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空心杯直流伺服电-机械转换器控制器设计

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  • 发布时间:2014-09-17
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Design of Controller of Coreless DC Servo Electro-mechanical ConverterZHANG Qing,RUAN Jian,LI Sheng,ZHAO Wei(Key Laboratory ofE&M (Zhejiang University ofTechnology),Ministry of Education&Zhejiang Province,J-Iangzhou 310014,China)Abstract:Aiming at the improvement on frequency response of digital servo valve,a controller of coreless DC servoelectro-mechanical converter was designed.This controller was composed of driver module,position detection moduleand current conditioning circuit by using TMS320LF28 1 2 as its control core,and realized current-position dual-loopcontrol mode basing on pulse-width modulation(PWM)method.The experimental results show that this controler canprecisely confirm the position of coreless DC motor S rotor and increase frequency response of digital servo valve。

Key words:controler;electro-mechanical eonveer;pulse width modulation(PWM);equency response作为连接电气元件和液压机械元件的桥梁,电-机械转换器是电液伺服阀乃至液压控制系统的关键元件之-。对于电液数字阀而言,除了阀体本身的结构之外,电-机械转换器的频响也是制约其性能的关键1j。

随着电液控制技术的发展,数字阀发展方向将越来越多样化。应用于高频电液振动台,高频疲劳试验机的数字阀要求大流量和高频响;在航空航天、军事等要求精密位置控制的领域,也需要高频响高稳定的数字阀。

在电液伺服阀各环节中,电.机械转换器的响应速度最低,因此,欲提高电液伺服阀的频率响应,必须先提高电-机械转换器的频响。现有的电液数字阀-般采用步进电机作为其电-机械转换器,然而步进电机的带载能力具有局限性,在需要克服较大负载(包括惯性负载以及弹簧力等)的诚,其频响依然受到限制,从而使数字阀的频响也受到影响 J,因此换用性能更优的伺服电机代替。文章将空心杯直流伺服电机作为低惯量电-机械转换器,设计基于 DSP 2812的专门控制器,并对该电-机械转换器的位置频率响应特性进行研究。

1 空心杯直流电机简介空心杯电机属于直流永磁的伺服控制电机,也可以将其归类为微特电机≌心杯电机在结构上区别于普通电机的最大特点是转子无铁芯,这种新式结构彻底消除了铁芯涡流带来的损耗,使电机的电感、转动惯量以及电机的质量大幅度降低,改善了电动机运转性能 J。与传统的铁芯电机相比,空心杯电机具有转动惯量低,灵敏度高,快速性能好,不存在齿槽效应,转矩波动小等优点。

其电压-角位移传递函数 G (S)为G ) - (1)负载转矩-速度传递函数G (s)为收稿 日期:2012-10-14:修回日期:2012-12.25基金项目:国家自然科学基金项目(50975258)作者简介 :张青(1988),男 ,浙江台州人,硕士研究生,主要研究方向为流体传动与控制。E-mail:zqclear###sina.en[自控·检测] 张 青,等:空心杯直流伺服电-机械转换器控制器设计 ·37·(2)式中: 为电机的反电势常数;K,为电机的转矩常数; 为电机的转动惯量; 为电枢回路电阻; 为绕组回路电感; 为粘滞摩擦系数;s为复频域变量。

2 系统控制方案文中采用电流-位置双闭环控制方式,控制器通过ADC单元对控制信号进行采样,结合 SPI电路接口接收到位置检测板给出的电机位置信号,经过 PID算法计算得到相应的占空比,由事件管理器产生相应的PWM波形,经由驱动部分的 H桥把 PWM信号转换成电机所需要的电流信号。

电流调理电路实时检测电机的输出电流,与电流指令形成偏差,经 A/D转换后再经 PID运算传 回到DSP控制器,修正输出控制信号,经过放大后驱动电机运动(见图 1)。

图 1 直流电机控制 系统框 图Figure 1 Block diagram of DC motor control system3 控制器硬件设计空心杯直流伺服电.机械转换器控制器由 DSP控制拈、电机驱动拈、位置检测拈及电流调理电路组成。

3.1 DSP拈控制器主控芯片采用 Tl公司推出的32位定点数字信号处理器 TMS320F2812为主控芯片。这款芯片主要针对电机和运动控制,最高能达到 150 M的处理速度,其内部事件管理器用于产生控制电机转动的PWM信号 。该控制芯片本身带有 ADC拈和SPI拈。ADC模 块用 于检测 电流值;SPI拈 接 收AS5045磁旋转编码器检测到的电机转子角位移信号。

3.2 驱动拈事件管理器EVA拈产生的PWM信号作为控制信号,驱动直流电机按照控制信号的方式运动。驱动电路 部 分 以 IR2110 为驱 动 芯 片,驱 动 由 4个IRF4229MOS管搭成的H桥电路,见图2。

H桥能够对电流的方 向和大续行控制,4个MOS管Q1和Q4,Q2和Q3在控制信号的作用下分别关断或打开。当控制信号使开关 Q1,Q4合上,Q2,Q3断开时,电流在线圈中由A流向 A-,此时直流电机正转;当控制信号使开关 Q2,Q3合上,Q1,Q4断开时,电流在线圈中由A-流向A,此时直流电机为反转。

4个二极管 VD1,VD2,VD3和 VD4起到续流的作用,称为续流二极管。

3.3 位置检测拈位置检测拈用于实时检测电机转子角位移,并把检测到的数据传输给 DSP的SPI拈。位置检测传感器选用无接触式磁旋转编码器 AS5045为主控芯片,分辨率为0.087 9。[7-8],见图3。

3.4 电流调理电路电流调理电路用于实时检测电枢绕组上的电流。

电机电流通过-个外部采样电阻得到模拟电压(V1-),进人7800芯片。在隔离侧的另-边得到-个微分的输出电压( -v4)。这个微分的输出电压正比于电机电流,通过运算放大器 LF412ACN转换成单端信号 ,输入到运算放大器 OP07,得到 ,输入到DSP的ADC拈 ,经嵌入到DSP中的控制算法后实现电流闭环 9。 ,见图4。

该电路中涉及到的有关计算公式如下- 8.02×( - ) (3) 5×( - ) (4) 0.3× 1.5 (5)4 实验研究设计搭建了实验平台,选用空心杯直流电机的基本参数为:最大功率 330 W,电枢电阻 72 n,转矩常数6.872×10~Nm/A,速度常数 7.19×10 (V·r)/min,控制器输入电压为 24 V。

系统的频率响应试验是在不同频率的正弦波输人控制信号下,观察电机的输出角位移信号,见图 5。图中虚线为输入信号,实线为输出信号,三条曲线分别对应数字阀 100%,50%,25%的开度。

由图5可见,输入信号和输出信号重合的非常好,几乎无失真,输出信号完全能够复现输人信号。

频率提高后位置跟踪波形(对应数字阀的最大开轻工机械 LightIndustryMachinery 2013年第3期(b)图2 1112110驱动电路Figure 2 IR2 1 1 0 drive circuit图 3 AS5045电路Figure 3 AS5045 circuitVD4度)见图6。

由图6可见,提高信号频率后,输出信号幅值有所衰减。在 100 Hz时,可以计算得到幅值衰减约为2.98dB。如果输人信号频率继续提高,幅值衰减不能够保持在3 dB以内,不能满足控制系统对动态性能的要求。因此该系统的频响为 100 Hz。

5 结语文中对空心杯直流伺服电.机械转换器控制器进行设计,并利用该控制器对空心杯直流电机进行位置控制。实验结果表明,设计的控制器能够实现空心杯直流伺服电机的精确定位和快速响应控制,并提高了数字伺服阀的频率响应。在 100 Hz输入信号的作用下,直流电机转子能够对输入信号进行实时跟踪,幅值衰减约为2.98 dB,实验结论为进-步提高数字伺服阀的频响研究打下基矗[自控 ·检测] 张 青 ,等:空心杯直流伺服电.机械转换器控制器设计 ·39·登搬鏊援M 腿 FGND图4 电流调理 电路Figure 4 Current conditioning circuitfs(a)频率1Iztfs(b)频率20FLz图5 位置频率响应Figure 5 Positionequency response善登腰善彗援c,s(a)频率50Hzs(b频率1O0Hz图6 频率提高后位置频率响应Figure 6 Positionequency responseafter increasingequency(下转第46页)- 46· 轻工机械 LightIndustryMachinery 2013年第3期图 6 伺服 系统性能测试平台Figure 6 Servo system performance test platform ,给定 f-,f 反馈 1.J L-。

0.0 3.4时间/8图7 转速为 240 r/min速度跟随曲线Figure 7 Speed of 240 r/min with curve5 结语针对交流 PMSM伺服系统工业诚控制精度要求高的特点,文中将模糊控制和 PI控制相结合应用于PMSM矢量控制,讨论了模糊 PI的转速调节器设计。

仿真和实验表明,模糊 PI控制相对传统 PI控制具有响应速度快,超调量小,稳态性能和鲁棒性良好的优点,可以更好地满足实际工况的要求。

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