基于變速積分pid的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
王歆．田雨波．王寶忠
(江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212003)
摘要：在分析了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度控制方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)pid算法在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，給出了相應(yīng)的解決方法，提出了非線(xiàn)性變速積分pii)算法．并成功地解決了在低采樣周期時(shí)pid算法的積分飽和問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；pid控制；非線(xiàn)性變速積分
0引 言
低制造成本、高可靠性和高能量轉(zhuǎn)換效率是機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，只在定子上有繞組，沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗。因此開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)迎合了機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，融合了電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制算法發(fā)展成果，成為近年機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于家電、汽車(chē)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域。
1開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的速度控制方案
對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制一般采用閉環(huán)控制。與開(kāi)環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率(額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比)要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時(shí)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的速度控制方案如圖1所示。
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制器是電機(jī)調(diào)速運(yùn)行的中樞，它綜合處理各種位置、速度等給定信號(hào)，給出相應(yīng)的相通斷、系統(tǒng)保護(hù)、顯示等信號(hào)。且根據(jù)鍵盤(pán)輸入的指令如起動(dòng)、停止、速度設(shè)置等和傳感器提供的各種信號(hào)(如位置、電流等)輸出相通斷信號(hào)，驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷，驅(qū)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。tms320f240芯片是ti公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)電機(jī)、逆變器、機(jī)器人等控制而設(shè)計(jì)的，它配置了完善的外圍設(shè)備，且可設(shè)置六個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷。此款芯片在電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的整體來(lái)說(shuō)，無(wú)論是從計(jì)算速度、精度、內(nèi)外部資源還是性?xún)r(jià)比上，都優(yōu)于傳統(tǒng)的一系列單片機(jī)，所以本設(shè)計(jì)中選用tms320f40來(lái)作為控制器的cpu。
如圖2所示，整個(gè)控制器單元主要包括最小系統(tǒng)電路、位置檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、倍頻電路、過(guò)流、過(guò)壓及欠壓保護(hù)電路、轉(zhuǎn)換電路、電流斬波電路以及人機(jī)交互電路等。
閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制(簡(jiǎn)稱(chēng)pid控制)，是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器。pid調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不一定需要系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，參數(shù)容易整定，在長(zhǎng)期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。將它移植到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)軟件予以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于大多數(shù)控制對(duì)象都能獲得滿(mǎn)意的控制效果。pid調(diào)節(jié)器雖然易于使用，但在設(shè)計(jì)、調(diào)試開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制器的過(guò)程中常常會(huì)遇到pid調(diào)節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響等問(wèn)題，且受數(shù)字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調(diào)節(jié)作用。所以，在不影響控制精度的前提下對(duì)pid控制算法加以改進(jìn)，關(guān)系到整個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)的成敗。
2設(shè)定速度和獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)采用光電式位置傳感器，它由靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分組成，前者包括紅外發(fā)光二極管、紅外光敏二極管和輔助電路；后者為srm轉(zhuǎn)子同軸安裝的6齒遮光盤(pán)，每齒間隔30o，遮光盤(pán)與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，通過(guò)遮光盤(pán)的遮光、透光，使光敏元件產(chǎn)生導(dǎo)通與關(guān)斷信號(hào)。對(duì)于四相8／6極開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，在定子上安裝兩個(gè)相距75o的光敏傳感元件經(jīng)輸入電路處理，輸出兩路相位差15o、占空比為50％的方波信號(hào)，它組合成四種不同的狀態(tài)，分別代表電動(dòng)機(jī)四相繞組不同的參考位置。tms320f240的兩個(gè)捕獲單元capl、cap2分別檢測(cè)這兩路信號(hào)。當(dāng)捕獲輸入引腳上檢測(cè)到一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)，定時(shí)器tl或t2的值被捕獲并存儲(chǔ)在相應(yīng)的兩級(jí)深度f(wàn)ifo堆棧中。位置信號(hào)的上、下跳變均因起捕獲口中斷，即每15o產(chǎn)生一次捕獲口中斷，cap的中斷服務(wù)程序根據(jù)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置信號(hào)，由srm電機(jī)換相邏輯，確定電機(jī)對(duì)應(yīng)繞組關(guān)斷與導(dǎo)通，并根據(jù)測(cè)周法計(jì)算電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。
兩路位置信號(hào)輸入捕獲口，每一次跳變上升沿或下降沿都要產(chǎn)生一次捕獲中斷，讀取相應(yīng)捕獲堆棧寄存器即可計(jì)算出各路信號(hào)相鄰兩個(gè)跳變之間的標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)n，捕獲功能以定時(shí)器2為時(shí)間基準(zhǔn)，定時(shí)器2計(jì)數(shù)頻率為l. 25 mhz。根據(jù)t測(cè)速法，可得如下轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：
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