移量和時(shí)間；運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)4路電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、加速度、減速度、電流環(huán)PI值、速度環(huán)PI值和位置環(huán)PID值的設(shè)置。

2.2 控制策略

伺服系統(tǒng)作為一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，也稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。位置伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)是控制有黏性摩擦和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的負(fù)載機(jī)構(gòu)，使其輸出的實(shí)際位置與設(shè)定的目標(biāo)位置相一致。為了實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，文中伺服控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)選擇三閉環(huán)控制策略，從外環(huán)到內(nèi)環(huán)的順序依次是位置環(huán)-速度環(huán)-電流環(huán)[5]。三閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，主要由位置控制器、速度控制器、電流控制器、功率逆變器、無(wú)刷直流電機(jī)以及實(shí)現(xiàn)電流、換相信息、轉(zhuǎn)速和位移檢測(cè)的傳感器等模塊組成。

圖2 三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)原理框圖

電流控制器一方面可以改善功率電源和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，另一方面可在允許范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娏鲄⒖贾担傻窒韶?fù)載轉(zhuǎn)矩的作用以及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化帶來(lái)的影響。速度控制器控制著閉合的電流內(nèi)環(huán)，可對(duì)負(fù)載變化起調(diào)節(jié)作用[6]。電流環(huán)和速度環(huán)均采用PI控制器，能夠恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用：在突加給定的過(guò)渡過(guò)程中相當(dāng)于一個(gè)恒電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)；在穩(wěn)態(tài)時(shí)又成為無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)[7]。位置環(huán)采用PID控制器，在速度環(huán)的基礎(chǔ)上，位置控制器可以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃俣葏⒖贾担⑶覍?shí)現(xiàn)對(duì)位置的快速跟蹤。

3 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試

在伺服控制系統(tǒng)集成前，需要對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)刷直流電機(jī)模塊、負(fù)載機(jī)構(gòu)等進(jìn)行參數(shù)匹配調(diào)試。由于該伺服控制系統(tǒng)包括四路無(wú)刷直流電機(jī)，因此首先需要對(duì)每路電機(jī)分別調(diào)試，主要是位置環(huán)-速度環(huán)-電流環(huán)相應(yīng)數(shù)字控制器的PID參數(shù)調(diào)諧，以保證伺服控制系統(tǒng)整體性能滿足要求。系統(tǒng)的負(fù)載機(jī)構(gòu)主要為梯形絲杠和閥芯，電機(jī)通過(guò)絲杠直接驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，無(wú)減速裝置。

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)實(shí)際選用的無(wú)刷直流電機(jī)模塊具體參數(shù)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器配置軟件EPOS4 Studio中的Profile Position Mode（預(yù)置位置模式）進(jìn)行單通道三閉環(huán)PID參數(shù)優(yōu)化。該配置軟件支持自調(diào)諧和手動(dòng)調(diào)諧兩種方式，其中，電流環(huán)參數(shù)采用自調(diào)諧方式設(shè)定；速度環(huán)和位置環(huán)參數(shù)分別采用手動(dòng)調(diào)諧方式，按照電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載機(jī)構(gòu)單程直線分別運(yùn)動(dòng)4mm和2mm時(shí)，對(duì)應(yīng)超調(diào)量小于5%且到位時(shí)間分別小于50ms和30ms的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行確定。表1中給出了加速度為95000 rpm/s時(shí)的一組PID參數(shù)。

表1 三閉環(huán)PID參數(shù)調(diào)諧結(jié)果

3.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

伺服控制系統(tǒng)集成后，為驗(yàn)證伺服控制器及其控制策略設(shè)計(jì)的合理性，需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合測(cè)試。測(cè)試裝置如圖3所示，主要包括控制器電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源、伺服控制器、測(cè)試電腦、數(shù)據(jù)采集儀、無(wú)刷直流電機(jī)等。

圖3 控制系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試

圖4 控制時(shí)序

為測(cè)試控制器對(duì)于不同程度階躍信號(hào)的跟蹤響應(yīng)性能，按照?qǐng)D4中給定的控制時(shí)序，在DSP中分別設(shè)定四通道無(wú)刷直流電機(jī)的給定位移指令。每路電機(jī)動(dòng)作過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為17s，各包括兩個(gè)階段：前8s為第一階段，四路電機(jī)同步進(jìn)行±4mm、±3mm、±2mm和±1mm給定位移的跟蹤控制；后9s為第二階段，四路電機(jī)分別按照不同給定位移進(jìn)行跟蹤控制。

圖5為通道1電機(jī)按照?qǐng)D4中設(shè)定位移動(dòng)作的響應(yīng)曲線，橫軸表示運(yùn)動(dòng)時(shí)間，縱軸表示增量式編碼器測(cè)量位移。經(jīng)計(jì)算，對(duì)于4mm和2mm給定位移信號(hào)跟蹤響應(yīng)的上升時(shí)間（t90）分別約為37ms和29ms；對(duì)于4mm和2mm給定位移信號(hào)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差分別約為0.05mm和0.03mm，通道1電機(jī)對(duì)于各給定位移的穩(wěn)態(tài)誤差和響應(yīng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表2。測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的多通道無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性滿足設(shè)計(jì)要求，并且具有較高的穩(wěn)態(tài)控制精度。

圖5 通道1采集位移曲線

表2 通道1電機(jī)響應(yīng)性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某可調(diào)推力固體直接側(cè)向力發(fā)動(dòng)機(jī)四軸控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求，采用DSP作為主控制器，結(jié)合Maxon驅(qū)動(dòng)器和D/A模塊，以編碼器和霍爾傳感器等作為反饋檢測(cè)模塊，基于三閉環(huán)PID控制策略，設(shè)計(jì)了一種無(wú)刷直流電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車測(cè)試，該控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)控制精度滿足設(shè)計(jì)要求。本文中基于CANopen從機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)方法，在快速構(gòu)建高精度位置伺服控制系統(tǒng)方面具有一定的工程參考價(jià)值。