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1、3-4 控制技术3-4-1 调速原理对于星形连接的三相无刷直流电机，在理想条件下，任何时刻只有两相定子绕组通电。令加在两相通电绕组上的平均电压为Vd，则电压平衡方程式为31:卩厂2監+2罪二2瓦曲+绪尺I(3.2)式中：Em为电机各相反电动势；Im为各相相电流；n为无刷直流电机转速；R为回路等效 电阻，包括电机两相电阻和管压降的等效电阻。由式（3.2）可知，无刷直流电机的转速调 节可以通过改变外施平均电压Vd来实现。3-4-2 电枢电压的调节方法改变电枢电压是直流调速的主要方法。本系统采用PWM （脉宽调制）调速方式，通过调节 逆变器功率器件的PWM触发信号的占空比来改变外施的平均电压Vd，从
2、而实现无刷直流 电机的调速。PWM技术可分为单极性PWM控制和双极性PWM控制。单极性PWM控制的 控制信号如图3.4所示，在每个60电角度的区域内，一个功率开关器件一直处于开通状态， 另一个处于PWM状态；双极性PWM控制的控制信号如图3.5所示，在每个60电角度区域内，两个工作的功率管器件或者都开通，或者都关断。他童信号-iii咖匚二Ii1 II5L 1JJ 1ST MJ JCO 26J圈I单极社丁皿控制鼻融发传专Fig.rig ger Fg:*】 of n； le polziiLy PWf.巴一i_i_i一m 叫 二二iorn i2r ifo q4r :简 育 c图艮b氓极世pwhiJ空
3、制各他发信号Fig. 3 STriggBL- signal of double polarity PW1.I图 3.4 单极性 PWM 控制各触发信号图 3.5 双极性 PWM 控制各触发信号Fig.3.4Trigger signal of single polarity PWM Fig.3.5Trigger signal of double polarity PWM一般情况来说，采用单极性PWM控制的电流波动最大值只有采用双极性PWM控制的电流 波动最大值的一半3233，因此为了减小电流脉动和功率管的开关损耗，本电机控制系统 采用单极性的 PWM 控制技术。3-4-3 PWM 波的产生在传统
4、的单片机控制系统中， PWM 波的产生需要专门的发生电路和时间延时（死区）电路，增加了 CPU的开销，并降低了系统的稳定性。而TMS320F2812的PWM电路设计可以减少 产生PWM波形的CPU开销和减少用户的工作量，同时能尽量减小功率开关器件的损耗，降 低电动机转矩脉动性。每个事件管理器模块可同时产生多达8路的PWM波形输出。由3个带可编程死区控制的比较单元产生独立的3对（即6 个输出），以及由通用定时器比较产生 的 2 个独立的 PWM 输出。事件管理器模块中每个比较单元都可以产生非对称和对称 PWM 波形。对称PWM波形的特点在于调制脉冲是关于PWM脉冲中心对称的。它比非对称信号 的优
5、势在于它在一个周期内有两个持续时间相同的不运行区域（每个PWM周期的开始和结 束处），如图 3.6 所示。定时器T 1周期VFWMx低电汗有效图孑上对称PWM产生原理图Fig.3.6 Symmetiic PV7M generation principle picture后比较 匹配点T1比较畫存器 诗设定值兀配/ /前比较 匹配点定时，计数器13建塘曜讨数軾式PVVMx高电T：仃效图 3.6 对称 PWM 产生原理图Fig.3.6 Symmetric PWM generation principle picture对称PWM波形发生的一个周期内通常有两次比较匹配，一次是在周期匹配前增计数的过程
6、 中产生，另一次是在周期匹配后的减计数的过程中产生。新的比较值在匹配后就更新了比较 寄存器中的值，DSP在无刷直流电机控制系统中的应用从而可以提前或推迟PWM脉冲的第 2个边沿的来到，这种修改PWM波形的特性可以弥补由交流电机控制中的死区所导致的电 流误差。已经证明在交流电机（感应电机）和无刷直流电机的相电流中，对称PWM波信号 比非对称信号引起的谐波失真更小，转矩波动和功率管的开关损耗也小，是一种理想的调 制方式。在本文中就使用到对称PWM波形，要产生这种波形，需要将通用定时器1设置为 连续递增/递减计数模式。事件管理器EVA的PWM信号产生的初始化步骤如下3435： 设置相关的中断使能，中
7、断屏蔽寄存器；设置和装载ACTRx寄存器，强制PWM1-PWM6输出高电平；设置死区控制寄存器DBTCONA，死区使能，并设置死区定时器的预分频器和死区定时器的 周期值；设置比较控制寄存器COMCONA，使能比较操作、比较寄存器重载的条件为：立即、禁止空 间矢量PWM模式；方式控制字重载的条件为：立即、使能PWM；设置和装载T1PR寄存器，即规定PWM波形的周期；设置定时器1的控制寄存器T1CON为：连续增减计数模式、时钟源为内部时钟、预分频系 数、使能定时器1；更新CMPRx寄存器的值，使输出的PWM波形的占空比发生变化。在许多电机和电力电子应用中，常将两个功率器件（一个正向导通，另一个负向
8、导通） 串联到一个功率转换器的引脚上，并且两个器件一定不能同时导通，这是为了避免发生短路 而击穿器件。因此，要经常用一对无重叠的PWM输出去正确地开起和关断这两个器件。死 区时间经常插入到一个器件的关断和另一个器件的开启之间。这种延时使得一个功率器件在定时器T1周期T1 tt報寄存器 i比较 丿I ： tt较1-与设定值M配/ 儿规点儿配点开启前，另一个功率器件已完全关断。所需的延时时间由功率器件的开启和关断特性以及具 体应用中的负载特性来决定。对应本系统对称PWM低电平有效情况下，加入死区单元后产 生波形如图3.7 所示。定时，计数髀1连续増减计数模式PWMk低IL1 T仃效图3.7 电平有
9、效时加人死区的对称FWM波形Fig. 3.7 Symmetiic PVJM wavefomi with dead band in active low图3.7低电平有效时加入死区的对称PWM波形Fig.3.7 Symmetric PWM waveform with dead band in active low3-5 控制策略 控制策略选择地好坏直接关系到控制系统的性能。对于任何控制系统来说都有三个基本要求 稳、准、快。其中“稳”是最根本的要求，“准”是稳态要求(稳态误差要小)，“快”是动 态要求(超调量要小，调节时间要短)。 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其 算法简单、鲁棒性
10、好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制中。无刷直流电机调速系统是 一个多变量、强耦合的非线性系统。随着对无刷直流电机调速性能要求的提高，采用传统的PID控制很难得到令人满意的结果。本文针对PID算法在无刷直流电动机控制系统中出现的 问题，采用了非线性变速积分PID算法。3-5-1 PID控制原理常 规 PID 控 制 系 统 原 理 框 图 如 图 3.8 所 示 ：圈常规PID控制家统康理梅.圈Fig.S.y Principle picture of general PID control system图3.8常规PID控制系统原理框图Fig.3.8 Principle picture of
11、 general PID control systemPID控制是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差：e(t)=r(t)c(t)(3.3)将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制器，其控制规律为：出B =股F帘+扌-匸山+兀警(3.4)其中：KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。3-5-2数字PID控制算法数字PID控制算法分为位置式PID算法和增量式PID算法36-39。1.位置式 PID 算法：一般数字控制系统需要将控制信号采样，所以只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此， 式(3.4)中的积
12、分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟 PID 控制算法的算 式(3.3)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和的形式代替积分，以增量代替微分，则可 做如下近似变换：其中：T为采样周期。DSP 在无刷直流电机控制系统中的应用显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证足够的精度。为书写方便，以 下将e(kT)简写为e(k)。将式(3.5)代入式(3.4),可以得到离散PID表达式为：+ KDe(/j) - e(k -1)其中：u(k)为第k次采样时刻的控制系统输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；e(k1)为第(k1)次采样时刻输入的偏差值；KI 为积分
13、系数， KI=KPT/TI；KD 为微分系数， KD=KPTD/T。2.增量式 PID 算法由于位置式PID算法，要计算u(k)，不仅需要本次的偏差信号e(k)和e(k1)，而且还要在积 分项把历次偏差信号e(j)进行相加。这样，不仅计算繁琐，而且为保存e(j)还要占用很多内 存。为此，可作如下改动。根据递推原理，可写出(k1)次的PID输出表达式：肚伉一1)二疋西伉一1十芒送心+聲虽仗-1) -邂-2)用式(3.7)减去(3.6)可得：- 1)二-1)十疋户已(用：| - e(k - 1)十疋声优十疋丘(舫一 2已优-1)十已址-2j(3.8)式中，岛二岛右KD = Kp 称为积分系数， 丁
14、称为微分系数。由上式可知，要计算第k次输出值，只须知道u(k1)、e(k)、e(k1)、e(k2)即可，比用式(3.6)计算简单的多。 式(3.8)表明，第k次输出的增量，等于第k次与第k-1次调节器的输出的差值，即在第 k-1次的基础上的增加(或减少)量，所以称式(3.8)为增量型PID算法。Au(k) 3-5-3 变速积分的 PID 算法 在普通的PID控制算法中，由于积分系数KI是常数，所以在整个控制过程中，积分增量不 变。而无刷直流电机调速系统是一个多变量、强耦合的非线性系统，它要求系统偏差大时积 分作用应减弱甚至全无，在偏差小时则应加强。当电机转速的设定值突然改变，或电机的转 速发生
15、突变时，会引起偏差的阶跃，使e(k)|增大，PID的输出u(k)将急剧增加或减小，以至 于超过控制量的上下限umax，此时的实际控制量只能限制在umax，电机的转速M(k)虽然 不断上升，但由于控制量受到限制，其增长的速度减慢，偏差e(k)将比正常情况下持续更长 的时间保持在较大的偏差值，从而使得PID算式中的积分项不断地得到累积。当电机转速超 过设定值后，开始出现负的偏差，但由于积分项已有相当大的累积值，还要经过相当一段时 间后控制量才能脱离饱和区，这就是正向积分饱和，反向积分饱和与此类似。解决的办法： 一是缩短PID的采样周期，整定合适的PID参数；二是对PID算法进行改进，采用变速积分 PID算法。变速积分PID算法的基本思想是：改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对 应；偏差越大，积分越慢；反之越快。为此，可以取非线性函数fe(k)1|巩0任E亢蓟幻二 虫-豊1+丘 E 蓟幻任月+占0(3.9)这时PID算法可改进为：fc=l W = 2+岛工/血力煎刖+ 2的7住1)(3.10)f的值在0
