基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機(jī)控制系統(tǒng)裝置領(lǐng)域，特別涉及一種基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控 制器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國防、航空、智能產(chǎn)業(yè)、工業(yè)控制等行業(yè)的急速發(fā)展，對電機(jī)控制系統(tǒng)的需求 也日益擴(kuò)大，同時(shí)也對電機(jī)控制系統(tǒng)提出了更高的要求，要求系統(tǒng)能夠適應(yīng)工作環(huán)境的變 化且保持優(yōu)良的性能。因此，研發(fā)高性能的具有優(yōu)良適應(yīng)性的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有十分重大 的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
[0003] 目前，大多數(shù)類型的控制器的參數(shù)整定工作主要由人工手動(dòng)完成，通過觀察不同 參數(shù)下系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的規(guī)律來多次調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果不佳，且參數(shù)整定的 工作對操作人員的要求較高。如果參數(shù)整定的結(jié)果不理想便將系統(tǒng)投入使用，將會很大程 度上影響系統(tǒng)的性能，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服傳統(tǒng)的由操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)所帶來的局限性，本發(fā)明提供 了一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制方法。該控制器基于DSP數(shù)字信號處理器設(shè)計(jì)， 具備強(qiáng)大數(shù)字運(yùn)算和電機(jī)控制能力，同時(shí)開發(fā)了基于DSP的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器參數(shù)整定方 法，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制器速度、位置控制器PID參數(shù)自整定的實(shí)用化技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于智能 輪椅控制、無人割草機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、國防航空等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下的技術(shù)方案：一種基于一種參數(shù)自整定的電機(jī) 控制器及其控制方法，其特征在于：所述基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制方法 包括電機(jī)控制系統(tǒng)軟件和電機(jī)控制系統(tǒng)硬件，電機(jī)控制系統(tǒng)軟件包括主程序、各種中斷、轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量辨識模塊和PI參數(shù)自整定模塊，程序全部采用C語言編寫程序，并對各個(gè)功能模塊 合理封裝，采用電機(jī)模型分析，辨識出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的值，再結(jié)合PI控制器參數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 關(guān)系式直接計(jì)算出合適的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自整定，電機(jī)控制系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn) 包括轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算、位置環(huán)參數(shù)的計(jì)算、參數(shù)辨識與整定功能模塊、PID電機(jī)控制。
[0006] 電機(jī)控制系統(tǒng)硬件分為控制模塊和功率驅(qū)動(dòng)模塊兩部分，電機(jī)控制模塊主要包括 電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JATG仿真電路、電機(jī)控制電路、AD采樣電路和通訊電路、報(bào) 警電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要包括主驅(qū)動(dòng)電路、隔離和緩沖電路、過壓保護(hù)電路、欠電保護(hù)電 路、過流保護(hù)電路、過溫保護(hù)電路、短路保護(hù)電路，電樞電流過載保護(hù)電路，電源反接保護(hù)和 故障保護(hù)電路，核心處理板采用的核心芯片為TI公司的TMS320F2812處理器作為數(shù)字控制 系統(tǒng)的CPU。
[0007] 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算分為轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0009] 其中：T。為電流環(huán)一階等效傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)，Y m為相角裕度，T si為轉(zhuǎn)速環(huán)控 制器時(shí)間常數(shù)，ksp為轉(zhuǎn)速環(huán)控制的比例系數(shù)，《。為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)截止頻率，為電流環(huán)反饋 通道增益，k sf為轉(zhuǎn)速環(huán)反饋通道增益，K t為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞
頻率《。，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)相角裕度確定Tis的取值，最后根據(jù)IG Jjc^Hs(j?。）I = 1，確定 ksp的取值，
[0010] 具體來說，通過以下兩個(gè)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)：
[0015] 相比較轉(zhuǎn)速環(huán)而言，位置環(huán)的帶寬要低很多，因此可以考慮將轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)傳遞函 數(shù)等效為一階慣性環(huán)節(jié)：
例系數(shù)Kp。
[0018] PID電機(jī)控制采用數(shù)字式PID控制算法，電機(jī)控制系統(tǒng)由電流環(huán)、速度換、位置環(huán) 三閉環(huán)構(gòu)成，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)作為中環(huán)，位置環(huán)作為外環(huán)，依次對伺服電機(jī)進(jìn)行控 制，電流環(huán)可以提高電樞電流的響應(yīng)速度和保證系統(tǒng)的可靠性，速度環(huán)對負(fù)載變化起抗擾 作用，保證轉(zhuǎn)速迅速跟蹤上輸入信號，位置環(huán)則根據(jù)位置輸入信號使得電機(jī)迅速旋轉(zhuǎn)到指 定位置。
[0019] 采用以上技術(shù)方案的有益效果是：該基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制 方法通過提前辨識系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，把被控系統(tǒng)化為一階慣性環(huán)節(jié)和二階慣性環(huán)節(jié)，對PID 控制器控制參數(shù)進(jìn)行自整定，工程實(shí)用性更強(qiáng)?？刂破骶哂辛己玫碾姍C(jī)控制性能，同時(shí)能對 控制參數(shù)進(jìn)行自整定，得到電機(jī)控制系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)，使電機(jī)控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)更加復(fù)雜 的工況，滿足用戶高性能指標(biāo)的要求，具有重大的理論研宄價(jià)值和工程實(shí)踐意義?？蓮V泛應(yīng) 用于智能輪椅控制、無人割草機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、國防航空等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0021] 圖1是本發(fā)明基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制方法的電機(jī)控制系統(tǒng) 圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制方法的全數(shù)字三閉環(huán) 伺服控制結(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制方法的PID電機(jī)控制程 序流程圖；
[0024] 圖4是本發(fā)明基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制方法的控制器硬件設(shè) 計(jì)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制方法 的優(yōu)選實(shí)施方式。
[0026] 結(jié)合圖1和圖2出示本發(fā)明基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制方法的具 體實(shí)施方式：該基于一種參數(shù)自整定的電機(jī)控制器及其控制方法包括電機(jī)控制系統(tǒng)軟件和 電機(jī)控制系統(tǒng)硬件，電機(jī)控制系統(tǒng)軟件包括主程序、各種中斷、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識模塊和PI參 數(shù)自整定模塊，程序全部采用C語言編寫程序，并對各個(gè)功能模塊合理封裝，采用電機(jī)模型 分析，辨識出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的值，再結(jié)合PI控制器參數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系式直接計(jì)算出合適的 控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自整定，電機(jī)控制系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)包括轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算、位 置環(huán)參數(shù)的計(jì)算、參數(shù)辨識與整定功能模塊、PID電機(jī)控制。
[0027] 電機(jī)控制系統(tǒng)硬件分為控制模塊和功率驅(qū)動(dòng)模塊兩部分，電機(jī)控制模塊主要包括 電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JATG仿真電路、電機(jī)控制電路、AD采樣電路和通訊電路、報(bào) 警電路；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要包括主驅(qū)動(dòng)電路、隔離和緩沖電路、過壓保護(hù)電路、欠電保護(hù)電 路、過流保護(hù)電路、過溫保護(hù)電路、短路保護(hù)電路，電樞電流過載保護(hù)電路，電源反接保護(hù)和 故障保護(hù)電路，核心處理板采用的核心芯片為TI公司的TMS320F2812處理器作為數(shù)字控制 系統(tǒng)的CPU。
[0028] 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算：對于轉(zhuǎn)速環(huán)來說，設(shè)計(jì)人員往往追求的是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提 下，盡可能地提高轉(zhuǎn)速環(huán)的響應(yīng)速度。而系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度可以分別由閉環(huán)帶寬和 相角裕度進(jìn)行度量。
[0029] a?閉環(huán)帶寬
[0030] 系統(tǒng)閉環(huán)幅頻特性_3dB點(diǎn)對應(yīng)的頻率，為閉環(huán)帶寬值《b。帶寬和開環(huán)截止頻率 ?。（開環(huán)幅頻特性過零點(diǎn)對應(yīng)的頻率值）具有一致性，通常在控制器設(shè)計(jì)過程中，開環(huán)截止 頻率較容易獲得，因此常使用開環(huán)截止頻率代替閉環(huán)帶寬來表征系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
[0031] b?相角裕度
[0032] 定義《。為系統(tǒng)的截止頻率，幅頻特性為A (w)，則
[0033] A(?c) = |G(j?c)H(j?c) |。定義相角裕度為 y = 180。+ ZG(j?c)H(j?c)， 體現(xiàn)的含義是，對于閉環(huán)系統(tǒng)，如果系統(tǒng)開環(huán)相頻特性再滯后y度，則系統(tǒng)將處于臨界穩(wěn) 定狀態(tài)。
[0034] 相對于電流環(huán)和轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)來說，轉(zhuǎn)速環(huán)的響應(yīng)速度較慢，因此可以將電流環(huán) 的閉環(huán)傳遞函數(shù)等效為一階慣性環(huán)節(jié)，將轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)等效為比例環(huán)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)控制器 參數(shù)的設(shè)計(jì)。
[0035] 轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0037] 其中：T。為電流環(huán)一階等效傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)，Ym為相角裕度，Tsi為轉(zhuǎn)速環(huán)控 制器時(shí)間常數(shù)，ksp為轉(zhuǎn)速