多轴永磁无刷直流电机运动控制系统的研制

山东大学控制科学与工程学院（济南250061） 高芳红 刘锦波

1 引言

运动控制系统作为先进制造领域内计算机数控技术（CNC）中的一个核心组成部分正在发挥着越来越重要的作用。无论是在工业机器人、精密加工还是在塑料机械、化工、轧钢等领域到处都能看到运动控制系统的使用。同时人们对运动控制系统的性能指标也提出了更高要求。除PID以及基于极点配置的线性控制策略外，各类新型非线性控制策略的提出也为满足这一要求提供了发展空间[1][2]。高性能的DSP、FPGA以及各类新型高速电力电子器件和PWM技术的出现为这些控制策略的实时实现提供了可能[6]。

本文对由永磁无刷直流电机 （BLDC）组成的多轴运动控制系统进行了研究。传统的多轴运动控制系统多采用多个运动控制系统组合组成。这种结构体积较大、接线复杂、从而带来设备的可靠性降低。为此，本文提出了一种新的多轴运动控制系统结构。其每台电机是通过同一DSP控制的，多台逆变器便于集中。除此之外，多轴运动控制系统的编码器以及BLDC电机的霍尔元件也由该DSP统一处理，因而大大简化了结构和系统接线，提高了系统的可靠性。这种结构的多轴运动控制系统可广泛应用于多轴小型设备如视频检测机、小型机器人等。

2 多轴永磁BLDC电机的运动控制系统构成

2.1 单轴永磁BLDC驱动系统的组成、调速原理与机械特性

图1为单轴永磁BLDC电机的系统组成框图。图1中逆变器采用“导通型”开关规律，通过对逆变器中的三只共射极的IGBT开关管进行PWM控制，实现永磁BLDC电机的调压调速。其相应的稳态机械特性可以用下式表示为：

根据（1）式绘出直线永磁BLDC电机的机械特性如图2所示[1]。

由图2可见，通过改变PWM的占空比 !调节电枢电压的平均值便可以实现对永磁BLDC电机的速度调节。

2.2 单轴永磁BLDC电机运动控制系统的构成

单轴永磁BLDC电机的运动控制系统如图3所示。图中，转子的位置信息由安装在转轴上的编码器测量获得。为了提高精度，转子转速的信息则通过瞬时速度观测器计算获得（具体设计方法见3.2节）。转子的位置信息与转速的反馈信息一起，分别与位置和转速的给定指令作差后通过控制算法处理获得电枢电流的参考值。

上述电枢电流的参考值与实际电枢电流作差，经电流PI控制器调节输出，获得电枢电压的控制量大小。然后，通过PWM改变占空比达到调压调速的目的。

2.3 多轴永磁BLDC电机运动控制系统的构成

利用图3组成的单轴运动控制系统结构，便可获得多轴永磁BLDC电机组成的运动控制系统如图4所示。

图4中，采用单一DSP控制三台永磁BLDC电机。每一台BLDC电机的位置与转速的控制算法以及结构均与图3相同。图中，由上位机PC机实现运动控制系统的人机界面交互以及运动控制系统控制参数的修改、状态信息的获得以及故障指示等功能。而具体实时运算、状态量的检测与处理、故障处理PWM脉宽信号的调整则完全由下位机DSP完成。上位机PC与下位机DSP之间的通讯则通过RS232串口或CAN总线实现。

3 多轴永磁BLDC电机运动控制系统的设计

根据系统要求，选择AD公司的DSP（型号为ADSP2181）作为主微处理器（外部时钟频率为33MHZ）和XLINX公司的FPGA（型号为XC5204）配合完成运动控制系统的所有运算。通过FLASH实现FPGA配置程序和运行程序的存储。图5、图6分别给出了运动控制板和驱动板的原理框图。其中，原理图的设计采用美国PADS软件公司的POWERLOGIC完成。充分利用其与PCB设计的OLE（对象连接嵌入）技术，实现原理图与PCB图之间的相互发送和接受，从而给设计带来很大的方便。FPGA的设计则采用原理图的输入形式（也可以采用VHDL编程的输入方式）。利用XILINX公司的Foundation Series实现FPGA的配制。

3.1 单轴运动控制策略的设计

3.1.1 位置与速度环控制策略的设计

位置与速度控制器采用PID控制，其输出可表示为：

其中，!ref为加速度的参考值。根据上式得单轴永磁BLDC电机运动控制器的结构图如图7所示。

3.1.2 电流环控制策略的设计

电流内环采用PI控制器。PI控制器在s域内可表示为：

其中，Y表示PWM电压。X表示电流偏差。

其相应的差分方程为：

3.2 运动控制系统的用户界面设计

采用VC++6.0设计人机用户界面，该用户界面主要完成任务大致分为如下几类：

（1）运动控制系统参数的修改：包括PMSM参数、负载的参数以及控制参数的修改；

（2）系统状态量（位置、速度、加速度、电流等）的测量以及响应曲线；

（3）极限参数的设定：最大电流、最大转速、最大加速度等的设定；

（4）编码器及HALL元件信息的设定和测量；

（5）运行控制等；

（6）故障诊断。

3.3 运动控制系统软件的基本设计思想

控制系统的主要运行软件主要包括二个模块：初始化模块和中断模块。现分别介绍如下：

3.3.1 初始化模块的设计

DSP复位后，初始化模块执行下列任务：

DSP设置：内核设置，看门狗，各类时钟程序，通用I/O程序，事件管理程序；

（1）变量初始化：主要是缺省变量的初始化；

（2）中断服务程序的选择和使能；

（3）循环等待：循环等待涉及到DSP和PC机人机界面的通讯。而DSP和PC机的通讯具体实现是借助于单片机PIC16C69的桥梁作用来完成的，即通过PC机的串行口（COM）和PIC的串口实现人机界面与DSP用户板的通讯，确保用户通过RS232连接更新变量及标志。然后利用DSP的并行异步通讯口实现与PIC的并口通讯，确保由PC机人机界面下载修改参数时，不影响DSP主程序的执行。

3.3.2 接口模块的设计

接口模块是低级程序，它将现实数据变换为适当的数据形式。这些模块包括：

（1）电流检测和定标；

（2）机械位置的检测和定标；

（3）电气位置的定标和机械速度的计算与定标。

（4）控制策略设计模块

鉴于篇幅，本文就不再赘述。

4 样机的实验结果与讨论

图8～图12分别给出了该装置的实验结果。图8给出了正、反转运行时平均电枢电流的给定值与实际值随时间的变化曲线。图9、图10分别为单轴重复运动和阶跃响应时的位置偏差曲线。图11分别为单轴运动时位置阶跃响应时的响应曲线。图12为BLDC电机的阶跃响应曲线比较。

经过反复实验证明：本运动系统具有较好的性能，其最大速度为125，000 Counts/s（即最高转速为7500r/m），其最大加速度为4，000，000 Counts/s2（即最大加速度为4000r/s2）。考虑到丝杠的螺距为3.6mm/r，故系统的最大速度为400mm/s，最大加速度为14.4m/s2。上述实验结果很好地反映了所设计控制器的收敛性和系统良好的动静态性能。

5 结论

本文基于DSP和FPGA实现了一套三轴交流运动控制系统，并将该运动系统成功地应用于视频检测机系统中。本章对该三轴运动系统从系统结构、系统的硬件电路设计、系统的用户界面到系统软件的设计思想均作了详细地阐述。本章的最后对实验装置和实验结果进行了介绍。实验结果很好地验证了所设计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]刘锦波，张承慧，电机与拖动[M].北京：清华大学出版社，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