直流无刷电机控制系统的研究
发布时间：2009-04-20 作者：张晓红 赵显红 陈经林 王晔 河南科技大学 中铝河南铝业有限公司
1．前言
舵机是飞行器的重要组成部分，其性能指标的优劣直接影响飞行器的制导精度。舵机伺服系统是一个高精度的位置伺服系统，舵机控制器接受制导计算机给出的舵面偏角信号，用它的输出指令来操纵导弹舵面的偏转，从而改变导弹的航行姿势或航行轨迹，以达到控制导弹飞行轨迹的目的。
随着航空航天的蓬勃发展、各种先进的精确制导武器的研制，人们对导弹上的舵机系统的整体性能要求越来越高。无刷直流电动机既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好，控制精度高的优点，在工程和技术方面得到了广泛的应用。DSP 是一种广泛适用于各种电机控制的数字信号处理器，它将电机控制所需要的外围电路集于一体，能够大大提高系统的可靠性。
然而在实际应用中，由于稀土永磁电机磁性材料存在磁滞、饱和现象，永磁体磁性能随温度非线性变化，使无刷直流电动机（BLDCM）具有非线性、多变量、强耦合及参数摄动大等特点。另外，BLDCM驱动装置存在死区、饱和等非线性，负载含有弹性、间隙和摩擦阻力死区等非线性因素，以及系统包含的未建模动态等，都将造成系统模型不准确及参数失配。因此在BLDCM理论分析、设计及控制策略研究中也不断出现有待进一步深入的新课题。应用鲁棒控制思想解决系统存在参数摄动及外部有界扰动的控制问题。
传统的PID控制器具有原理简单直观、方便实现以及稳态精度好等优点，但在保证系统的快速性和抗外部千扰能力、尤其对系统参数摄动的鲁棒性等方面都无法收到满意的效果。新型鲁棒PID控制技术将PID控制算法与各种鲁棒控制理论相，形成了一系列参数自整定PID控制器，对于非线性、时变不确定性的复杂对象，其控制效果远远超过常规的PID控制器。本系统选用美国TI 公司的TMS320LF2407A DSP 芯片为控制器，无刷直流电机(BLDCM)为执行器，MOSFET 为驱动元件配以相应的控制软件，构成电流、速度、位置三闭环伺服系统。文中介绍了系统的硬件设计原理及控制策略，并进行实验研究。
2. 系统硬件设计
硬件方案设计包括无刷直流电动机主回路和控制回路，主回路由直流电源、MOSFET 全桥电路和电机本体构成。控制回路以DSP 芯片TMS320LF2407A 为核心，以电流、速度为内环，位置为外环，由功率驱动电路以及接口电路和保护电路组成如图1。
图1 硬件控制框图
Fig.1 Hardware Block Diagram of Control System
本系统采用PWM 方式实现对无刷直流电动机的控制。其工作原理是:交流电源经过隔离变压器隔离、调压器调压、整流器整流和滤波以后送入逆变器作为直流电源；系统通过光电编码器作为位置传感器检测电动机转子位置以便确定所需逆变器通电相序。系统采用三相星形连接全控电路，采用两两导通方式。每一瞬间有2 个功率管导通，每隔6 1 周期（60°电角度）换向一次，每次换向一个功率管，每一功率管导通120°电角度。
2.1 TMS320LF2407A DSP 最小系统
最小系统由DSP 本身或外接EPROM(或EEPROM)、RAM、PLL 时钟模块、复位电路、译码电路等组成。
PLL 时钟模块：包括晶体振荡器、回路滤波元件和电源连接部分。
复位电路：具有上电自动复位、手动复位和+3.3V 供电电压欠压保护复位功能。
电源转换：由于MS320LF2407的供电电压只能是3.3V，需要将5V 电源变换成3.3V 给CPU 供电，输出电流可达1A 的TPS76833QPW作为5V 到3.3V 转换芯片，见图2。
图2 电源转换及复位电路
Fig. 2 Power Supply Conversion and Reset Circuit
2.2 主电路
主电路采直流稳压电源，全桥电路由六个MOSFET 场效应管构成。T1、T3、T5 三个P 沟道MOSFET 构成上桥，门级G 加负电压时导通。T2、T4、T6 三个N 沟道MOSFET 构成下桥，门级G 加正电压时导通；六个反馈二极管D1-D6 组成，采用低损耗缓冲电路，开关损耗小，工作可靠。
2.3 电流检测和保护电路
无刷直流电机的三相绕组在运行中任何时刻都只有两相导通，且为同一电流，所以在主回路串接一个反馈电阻Rf 代替常规的电流传感器，其电压值Uf 经过计算便得到间接的线电流测量值。Rf 可完成电流检测、限流和过流保护的功能。电压Uf 一路经滤波、放大、限幅后送入TMS320LF2407 的ADC 模块作为电流反馈值；另一路也经滤波、放大后送电压比较器，系统设定的过电流值作为电压比较器的参考电压，电压比较器的输出送入LF2407A 的
引脚，一旦电枢电流超过设定值，则
引脚被拉为低电平，DSP 内部计数器停止计数，所有PWM 呈高阻态；同时产生中断信号，通知DSP 有异常情况发生，并在中断处理程序中，对故障进行判断。
2.4 舵面位置检测
导弹在飞行中通过控制舵面的偏角来控制导弹飞行的方向，因此舵机控制器必须根据制导计算机的给定位置信号来控制舵面的偏转。舵面位置信号检测是通过光电编码盘实现的。光电编码盘每个机械转有1024 个脉冲输出，每转为360°，那么每转一度就有1024/360=2.844 个脉冲的输出。转动20°偏角时，输出脉冲数为
。当舵机舵面偏转时，根据DSP 中检测到的计数器所计的脉冲数，就可以知舵面当前的位置。给定的舵面位置信号经接口电路送入DSP 的ADCIN01 端，该信号与当前的位置反馈信号相比较，经DSP 的运算处理转化为转速的参考量进行控制。
3. 系统控制策略
对于任何控制系统来说都有三个基本要求:稳、准、快，其中稳是最根本要求，准是要求稳态误差要小，快是要求超调量要小，调节时间要短。
在系统刚刚开始工作时误差很大，此时要解决的问题是快速响应；在误差较小时，要解决的问题是稳态性和静差。因此，为了获取更好的控制效果，本文采用了Bang-Bang 控制器和鲁棒-IP 控制器相结合的方式，在大误差时采用Bang-Bang 控制器以满足快速响应减小误差的效果，当误差在一定范围内时采用鲁棒-IP 控制器以达到所要求的稳定性和静差。通过检测系统误差所处的范围来采取不同的控制策略，可以使系统尽快地向误差消除的方向运动，不但可以提高系统的快速响应，而且还能避免积分饱和的现象。本文采用IP 位置控制器和鲁棒控制器联合。H∞鲁棒控制器K1(s)的作用就是要使得被控对象在参数摄动及外部扰动下对象模型摄动足够小。这样，IP 控制器K2(s)的选取仅针对标称模型即可，如图3。
4. 实验分析
实验中电机采用深圳铭雅戈电机有限公司的无刷直流电动机，额定功率：1487W，额定电压：DC80V，额定电流：18.6A，额定转速：3307r/min，三相Y 型连接，二对极。图4a 为空载下电机的阶跃响应对比，图4b 为空载下电机受到干扰后的阶跃响应对比，其中红线为本文所提到的Bang Bang/IP+H∞控制器，蓝线为传统的位置环PI 控制器。从图中可以看出，给定信号为20°时，位置环PI 控制器的上升时间r t =0.18s，调整时间s t =0.275s，稳态误差为ss e =2.98°，超调量1.63%；Bang Bang/IP+H∞控制器的上升时间为r t =0.175s，调整时间为s t =0.225s，稳态误差为ss e =2.52°，无超调无震荡。当受到干扰时，位置环PI 控制器的调节时间为1.3s，有震荡；而Bang/IP+H∞控制器的调节时间为0.675s，无震荡。
a） 阶跃输入为180 度的对比曲线b） 受到干扰后的系统响应曲线对比
a）.Compare curve of 180°step input b.） Compare curve on interfere
图4 系统响应对比曲线
Fig 4 Compare system curve
5.结论
通过实验结果表明，本文所设计的位置控制系统能够使得系统鲁棒稳定，并能有效抑制系统内部参数变化和非线性等不确定性、外界负载干扰的影响，本系统的位置跟踪较传统PID 控制器性能优良。
参考文献
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作者简介：张晓红（1969-），女，河南洛阳，硕士，讲师，研究方向：电气传动, 电话：13663883263，河南科技大学电子信息工程学院张晓红
Author brief introduction: Zhang,xiaohong,Gender:female;Date ofBirth:1969;Position:postgraduate;.
Electronic Information Engineering College, Hen nan University of Science and Technology ,luo yang 471003)
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