用于繞線機(jī)的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制
『摘要1首先介紹了用于繞線機(jī)的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，分析了其工況特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制策略以及實(shí)現(xiàn)方法討論了無刷電機(jī)的速度閉環(huán)控制和電子剎車問題I最后簡(jiǎn)要報(bào)告了系統(tǒng)的調(diào)試情況
[關(guān)鍵詞]繞線機(jī)；無刷電機(jī)；數(shù)字信號(hào)控制器；控制策略
目前繞線機(jī)控制系統(tǒng)一般由CNC(Computer—
ized Numei-：ical C0ntr01)繞線機(jī)控制器、感應(yīng)電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)變頻器、步進(jìn)電機(jī)、光柵、機(jī)械剎車器組成．首先，繞線機(jī)要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有快速啟動(dòng)、快速剎車能力，特別在繞線機(jī)停車時(shí)要準(zhǔn)確(即cNc繞線機(jī)控制器設(shè)置繞100圈，電機(jī)轉(zhuǎn)100圈就得停止)，而一般的感應(yīng)電機(jī)變頻器沒有電子剎車的功能，只能依靠外部的電磁剎車，為此要增加電磁剎車器，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，剎車噪音大威本增加．
稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱無刷電機(jī))是繞線機(jī)控制系統(tǒng)的理想驅(qū)動(dòng)電機(jī)．眾所周知，無刷電機(jī)具有與有刷直流電動(dòng)機(jī)相媲美的起動(dòng)、調(diào)速和控制性能，即電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)重載(或過載)起動(dòng)和無級(jí)調(diào)速，特別是它可以根據(jù)無刷電機(jī)的霍爾信號(hào)比較精確地進(jìn)行繞線機(jī)的位置控制．這樣不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的機(jī)械和電路結(jié)構(gòu)，降低成本，而且還能提升系統(tǒng)的整體性能，使繞線機(jī)更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力．
本文首先介紹了用于繞線機(jī)的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，分析了其工況特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制策略以及實(shí)現(xiàn)方法，討論了無刷電機(jī)的速度采樣和電子剎車問題，最后簡(jiǎn)要報(bào)告了系統(tǒng)的調(diào)試情況．
1 系統(tǒng)組成及工況
繞線機(jī)的系統(tǒng)組成如圖l所示．該系統(tǒng)由220v交流電源供電，經(jīng)相控整流后變?yōu)?10 v直流電壓給控制器供電，選用310 V(Dc)、400 w、6 000RPM的無刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，系統(tǒng)由Dsc控制．無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收cNc繞線機(jī)控制器的信號(hào)進(jìn)
行啟動(dòng)停車控制．
DSC是系統(tǒng)的控制核心，其主要作用是：第一，根據(jù)霍爾信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷電機(jī)的換相等控制：第二，根據(jù)cNc繞線機(jī)控制器信號(hào)控制電機(jī)的啟動(dòng)停車．第三，根據(jù)cNc繞線機(jī)控制器給定速度信號(hào)進(jìn)行速度閉環(huán)控制．針對(duì)繞線機(jī)外部信號(hào)處理和無刷電機(jī)控制的需要，選用MIcROcHIP公司的16位微控制器dsPIC；30F2010作為本系統(tǒng)的控制芯片．
它有28個(gè)I／O口，大部分I／O口都具有25 mA的拉電流和灌電流．3個(gè)通用的16位定時(shí)器，12 KB片內(nèi)閃存空間，具有4個(gè)16位輸入捕捉／比較功能引腳，2個(gè)16位比較／PwM輸出功能引腳和電機(jī)控制PwM模塊．片內(nèi)6路l MsD s轉(zhuǎn)換速率的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器及3個(gè)外部電平中斷源等等．這款Dsc處理繞線機(jī)的外部控制信號(hào)和控制無刷電機(jī)很合適，在設(shè)計(jì)控制電路時(shí)不需要接入太多的外部電路，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、可靠．
2控制策略
依據(jù)繞線機(jī)的工況特點(diǎn)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其基本控制思想是：首先，根據(jù)cNc繞線機(jī)控制器給出的控制信號(hào)啟動(dòng)停止電機(jī)，繞線機(jī)在繞線時(shí)負(fù)載不是很大，這一點(diǎn)也有利于電機(jī)的快速啟動(dòng)、快速剎車和停車．cNc繞線機(jī)控制器要利用光柵進(jìn)行速度采集，然后根據(jù)控制器上的設(shè)置情況變化給定轉(zhuǎn)速信號(hào)．
系統(tǒng)的控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)．主程序只是對(duì)子程序進(jìn)行調(diào)用，具體功能由子程序執(zhí)行．子程序包括：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度閉環(huán)控制子程序、cNc控制器信號(hào)接收子程序、起動(dòng)子程序、停車子程序、剎車子程序等．控制器開始處于等待狀態(tài)，一旦檢測(cè)到cNc控制器的啟動(dòng)信號(hào)，就會(huì)讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，當(dāng)檢測(cè)到剎車信號(hào)時(shí)就啟動(dòng)剎車程序，當(dāng)轉(zhuǎn)到控制器設(shè)置的總?cè)?shù)時(shí)，電機(jī)自動(dòng)停車：然后控制器又進(jìn)入等待狀態(tài)．若電機(jī)在起動(dòng)或運(yùn)行過程中發(fā)生堵轉(zhuǎn)，也會(huì)自動(dòng)停車．程序如此不斷循環(huán)．
2．1 cNc控制器信號(hào)的接收
cNc控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有5條信號(hào)線，分別是公共端、剎車、速度調(diào)節(jié)用頻率信號(hào)，啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)切換．這些信號(hào)是cNc控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的傳送，需進(jìn)行光耦隔離．剎車、啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)切換信號(hào)都是電平信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離后由數(shù)字I／O口輸入，再通過數(shù)字濾波后得到．速度調(diào)節(jié)用頻率信號(hào)是可變的頻率信號(hào)，同樣經(jīng)過光耦隔離再由輸入捕捉引腳采集后進(jìn)行計(jì)算濾波最后得到給定速度信號(hào)．
2．2速度測(cè)量模塊
為了構(gòu)成無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)，需要準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速．對(duì)于無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的繞線機(jī)，不需要額外器件產(chǎn)生脈沖信號(hào)，只需用無刷電機(jī)換
相所需的霍爾脈沖信號(hào)即可．
由系統(tǒng)原理(圖2)可知，三相霍爾信號(hào)分別輸入到Dsc的電平中斷引腳，每次霍爾信號(hào)變化都會(huì)產(chǎn)生中斷，通過測(cè)量?jī)纱蜗噜徶袛嘀g的寬度，可以很方便地得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速．電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如下]： nh—spnm，60． (、)式中：s一6，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，”。是電機(jī)的轉(zhuǎn)速j”。是霍爾信號(hào)的中斷頻率．”。=60 nn／(sD)計(jì)算出電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速．
2．3速度閉環(huán)控制模塊
速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制(簡(jiǎn)稱PID控制)，其輸出是輸入的比例、積分和微分的函數(shù)，速度閉環(huán)控制如圖3所示．PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單參數(shù)容易整定，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此PID調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用．
式中：K，，幻，硒分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù)i Ef刖，Ef庀一1)分別為第庀次和庀一1次時(shí)的期望偏差值i Pf刖為第庀次時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出．PI【)調(diào)節(jié)器雖然易于使用，但受數(shù)字量上下限的影響，易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調(diào)節(jié)作用．所以，本程序采用了非線性變速積分的PID算法．非線性變速積分的PID算法的基本思想是：將PID調(diào)節(jié)器輸出限定在有效的范圍內(nèi)，避免Pf刖超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作范圍而產(chǎn)生飽和M]．
3電子剎車模塊
根據(jù)逆變控制框圖(圖4)，硒，＆，硒，虬，k，K都是IPM內(nèi)置的I∞T，而D，，D：，D，，D。，D，，Da分別是硒，硒，虬，幽，船，缸的寄生二極管，電子剎車主要是利用I∞T和二極管將電機(jī)繞組中的電能輸送到電容側(cè)，對(duì)電容充電．具體實(shí)現(xiàn)如下：硒，虬，心全關(guān)閉，硒，如，k以一定的占空比導(dǎo)通，D，，眈，D，，＆，硒，K，電容c，4，B，c繞組組成一個(gè)放電回路．通過控制硒，缸，k占空比的大小就能控制放電速度，也即控制電機(jī)減速速度，從而達(dá)到快速剎車的目的．
圖4逆變控制框圖
4試驗(yàn)情況
試驗(yàn)中用電流鉗測(cè)試4相的電流波形可以觀察剎車時(shí)的電流波形．為了防止剎車時(shí)電流變化太大沖擊繞組，在剎車時(shí)＆，硒，k占空比是由小到大慢慢增大(相電流波形如圖5所示)，這樣就不會(huì)造成比較大的沖擊．如果一開始就以比較大的占空比進(jìn)行放電會(huì)形成很大的沖擊(相電流波形如圖6所示)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明一開始就以比較大的占空比進(jìn)行放電會(huì)產(chǎn)生很大的剎車噪音．電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相電流如圖7所示，可以很清晰地看到6步換相，而且在換相的過渡期間電流變化比較大，這也是無刷
直流電機(jī)形成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因之一．
[參考文獻(xiàn)]
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