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直流电机全数字式控制(三)
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查看 直流电机全数字式控制 图6
位置反馈元件使用24位绝对式光电编码器,位置精度可达0.007725″,编码器反馈的位置值经过微分测速可以得到速度反馈值。利用RS422串口采集光电编码器的数据并和外部控制单元进行通信。采用电流传感器采集电机电枢电流,电流传感器输入的电流和输出的电压成线性关系,利用DSP28335内部的ADC模块对采集的电流进行高频率的A/D变换,由于电流传感器的输出电压是0-5V,而ADC模块要求的模拟输入电压范围为0-3V,所以需要加信号调整电路进行电压调整。
电机驱动器选用三相桥式MOSFET智能集成型控制器,它具有欠压锁定保护、可编程死区时间控制、低电平有效使能关断控制等功能[10],根据DSP的ePWM 模块输出PWM信号控制各个功率开关的导通与关闭,直接驱动三相无刷直流电机,使用简单高效。在PWM信号和电机驱动器之间需要进行高速光耦隔离,起到不同电压之间的信号传输和保护DSP端口的作用。电机
驱动电路原理如图7所示。
图7
(二)系统软件设计
用DSP实现控制算法,需要将控制器的模型进行离散化处理。采样周期的选择对数字电流环尤为重要,采样周期越小控制效果会越好,但会增加系统处理复杂控制算法的计算负担[11]。根据系统实际情况,电流环采样频率选取为10kHz,速度环和位置环采样频率为1kHz。系统的软件流程如图8所示。
图8
四、实验结果及分析
为验证系统的性能以及数字电流环设计是否合理,通过系统驱动直流无刷电机进行转台运转实验,并结合MATLAB仿真进行验证。数字电流环的开环频率特性曲线[12]如图9所示,可以看到,电流环开环截止频率为970rad/s,相位裕度为76°,满足系统稳定性要求。
图9
在系统仿真的基础上,根据系统设计参数进行转台转动控制实验。系统的位置闭环阶跃响应对比如图10所示,可以看到,只有位置环和速度环时,超调量为22.7%,上升时间和过渡过程时间分别为0.3s和0.5s,引入数字电流环之后,超调量减小为6.5%,上升时间和过渡过程时间分别减小为0.18s和0.27s。引入数字电流环提高了系统的快速性和相对稳定性,系统的动态性能得到了明显改善给位置环输入一个等效正弦信号P(t)=10sin(1.0t),控制转台进行运转。如图11所示为无电流环仅速度环和位置环闭环后的位置误差曲线,如图12所示为三环闭合后的位置误差曲线,通过对比可以看到,引入数字电流环后系统的位置跟踪精度提高了近9倍,系统控制精度得到了明显改善。
图10
图11
图12
五、结 论
本文设计一套基于高性能DSP28335的无刷直流电机伺服硬件系统,机构简单合理,系统运行稳定可靠。在工程中传统的位置和速度双闭环控制策略的基础上,成功引入了数字化电流环,建立了控制系统的数学模型,详细介绍了全数字化无刷直流电机伺服控制系统的实现过程。从仿真和实验结果可知,加入数字电流环可以抑制电机的转矩波动,系统的跟踪精度得到了明显提高,动态响应速度和超调量也有所改善,为无刷直流电机在伺服控制性能要求较高场合的应用提供了理论和现实基础,系统具有很好的实用价值。
参考文献:
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