本發(fā)明涉及一種電流環(huán)路數(shù)字化方法，主要應(yīng)用于跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)中。

背景技術(shù)：

當(dāng)今雷達(dá)伺服系統(tǒng)在控制方式方面多采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)嵌套控制結(jié)構(gòu)。電流環(huán)是最內(nèi)環(huán)，在伺服系統(tǒng)中起著核心作用，它的快速性對整個(gè)系統(tǒng)的快速性的影響最為直接。從電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，伺服系統(tǒng)的輸入電流與電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有著直接關(guān)系，電流環(huán)使電流快速跟隨外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出量的變化，使伺服系統(tǒng)有足夠大的加速轉(zhuǎn)矩，因此，對電流控制的優(yōu)劣直接影響著系統(tǒng)的動靜態(tài)響應(yīng)性能。

目前，三環(huán)結(jié)構(gòu)的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中，電流環(huán)仍以模擬環(huán)路的形式為主。模擬電流環(huán)路需要設(shè)計(jì)專用的A/D采樣電路和校正電路，通過運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律，其控制線路復(fù)雜、通用性差，控制效果會受到器件性能、溫度因素的影響。

數(shù)字化電流環(huán)可以通過控制軟件對反饋信號進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，采用軟件靈活地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律，也避免了控制精度受器件溫度漂移的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于DSP的電流環(huán)路數(shù)字化方法，以高性能DSP為核心設(shè)計(jì)數(shù)字化電流環(huán)控制器，大幅度簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了可靠性；DSP高速、實(shí)時(shí)的運(yùn)算能力，為復(fù)雜有效的控制算法的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，有利于先進(jìn)控制理論的工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)建立電流環(huán)數(shù)學(xué)模型其中，電流環(huán)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)，G₁(s)、G₂(s)、G₃(s)分別為驅(qū)動電機(jī)的零階保持器、PWM功放、電機(jī)電樞回路的傳遞函數(shù)，D(s)為電流環(huán)控制器的傳遞函數(shù)，K為比例環(huán)節(jié)，C(s)為輸出信號，R(s)為輸入信號；

2)選用霍爾傳感器對電樞電流信號進(jìn)行采樣，作為電流環(huán)路的反饋信號進(jìn)行閉環(huán)控制，電樞電流信號采樣周期T取1/10f_B，f_B＝ω_B/2π，ω_B是連續(xù)系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬；

3)利用控制系統(tǒng)分析儀對電流環(huán)固有頻率特性進(jìn)行測量，控制系統(tǒng)分析儀產(chǎn)生的正弦信號通過A/D變換后送入DSP，DSP輸出占空比變化的PWM信號給功放后引起電機(jī)電樞電流的變化，電流信號由霍爾傳感器反饋給控制系統(tǒng)分析儀，從而得到電流環(huán)從PWM信號輸出到霍爾傳感器輸出之間的固有頻率特性；根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)增益、截止頻率以及穩(wěn)定裕度指標(biāo)，確定期望的系統(tǒng)開環(huán)頻率特性；

4)采用PI調(diào)節(jié)器把電流環(huán)校正成I型系統(tǒng)，傳遞函數(shù)其中，K_i為比例系數(shù)，T_i為積分時(shí)間常數(shù)，比例系數(shù)確保超調(diào)量在5％以內(nèi)，L_a為電樞電感，R_a為電樞電路的電阻。

本發(fā)明的有益效果是：根據(jù)實(shí)際選用的功放、電機(jī)及霍爾傳感器參數(shù)進(jìn)行建模，系統(tǒng)線性分析得到了模擬電流環(huán)及數(shù)字電流環(huán)的開環(huán)頻特性曲線及閉環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線。可以看出，數(shù)字電流環(huán)具有良好的動態(tài)性能及穩(wěn)定性。

與模擬電流環(huán)相比，數(shù)字電流環(huán)在技術(shù)上具有以下優(yōu)勢：

(1)數(shù)字控制器通過DSP軟件來實(shí)現(xiàn)，通過控制軟件對反饋信號進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，易于靈活地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律，電流環(huán)的數(shù)字校正策略更加靈活，且控制器參數(shù)易調(diào)整；

(2)電流反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理，電流環(huán)誤差信號是容易處理的數(shù)字量，在軟件中可以對誤差數(shù)字量進(jìn)行判斷，對輸出進(jìn)行限幅保護(hù)，這對于電機(jī)及功放的保護(hù)具有實(shí)際意義；

(3)電流傳感器采用霍爾傳感器，經(jīng)過A/D變換后采集到DSP芯片，DSP芯片的高采樣率提高了電流信號測量的靈敏度，降低了電流信號對噪聲的靈敏度；

(4)電流環(huán)數(shù)字化使得伺服控制的三個(gè)環(huán)路均實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，使全數(shù)字伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為了可能。

附圖說明

圖1是數(shù)字電流環(huán)示意圖；

圖2是模擬電流環(huán)與數(shù)字電流環(huán)的開環(huán)頻率特性曲線圖；

圖3是模擬電流環(huán)與數(shù)字電流環(huán)的閉環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

電流環(huán)的數(shù)字化難點(diǎn)在于數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)，數(shù)字控制器在伺服系統(tǒng)中的工作，就是實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、處理、邏輯判斷和存儲，最后實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)。這些工作需要在一個(gè)很短的采樣周期(一般幾個(gè)ms)內(nèi)完成的，要求處理器對伺服系統(tǒng)的各種信號能實(shí)時(shí)地進(jìn)行處理。

本發(fā)明應(yīng)用新型DSP芯片TMS320F28335來實(shí)現(xiàn)電流環(huán)路的數(shù)字化，電樞電流信號的采集、電流環(huán)誤差的產(chǎn)生、數(shù)字校正均在DSP內(nèi)完成。

TMS320F28335時(shí)鐘頻率最高達(dá)150MHz，單指令周期為6.67ns，片內(nèi)具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC，ADC模塊的時(shí)鐘頻率最高為25MHz，最高轉(zhuǎn)換率為80ns，可以滿足電樞電流采樣的要求，提供的兩個(gè)采樣保持電路，可實(shí)現(xiàn)方位、俯仰電機(jī)電樞電流信號的同步采樣。利用ADC模塊采集到的電流信號，經(jīng)過軟件濾波處理后實(shí)現(xiàn)電流環(huán)數(shù)字閉環(huán)，從根本上消除了模擬電流環(huán)控制線路復(fù)雜、控制精度受器件溫度漂移影響、電路參數(shù)變化對伺服回路特性影響大、可靠性差以及控制器不易更改的缺點(diǎn)。

本發(fā)明基于DSP芯片TMS320F28335進(jìn)行了數(shù)字電流環(huán)的設(shè)計(jì)，利用該芯片快速的運(yùn)算能力進(jìn)行電流環(huán)誤差與數(shù)字控制器的計(jì)算以實(shí)現(xiàn)電流環(huán)數(shù)字閉環(huán)。數(shù)字電流環(huán)設(shè)計(jì)分為五個(gè)步驟：

1)建立數(shù)字電流環(huán)數(shù)學(xué)模型

電流環(huán)由驅(qū)動電機(jī)的電樞回路、PWM功放、電流傳感器及電流環(huán)控制器組成。設(shè)G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)，G₁(s)為零階保持器的傳遞函數(shù)，G₂(s)為PWM功放的傳遞函數(shù)，G₃(s)為電機(jī)電樞回路的傳遞函數(shù)，D(s)為電流環(huán)控制器的傳遞函數(shù)，電流傳感器的傳遞函數(shù)H(s)近似為比例環(huán)節(jié)K，可以寫出電流環(huán)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：

其中C(s)為輸出信號，R(s)為輸入信號。

根據(jù)所選用的功放、驅(qū)動電機(jī)及電流傳感器的參數(shù)寫出功放及驅(qū)動回路的具體傳遞函數(shù)。

2)電樞電流信號采樣

對電樞電流信號進(jìn)行采樣作為電流環(huán)路的反饋信號進(jìn)行閉環(huán)控制。電樞電流信號采樣周期的確定是數(shù)字電流環(huán)設(shè)計(jì)中著重考慮的因素。選擇過大或過小都會給控制效果或系統(tǒng)的動態(tài)性能帶來負(fù)面的影響。通常跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)的采樣周期近似取為T≈1/10f_B，其中f_B＝ω_B/2π，ω_B是連續(xù)系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬，應(yīng)根據(jù)電流環(huán)的帶寬來確定采樣周期。

本發(fā)明中電流傳感器選用霍爾傳感器，應(yīng)用DSP來實(shí)現(xiàn)電流信號的高頻率采樣，其內(nèi)部的ADC模塊能夠滿足采樣周期以及轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求，運(yùn)算能力能夠滿足在電流環(huán)采樣周期內(nèi)能完電流數(shù)據(jù)讀取與處理、電流環(huán)誤差的計(jì)算。在采樣方式上采用級聯(lián)排序方式進(jìn)行A/D變換，并一次完成對16通道信號采樣。本發(fā)明中實(shí)際只有方位、俯仰電機(jī)電樞電流兩路信號，為了充分利用資源，把每路電流信號安排到8路A/D通道上去，啟動一次ADC就可實(shí)現(xiàn)對電流信號的多次采樣，并對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值濾波得到電流反饋值。

3)固有頻率特性測量

利用控制系統(tǒng)分析儀對電流環(huán)固有頻率特性進(jìn)行測量，控制系統(tǒng)分析儀產(chǎn)生的正弦信號通過A/D變換后送入DSP，DSP輸出占空比變化的PWM信號給功放后引起電機(jī)電樞電流的變化，電流信號由霍爾傳感器反饋給控制系統(tǒng)分析儀，這樣可以得到電流環(huán)從PWM信號輸出到霍爾傳感器輸出這部分的固有頻率特性。根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)增益、截止頻率以及穩(wěn)定裕度指標(biāo)，確定期望的系統(tǒng)開環(huán)頻率特性。

4)數(shù)字控制器設(shè)計(jì)

采用PI調(diào)節(jié)器，把電流環(huán)校正成I型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：

其中，K_i為比例系數(shù)，T_i為積分時(shí)間常數(shù)。比例系數(shù)取決于所需的環(huán)路截止頻率和動態(tài)性能，希望超調(diào)量控制在5％以內(nèi)。為了讓電流環(huán)校正環(huán)節(jié)零點(diǎn)對消掉控制對象的大時(shí)間常數(shù)，選擇L_a為電樞電感，R_a為電樞電路的電阻。

依據(jù)系統(tǒng)開環(huán)頻率特性該特性與測得的固有頻率特性的區(qū)別確定數(shù)字控制器的參數(shù)。

5)閉環(huán)特性測試，驗(yàn)證控制器參數(shù)

利用控制系統(tǒng)分析儀對電流環(huán)閉環(huán)特性進(jìn)行測試，測試方法與固有頻率特性測試方法類似，不同是將霍爾傳感器輸出信號經(jīng)過A/D變換后接入DSP。測試可以驗(yàn)證系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬、帶內(nèi)峰值等指標(biāo)，也可以通過測試系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)驗(yàn)證系統(tǒng)的時(shí)域動態(tài)性能指標(biāo)。如果指標(biāo)不滿足，調(diào)整數(shù)字控制參數(shù)，重復(fù)步驟五。

本發(fā)明的實(shí)施例包括以下步驟：

1.建立數(shù)字電流環(huán)數(shù)學(xué)模型

參見圖1，電流環(huán)由驅(qū)動電機(jī)的電樞回路、PWM功放、電流傳感器及電流環(huán)控制器組成，電流環(huán)控制器由DSP芯片實(shí)現(xiàn)。速度環(huán)的誤差信號校正后作為電流環(huán)的參考輸入信號與電流反饋信號相減產(chǎn)生電流環(huán)誤差信號，該信號校正后就決定了輸入給功放電路的PWM信號的占空比。在數(shù)字電流環(huán)中，電流環(huán)誤差的產(chǎn)生、PWM信號的產(chǎn)生、電流環(huán)控制器均由DSP完成。

DSP直接產(chǎn)生PWM信號，送給功放模塊實(shí)現(xiàn)對力矩電機(jī)的驅(qū)動；電流傳感器選用霍爾傳感器，霍爾傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理后由DSP內(nèi)部的ADC模塊進(jìn)行采集，通過軟件進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制。

設(shè)G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)，從DSP的輸出到PWM信號的產(chǎn)生用零階保持器近似，G₁(s)為零階保持器的傳遞函數(shù)，G₂(s)為PWM功放的傳遞函數(shù)，G₃(s)為電機(jī)電樞回路的傳遞函數(shù)，D(s)為電流環(huán)控制器的傳遞函數(shù)，電流傳感器的傳遞函數(shù)H(s)近似為比例環(huán)節(jié)K，可以寫出電流環(huán)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：

其中C(s)為輸出信號，R(s)為輸入信號。

根據(jù)所選用的功放、驅(qū)動電機(jī)及電流傳感器的參數(shù)寫出功放及驅(qū)動回路的具體傳遞函數(shù)。根據(jù)本發(fā)明中實(shí)際選用的功放、電機(jī)及霍爾傳感器，得到：其中T為采樣周期；其中K_PWM為功放的電壓放大倍數(shù)，T_PWM為功放的時(shí)間常數(shù)，T_PWM＝1/f，f為功放的切換頻率；其中Ra為電樞電路的電阻，Ta為電機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)，Ta＝La/Ra，La為電樞電感；K取0.0326。

2.電樞電流信號采樣

對電樞電流信號進(jìn)行采樣作為電流環(huán)路的反饋信號進(jìn)行閉環(huán)控制。電樞電流信號采樣周期的確定是數(shù)字電流環(huán)設(shè)計(jì)中著重考慮的因素。選擇過大或過小都會給控制效果或系統(tǒng)的動態(tài)性能帶來負(fù)面的影響。通常跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)的采樣周期近似取為T≈1/10f_B，其中f_B＝ω_B/2π，ω_B是連續(xù)系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬，因此應(yīng)根據(jù)電流環(huán)的帶寬來確定采樣周期。

本發(fā)明中應(yīng)用DSP來實(shí)現(xiàn)電流信號的高頻率采樣，其內(nèi)部的ADC模塊能夠滿足采樣周期以及轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求，運(yùn)算能力能夠滿足在電流環(huán)采樣周期內(nèi)能完電流數(shù)據(jù)讀取與處理、電流環(huán)誤差的計(jì)算。在采樣方式上采用級聯(lián)排序方式進(jìn)行A/D變換，并一次完成對16通道信號采樣。本發(fā)明中實(shí)際只有方位、俯仰電機(jī)電樞電流兩路信號，為了充分利用資源，把每路電流信號安排到8路A/D通道上去，這樣啟動一次ADC就可實(shí)現(xiàn)對電流信號的多次采樣，并對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值濾波得到電流反饋值。

由DSP定時(shí)器1的中斷服務(wù)程序啟動ADC模塊，即0.05ms啟動一次A/D變換，將ADC的輸入時(shí)鐘ADC clock設(shè)置為最高頻率12.5MHz，充分發(fā)揮ADC模塊的最大功能，以減少轉(zhuǎn)換時(shí)間。TMS320F28335的ADC模塊偏移誤差為±15LSB，增益誤差為±30LSB，芯片出廠時(shí)OTP(One-time programmable Rom)中寫有程序ADC_cal()，調(diào)用該程序可以用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)初始化相關(guān)寄存器以減小轉(zhuǎn)換誤差。

3.固有頻率特性測量

利用控制系統(tǒng)分析儀對電流環(huán)固有頻率特性進(jìn)行測量，控制系統(tǒng)分析儀產(chǎn)生的正弦信號通過A/D變換后送入DSP，DSP輸出占空比變化的PWM信號給功放后引起電機(jī)電樞電流的變化，電流信號由霍爾傳感器反饋給控制系統(tǒng)分析儀，這樣可以得到電流環(huán)從PWM信號輸出到霍爾傳感器輸出這部分的固有頻率特性。根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)增益、截止頻率以及穩(wěn)定裕度指標(biāo)，確定期望的系統(tǒng)開環(huán)頻率特性。

4.數(shù)字控制器設(shè)計(jì)

采用PI調(diào)節(jié)器，把電流環(huán)校正成I型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：

其中，Ki為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)。比例系數(shù)取決于所需的環(huán)路截止頻率和動態(tài)性能，希望超調(diào)量控制在5％以內(nèi)。為了讓電流環(huán)校正環(huán)節(jié)零點(diǎn)對消掉控制對象的大時(shí)間常數(shù)，選擇La為電樞電感，Ra為電樞電路的電阻。

依據(jù)系統(tǒng)開環(huán)頻率特性該特性與測得的固有頻率特性的區(qū)別確定數(shù)字控制器的參數(shù)，取Ki為9.935。

參見圖2、圖3，使用Matlab軟件及simulink工具箱搭建電流環(huán)仿真模型，對電流環(huán)進(jìn)行仿真。實(shí)線為模擬電流環(huán)曲線，虛線為數(shù)字電流環(huán)曲線。模擬電流環(huán)開環(huán)增益52.9dB，截止頻率65.3Hz，相位裕度67.7°，閉環(huán)帶寬97.6Hz，上升時(shí)間約為3ms，超調(diào)量2.8％。數(shù)字電流環(huán)相位裕度略微減小，變?yōu)?2.1°，超調(diào)量2.26％。

5.閉環(huán)特性測試，驗(yàn)證控制器參數(shù)

利用控制系統(tǒng)分析儀對電流環(huán)閉環(huán)特性進(jìn)行測試，測試方法與固有頻率特性測試方法類似，不同是將霍爾傳感器輸出信號經(jīng)過A/D變換后接入DSP。測試可以驗(yàn)證系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬、帶內(nèi)峰值等指標(biāo)，也可以通過測試系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)驗(yàn)證系統(tǒng)的時(shí)域動態(tài)性能指標(biāo)。如果指標(biāo)不滿足，調(diào)整數(shù)字控制參數(shù)，重復(fù)步驟五，直到調(diào)整到滿足系統(tǒng)指標(biāo)為止。