直流无刷电机运动控制系统电流

直流无刷电机运动控制系统电流/速度调节器参数设计
一、实验目的
1.了解直流无刷运动控制系统速度控制的系统结构框图和硬件组成
2.了解DSP实现数字式电流/速度调节器
3.掌握电流/速度调节器参数调节对系统性能的影响
二、实验设备
序号名称备注
1运动控制实验箱天煌教仪
2直流无刷电动机附1024增量式编码器
3PC机安装运动控制软件平台
4存储示波器选用
三、实验线路和原理
1.直流无刷（BLDC）电机电流/速度调节器原理框图
图8－1 BLDC电机电流/速度调节器框图
在直流无刷运动控制系统中采用的是串级控制结构，对于电流控制器来说，需要一个16位的数字式PI调节器对其进行调整。

图中两相电流反馈Ia、Ib通过LEM公司的霍尔电流传感器进行测量，将输入的电流信号转换为输出的电压信号，经过功率放大电路电平转换后送到DSP控制芯片。

电流调节器根据由速度
调节器提供的电流参考I A *和电流反馈信号Ia 、Ib ，产生输出的电压参考值U A *。

DSP 根据电流调节器所提供的电压参考值U A *和直流无刷电机反馈回的位置信号，输出相应的PWM 信号，PWM 信号经功率放大级驱动后输出调制波形电压，从而驱动电机工作。

在速度调节器中，速度反馈信号由光电编码器提供，速度调节器把光电编码器反馈回来的速度信号Ωm 与程序所提供的参考信号Ω*m 比较，产生提供给电流调节器的I *A 信号。

2. 电流调节器参数调节
在本实验中电流回路通过一个离散的PI 调节器进行调节，其PI 调节的传递函数为：
C Ts z
Ki
Kp z R _1)(1
⨯-+
=- 式中Kp 为电流调节器比例系数，Ki 为积分系数，Ts_C 为电流环取样时间。

Kp 、Ki 的系数通过调整电流环回路电流动态响应曲线来获取（如图8-2所示），通常是由闭环回路所希望的动态性能来完成的。

图8-2 电流控制回路结构图
在MotionChip 芯片内部PI 调节器的执行如图8-3所示：
图8-3 MotionChip 电流调节器执行原理
由图可以看出，调节器需要外部输入下列参数：
I_ref ：参考电流，由下列三种方式产生：参考发生器（电流／转矩模式）、
速度调节器输出（配置了速度环）或位置／外部变量调节器输出（在位
置模式且没有速度调节器），本实验直接由参考发生器产生，即Ib 。

I_fbk ：电流反馈，即Ia 。

另外，还需考虑输入的值（电流采样比例系数）和输出的值（电压采样比例
系数）之间所需要的一些参数值（KPI ，SFTKPI 等等）以及调节器系数调整结果（Kp 和Ki ）。

下面是上述一些系数的计算关系，关系式中电流调节器的参数分别用Kp_crt 和Ki_crt 表示：
上式中Kif 为电流采样比例系数，通过电流传感器获取其数值，具体计算公式为：SFTCRT V A V CGa Kif 2
32767
*5.2]/[=
[bits/A]。

CGa 为电流传感器的增益系数，系统中选用了LEM 公司的HY 5－P 型的霍尔电流传感器，CGa 为0.8。

SFTCRT 为电流偏移量系数，通常设为默认值0；
由于DSP 芯片不能输入负的电压值，电机相电流信号是一个正弦信号，时正时负，所以在硬件电路中将正弦信号的电位提高为2.5V 。

对于大于2.5V 的电流信号，DSP 将其判断为正的电流信号，对于小于2.5V 的电流信号则判断为负的电流信号。

Kuf 为电压采样比例系数，通过直流电压传感器进行采样，计算关系式为：
]/[65536*]
[5]
/[V bits V V V Ugv Kuf =。

上式中Ugv ＝5/VdcMaxMeasurement [V/V ]。

VdcMaxMeasurement 为母线电压检测最大值，在“Amplifier ”中设定。

Kp_C_real 、Ki_C_real 通过在“Motion Studio ”中调整“Dump_C(阻尼系数)”、“PB_C(带宽)”的值来改变，当程序中阻尼系数和带宽的值改变后，会自动计算出你所要的PI 参数值。

3. 速度调节器参数调节
速度调节器采用的是一个PI 调节器，其PI 调节的传递函数为：
Kif Kuf
real C Kp crt Kp *
=___Kif Kuf
real C Ki crt Ki *
=___{
Kif
Kuf
real C Kp crt Kp *
=___
S Ts z Ki
Kp z R _1)(1
⨯-+
=- 式中Kp 为速度调节器比例系数，Ki 为积分系数，Ts_S 为电流环取样时间。

Kp 、Ki 的系数通过调整闭环回路来获取，通常是由闭环回路所希望的动态性能来完成的。

速度调节器还可以根据运动控制系统机械特性，对一些前馈信息进行处理，如：相关的加速度（受模型惯量影响）、相关的速度（受模型黏性摩擦影响）以及负载转矩（受模型负载转矩影响）。

其结构图如图8-4所示：
在DSP 控制芯片内部速度PI 调节器的执行如图3-4所示：
图8-4 带前馈速度调节器结构图
在MotionChip 芯片内部PI 调节器的执行如图8-5所示：
图8-5 MotionChip 速度调节器执行原理
由图可以看出，调节器需要外部输入下列参数：
● speed_ref ：参考速度，由下列方式产生：参考发生器（在速度模式）或
位置／外部变量调节器输出（在位置/外部变量模式）。

● speed_fbk ：速度反馈，通过速度传感器（光电编码器）反馈提供。

● acc_target ：目标加速度，由参考发生器提供。

● speed_target ：目标速度，由参考发生器提供。

● torque_load ：负载转矩，由负载转矩传感器提供。

同时输出下列参数：
● I_ref ：参考电流，电流调节器PI 调节的参考输入。

在输入和输出之间还需要一些数字表达的参数：比例部分（KPS 、SFTKPS ）、积分部分（KIS 、SFTKIS 、IMAXS ）、前馈部分（KFFA 、KFFS 、KFFL 、SFTKFF ）和饱和系数（SATS ）。

因此需要知道数字表达的参数（KPI 、SFTKPI 等）和调节器产生的系数（Kp 、Ki 等）之间的关系。

这些关系必须考虑输入比例系数（速度）和输出比例系数（电流）。

下面是相关系数的计算公式：
上式中Kif 为电流采样比例系数，通过电流传感器获取其数值，具体计算公式为：SFTCRT V A V CGa Kif 2
32767
*5.2]/[=
[bits/A]。

CGa 为电流传感器的增益系数，系统中选用了LEM 公司的HY 5－P 型的霍尔电流传感器，CGa 为0.8。

SFTCRT 为电流偏移量系数，通常设为默认值0；
Kvf 为速度采样比例系数，通过速度传感器进行采样，其计算公式为： π
2_*_S
Ts resolution PS Kvf =
在本实验系统采用脉冲编码器对速度进行估计，PS_resolution 的值为脉冲编码器分辨率的4倍，Ts_S 为速度环采样周期。

Kif
Kvf real S Kp spd Kp *
=___Kif
Kvf real S Ki spd Ki *
=___{
Kp_S_real、Ki_S_real通过在“Motion Studio”中调整“Dump_C(阻尼系数)”、“PB_C(带宽)”的值来改变，当程序中阻尼系数和带宽的值改变后，会自动计算出你所要的PI参数值。

四、实验内容
1.熟悉直流无刷运动控制系统电流/速度调节器的硬件构成
2.电流调节器PI调节对系统性能的影响。

3.速度调节器PI调节对系统性能的影响及各种PI参数下的速度控制。

4.直流无刷电机速度控制的控制
5.速度控制时电机启动和稳态时电流波形的观察
五、预习要求
1.预习直流无刷电机的工作原理及其速度检测的方法
2.仔细阅读运动系统电流/速度调节器的有关原理
3.PI参数对系统性能的影响，工程中常用的闭环频率特性带宽和阻尼系数
的设计方法。

1)电流
2)速度
4.光电编码器的工作原理，速度控制的误差与哪些因数有关。

六、思考题
1.比较速度调节器和电流调节器的带宽大小
2.在电流调节器的参数整定时，怎样判断调节器的性能好坏？
3.在速度调节器的参数整定时，如果电机出现振荡或转速不能达到预先设
定值，应分别如何调整？
4.理想速度调节器速度跟踪的时间一般为多少？
七、实验方法
1.熟悉运动控制软件开发平台的系统结构图和基本单元。

2.连接实验线路，检查无误后给控制电路通电（通电时先加控制电路电源，
后加高压电源；断电时也应先断高压电源，后断控制电路电源），运行
“Motion Studio”上位机软件，检查通讯是否成功（在软件状态栏中显
示）；如不成功请检查串口线和端口设置。

3.平台基本参数的设定。

其设定顺序为：
1)在上位机软件中通过依次选取下列选项：“New Project”→
“Brushless”→“Bldc”→“Position”→“Acpm750”→“Api”
→“BLDC_POSITION_ACPM750_API”，建立新的运动控制应用。

2)在“Configuration”配置中将“Motion Control Loops”对话框中选
择电流环和速度环。

关于各个对话框功能的说明见点击软件上“Help”
按钮打开的帮助文档。

3)点击“Motor”按钮打开电机定义对话框，电机定义方法是：在
“Database” 中选择“User”，在“Motor” 项中输入并保存你所用电
机的各种参数。

各参数说明见点击“Help” 后的帮助文档。

4)点击“Amplifier”按钮打开对话框，在“Board” 项中选择“ACPM750
v3.3”，点击“VDC Detection” 打开直流母线电压检测对话框，点击
“Start”进行直流母线电压检测，并把检测结果保存。

点击“Test Phase
connection” 打开一个对话框进行电机相位连接测试，该测试主要是
对A相、B相电流采样进行验证。

上述几个操作对话框的具体说明
见相应的帮助。

5)点击“Sensors”打开位置传感器对话框，点击“Test connections” 打
开编码器连接测试对话框，在这里你可以通过手动旋转电机轴来检
查编码器连接的对错；点击“Detect number of lines” 打开编码器相
位连接测试，同时对编码器的线数进行估计。

具体说明见对话框相
应的帮助。

6)在位置传感器对话框中点击“Next”进入霍尔传感器的测试，在这
里可以对直流无刷电机的霍尔信号的连接和结构进行测试。

7)点击“Controllers”打开控制器调节对话框，在这里进行调节器的参
数确认。

首先按“Tune”按钮进入PI参数设定。

图8－6 电流调节器PI参数设定对话框
在PI调节参数设定前，你可以电机定子阻抗等参数进行检测，方法是点击“Identification Resistance and Inductance” 按钮，在弹出的对话框（图2-6）中运行。

图8－7 定子阻抗检测
设定好相应的PI调节参数后，可以点击“Test”按钮进行测试。

8)点击“Tune”按钮进入速度调节器的参数整定对话框，如图8-8。

图
8-8 速度调节器参数调整
在该对话框中，你可以对速度调节器的一些参数进行整定，如：Dump_S （阻尼系数）、PB_S（带宽）等，通过对这些参数的整定，从而改变速度调节器的比例系数（Kp_S_real）和积分系数（Ki_S_real）。

从图中还可以看出，在设定过程中还可以对积分饱和系数进行设定。

通过点击“Identification Total Inertia”按钮进入转动惯量测试对话框，如图8-9，在此对话框中对电机的转动惯量进行测试。

图8-9 总的转动惯量测试
9)点击“Test”按钮打开速度调节器测试对话框（图8-10），在该对话
框中对电机的动态性能进行测试。

图8-10 速度调节器整定测试
10)点击“Motion”按钮打开运动控制顺序对话框，点击按钮或
“Code”下的TML语言程序打开控制设置。

在设置中选择“Speed”
模式，并在“Time”、“Reference”编辑框中分别输入相应的参考值，
给速度调节器提供速度参考。

同时选中其他不必要的点按“Delete”
键删除。

11)各种参数设置完成后，按按钮进行程序下载并运行。

4.电机速度控制时正反转的设定。

八、实验报告
1.画出速度控制控制下速度跟踪的波形
2.电流/速度调节器参数改变时，电机速度控制的性能（响应时间、速度跟
踪等）。