舵机位置控制策略研究
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由仿真可以看出 , 当系统处于标称状态 、无 参数摄动时 , 在外部扰动下 , 二自由度鲁棒控制 器的性能要好于单自由度的典型二环 P I控制 。在 理想的无参数摄动情况下 , 各种控制器的性能差 别并不大 。当系统存在参数摄动时 , 各种控制器 的性能有了明显的差别 。从图中可以看出 , 对于 典型的 P ID 控制器 , 其阶跃响应出现明显的恶化 。 对于二自由度鲁棒控制器 , 由于 H ∞抗扰调节器的 存在 , 削弱了参数摄动及外部扰动对系统的影响 , 提高了系统的鲁棒性 , 改善了系统的干扰抑制特 性 , 位置跟踪较传统 P ID 控制器性能优良 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
舵机位置控制策略研究 张晓红 , 等
电源以及用于驱动全桥电路的电源均由直流开关 电源供电 。 112 位置检测
系统采用 IRF9540 作上桥控制 , IRF540 作下 桥控制 。MOSFET管的驱动电路采用 6N136高速光 耦和三极管组成 , 如图 2所示 。6N136高速光耦主 要用于隔离 。
图 2 无刷直流电动机全桥驱动回路
上桥 : 当 PWM1 = 0时 , T15管截止 , 光耦 U4 内部的发光管不工作 , 输出 U0 = 12 V , T9管截止 , T1 管 的 门 极 电 压 UTIG = 12 V , T1 管 截 止 。当 PWM1 = 313 V 时 , T1管导通 。
主电路 采 直 流 稳 压 电 源 。全 桥 电 路 由 6 个 MOSFET场效应管构成 , 如图 1所示 。
图 1 无刷直流电动机控制系统主电路原理图
图中 , T1、 T3、 T5 三个 P沟道 MOSFET构成 上桥 , 门级 G加负电压时导通 。 T2、 T4、 T6 三个 N 沟道 MOSFET构成下桥 , 门级 G加正电压时导 通 ; DSP所需要的 313 V 电源 、位置传感器的 5V
4 实验分析
实验中电机采用深圳铭雅戈电机有限公司的 无刷直流电动机 , 额定功率 : 1 487 W , 额定电压 : 80 V , 额定 电 流 : 1816 A , 额 定 转 速 : 3 307 r/ m in, 三相 Y型连接 , 二对极 。
图 6 ( a)为空载下电机的阶跃响应对比 。图 6 ( b)为空载下电机受到干扰后的阶跃响应对比 , 其 中红线为本文所提到的 Bang Bang / IP + H ∞控制 器 , 蓝线为传统的位置环 P I控制器 。
从图中可以看出 , 给定信号为 20°时 , 位置环 P I控制器的上升时间 tr = 0118 s, 调整时间 ts = 01275 s, 稳态误差为 ess = 2198°, 超调量 1163% ; Bang B ang / IP + H ∞控 制 器 的 上 升 时 间 为 tr = 01175 s, 调整时间为 ts = 01225 s, 稳态误差为 ess = 2152°, 无超调无震荡 。当受到干扰时 , 位置环 P I控制器的调节时间为 113 s, 有震荡 ; 而 B ang / IP + H ∞控制器的调节时间为 01575 s, 无震荡 。
下桥 : 当 PWM2 = 0 时 , T1 管截止 , T4 管导 通 。当 PWM2 = 313 V 时 , T1管导通 , T4管截止 。
电动机在运行过程中 , 在任何时刻都只有两 个开关管导通 , 也就是说一个上桥臂和一个下桥 臂 , 且同一相绕组中的两个桥臂不能直通 。而无 刷直流电机的正反转是通过改变开关管 MOSFET 的开通和关断的不同顺序实现的 。为了减少功耗 , 实验中采用上桥持续导通 , 只对下半桥加 PWM 调 制信号控制 [ 2 ] 。DSP通过改变载波 PWM 的占空比 来达到调速的目的 。
2 控制策略
在系统刚刚开始工作时误差很大 , 此时要解 决的问题是快速响应 ; 在误差较小时 , 要解决的 问题是稳态性和静差 。因此 , 为了获取更好的控 制效果 , 本文采用了 B ang2B ang控制器和鲁棒 - IP
控制器相结合的方式 , 在大误差时采用 Bang2Bang 控制器以满足快速响应减小误差的效果 [ 3 ] , 当误 差在一定范围内时采用鲁棒 - IP控制器以达到所 要求的稳定性和静差 。通过检测系统误差所处的 范围来采取不同的控制策略 , 可以使系统尽快地 向误差消除的方向运动 , 不但可以提高系统的快 速响应 , 而且还能避免积分饱和的现象 。本文采用 IP位置控制器和鲁棒控制器联合 [4 ] 。H ∞鲁棒控制 器 K1 ( s)的作用就是要使得被控对象在参数摄动及 外部扰动下对象模型摄动足够小。这样 , IP控制器 K2 ( s)的选取仅针对标称模型即可 , 如图 3所示。
收稿日期 : 2007210230 修回日期 : 2007212206 基金项目 : 河南省科技攻关项目 (200424220150)
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1 硬件设计
硬件设计包括无刷直流电动机主回路和控制 回路 。主回路由直流电源 、MOSFET全桥电路和电 机本体构成 。控制回路以 DSP芯片 TM S320F240为 核心 , 匹合外部电路构成位置 、速度闭环 , 同时 设置电流检测电路 , 进行过流保护 [ 2 ] 。 111 主电路
图 4 标称参数下 20 rad阶跃跟踪对比
2) H∞控制器和 P ID 控制器的对比 阶跃信号 20 rad给定 , 在 0 s和 3 s处增加脉 宽为 0106 s、幅值为 500的干扰脉冲 。其中有大范 围波动的是 P ID 控制器 , 另一个为所设计的复合控 制器 , 可见设计的控制器抗干扰能力高于 P ID 控制 器 。见图 5。
= 10, 速度环 KI = 130, Kp = 5。以上参数都依据部分 模型匹配法设定 , 且系统都加了电压饱和限制 - 80 V ～ +80 V。兰线为带有 H∞反馈控制器的结果。
1)阶跃及抗负载性能对比 标称参 数 下 扰 动 量 w 为 常 量 100 时 , 进 行 20 rad阶跃跟踪对比 。在 2 s处再突加 w = 200的阶 跃扰动 。仿真结果中红线 、兰线分别为常规 P I调 解器及 IP加 H∞控制器的仿真结果 , 如图 4所示 。
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
微电机
2008年第 41卷第 9期
图 5 H∞控制器和 P ID 控制器阶跃响应对比
图 3 IP加 H∞位置控制器的伺服系统
3 仿真研究
利用本文所设计的二自由度 H∞反馈控策略 、 IP位置控制策略组成的复合控制策略与常规的 P I 控制策略进行仿真比较研究 。
其中传统的 P ID 系统参数定为位置环 Kp1 = 19, 速度环 Kp = 316, KI = 27; 二自由度控制器位置环 Kp
位置信号检测是通过增量式光电编码器来实 现 , 输出信号为 A、B 正交信号 。光电编码盘每个 机械转有 1024 个脉冲输出 , 通过 4 陪频电路 , 达 到 4096脉冲 /转的分辨率 。
给定的位置模拟信号经接口电路送入 DSP的 ADC IN01端 , 位置给定的数字信号通过事件管理 器 B 的 QEP电路接受 。 113 全桥电路及功率驱动回路设计
[ 2 ] 庄凯 , 廖勇. 基于 DSP的永磁无刷直流电机控制系统设计 [ J ]. 微电机 , 2007, 40 ( 2) : 55257.
[ 3 ] R. W robel, M. kaniszyn, M. Jagiela, et al. A new App roach to Reduction of the Cogging Torque in a B rushless Motor by Ske2 wing Op tim ization of PermanentMagnets[ J ]. Electrical Engineer2 ing (A rchiv fur Elektrotechnik) May, 2003.
微电机
2008年第 41卷第 9期
中图分类号 : TM36 + 1 文献标志码 : A 文章编号 : 100126848 (2008) 0920058203
舵机位置控制策略研究
张晓红 1 , 徐丹旸 1 , 陈经林 2
(1. 河南科技大学 , 洛阳 471003; 2. 中铝河南铝业有限公司 , 洛阳 471003)
0 引 言
本文以舵机为对象研究基于 DSP的单电源无 刷电机位置伺服系统 。本系统同样可以应用于其 它单电源车载装置中 。舵机是飞行器中的高精度 位置伺服系统 , 其性能指标的优劣直接影响飞行 器的制导精度 。舵机伺服控制器接受制导计算机 给出的舵面偏角信号 , 驱动舵面快速偏转 , 从而 快速改变飞行器的航行姿势或航行轨迹 。近年来 , H∞控制一直是鲁棒控制的研究热点 , 尤其是基于 线性矩阵不等式 (LM I)求解方法的出现 , 使得 H∞ 控制问题的求解更加高效 。由于在大功率 、变负 载 、强冲击条件下伺服系统用传统 P ID 控制难以满 足良好的快速性 、准确性及稳定性的要求 , 可运用 鲁棒控制技术 、误差分离方法来设计控制器 , 在大 误差时采用 Bang2Bang控制器以满足快速响应 , 在 小误差时用 IP位置控制器和 H ∞控制器相结合的方 法来控制无刷直流电机 [1 ] 。文中介绍了系统的硬件 设计原理及控制策略 , 并进行实验研究 。
摘 要 : 以 TM S320LF2407A 为核心构成无刷直流伺服电动机转速 、位置闭环控制系统 。介绍了 系统的原理 、硬件设计及控制策略 。运用鲁棒控制技术 、误差分离方法来设计控制器 , 并进行 M atlab仿真 。仿真实验结果表明该控制方法的有效性 。 关键词 : 无刷直流电动机 ; 直流伺服电动机 ; 位置控制系统 ; DSP; H ∞控制
Research on Position Con trol Stra tegy of Steer ing Eng ine ZHANG Xiao2hong, XU Dan2yang, CHEN J ing2lin
(1. Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2. Henan A lum inium Industry (China) CO. , LTD , Luoyang 471003, China) Abstract: Proposed the theory, hardware design and strategy of a closed loop 2speed and position servo system w ith TM S320LF2407A DSP. Designed controller based on the robust control theory and the devia2 tion separate. The system was simulated w ith M atlab. Experimental & M atlab results showed the system had good dynam ic and static characteristics. Key W ords: BLDCM; DC servo motor; Position control system; DSP; H ∞ control
图 6 系统响应对比曲线
5 结 论
通过仿真及实验结果表明 , 本文所设计Hale Waihona Puke Baidu位 置控制系统能够使得系统鲁棒稳定 , 并能有效抑 制系统内部参数变化和非线性等不确定性及外界 负载干扰的影响 , 本系统的位置跟踪较传统 P ID 控 制器性能优良 。
参考文献
[ 1 ] 俞立. 鲁棒控制 ———线性矩阵不等式处理方法 [M ]. 北京 : 清华大学出版社 , 2002.
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
舵机位置控制策略研究 张晓红 , 等
电源以及用于驱动全桥电路的电源均由直流开关 电源供电 。 112 位置检测
系统采用 IRF9540 作上桥控制 , IRF540 作下 桥控制 。MOSFET管的驱动电路采用 6N136高速光 耦和三极管组成 , 如图 2所示 。6N136高速光耦主 要用于隔离 。
图 2 无刷直流电动机全桥驱动回路
上桥 : 当 PWM1 = 0时 , T15管截止 , 光耦 U4 内部的发光管不工作 , 输出 U0 = 12 V , T9管截止 , T1 管 的 门 极 电 压 UTIG = 12 V , T1 管 截 止 。当 PWM1 = 313 V 时 , T1管导通 。
主电路 采 直 流 稳 压 电 源 。全 桥 电 路 由 6 个 MOSFET场效应管构成 , 如图 1所示 。
图 1 无刷直流电动机控制系统主电路原理图
图中 , T1、 T3、 T5 三个 P沟道 MOSFET构成 上桥 , 门级 G加负电压时导通 。 T2、 T4、 T6 三个 N 沟道 MOSFET构成下桥 , 门级 G加正电压时导 通 ; DSP所需要的 313 V 电源 、位置传感器的 5V
4 实验分析
实验中电机采用深圳铭雅戈电机有限公司的 无刷直流电动机 , 额定功率 : 1 487 W , 额定电压 : 80 V , 额定 电 流 : 1816 A , 额 定 转 速 : 3 307 r/ m in, 三相 Y型连接 , 二对极 。
图 6 ( a)为空载下电机的阶跃响应对比 。图 6 ( b)为空载下电机受到干扰后的阶跃响应对比 , 其 中红线为本文所提到的 Bang Bang / IP + H ∞控制 器 , 蓝线为传统的位置环 P I控制器 。
从图中可以看出 , 给定信号为 20°时 , 位置环 P I控制器的上升时间 tr = 0118 s, 调整时间 ts = 01275 s, 稳态误差为 ess = 2198°, 超调量 1163% ; Bang B ang / IP + H ∞控 制 器 的 上 升 时 间 为 tr = 01175 s, 调整时间为 ts = 01225 s, 稳态误差为 ess = 2152°, 无超调无震荡 。当受到干扰时 , 位置环 P I控制器的调节时间为 113 s, 有震荡 ; 而 B ang / IP + H ∞控制器的调节时间为 01575 s, 无震荡 。
下桥 : 当 PWM2 = 0 时 , T1 管截止 , T4 管导 通 。当 PWM2 = 313 V 时 , T1管导通 , T4管截止 。
电动机在运行过程中 , 在任何时刻都只有两 个开关管导通 , 也就是说一个上桥臂和一个下桥 臂 , 且同一相绕组中的两个桥臂不能直通 。而无 刷直流电机的正反转是通过改变开关管 MOSFET 的开通和关断的不同顺序实现的 。为了减少功耗 , 实验中采用上桥持续导通 , 只对下半桥加 PWM 调 制信号控制 [ 2 ] 。DSP通过改变载波 PWM 的占空比 来达到调速的目的 。
2 控制策略
在系统刚刚开始工作时误差很大 , 此时要解 决的问题是快速响应 ; 在误差较小时 , 要解决的 问题是稳态性和静差 。因此 , 为了获取更好的控 制效果 , 本文采用了 B ang2B ang控制器和鲁棒 - IP
控制器相结合的方式 , 在大误差时采用 Bang2Bang 控制器以满足快速响应减小误差的效果 [ 3 ] , 当误 差在一定范围内时采用鲁棒 - IP控制器以达到所 要求的稳定性和静差 。通过检测系统误差所处的 范围来采取不同的控制策略 , 可以使系统尽快地 向误差消除的方向运动 , 不但可以提高系统的快 速响应 , 而且还能避免积分饱和的现象 。本文采用 IP位置控制器和鲁棒控制器联合 [4 ] 。H ∞鲁棒控制 器 K1 ( s)的作用就是要使得被控对象在参数摄动及 外部扰动下对象模型摄动足够小。这样 , IP控制器 K2 ( s)的选取仅针对标称模型即可 , 如图 3所示。
收稿日期 : 2007210230 修回日期 : 2007212206 基金项目 : 河南省科技攻关项目 (200424220150)
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1 硬件设计
硬件设计包括无刷直流电动机主回路和控制 回路 。主回路由直流电源 、MOSFET全桥电路和电 机本体构成 。控制回路以 DSP芯片 TM S320F240为 核心 , 匹合外部电路构成位置 、速度闭环 , 同时 设置电流检测电路 , 进行过流保护 [ 2 ] 。 111 主电路
图 4 标称参数下 20 rad阶跃跟踪对比
2) H∞控制器和 P ID 控制器的对比 阶跃信号 20 rad给定 , 在 0 s和 3 s处增加脉 宽为 0106 s、幅值为 500的干扰脉冲 。其中有大范 围波动的是 P ID 控制器 , 另一个为所设计的复合控 制器 , 可见设计的控制器抗干扰能力高于 P ID 控制 器 。见图 5。
= 10, 速度环 KI = 130, Kp = 5。以上参数都依据部分 模型匹配法设定 , 且系统都加了电压饱和限制 - 80 V ～ +80 V。兰线为带有 H∞反馈控制器的结果。
1)阶跃及抗负载性能对比 标称参 数 下 扰 动 量 w 为 常 量 100 时 , 进 行 20 rad阶跃跟踪对比 。在 2 s处再突加 w = 200的阶 跃扰动 。仿真结果中红线 、兰线分别为常规 P I调 解器及 IP加 H∞控制器的仿真结果 , 如图 4所示 。
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
微电机
2008年第 41卷第 9期
图 5 H∞控制器和 P ID 控制器阶跃响应对比
图 3 IP加 H∞位置控制器的伺服系统
3 仿真研究
利用本文所设计的二自由度 H∞反馈控策略 、 IP位置控制策略组成的复合控制策略与常规的 P I 控制策略进行仿真比较研究 。
其中传统的 P ID 系统参数定为位置环 Kp1 = 19, 速度环 Kp = 316, KI = 27; 二自由度控制器位置环 Kp
位置信号检测是通过增量式光电编码器来实 现 , 输出信号为 A、B 正交信号 。光电编码盘每个 机械转有 1024 个脉冲输出 , 通过 4 陪频电路 , 达 到 4096脉冲 /转的分辨率 。
给定的位置模拟信号经接口电路送入 DSP的 ADC IN01端 , 位置给定的数字信号通过事件管理 器 B 的 QEP电路接受 。 113 全桥电路及功率驱动回路设计
[ 2 ] 庄凯 , 廖勇. 基于 DSP的永磁无刷直流电机控制系统设计 [ J ]. 微电机 , 2007, 40 ( 2) : 55257.
[ 3 ] R. W robel, M. kaniszyn, M. Jagiela, et al. A new App roach to Reduction of the Cogging Torque in a B rushless Motor by Ske2 wing Op tim ization of PermanentMagnets[ J ]. Electrical Engineer2 ing (A rchiv fur Elektrotechnik) May, 2003.
微电机
2008年第 41卷第 9期
中图分类号 : TM36 + 1 文献标志码 : A 文章编号 : 100126848 (2008) 0920058203
舵机位置控制策略研究
张晓红 1 , 徐丹旸 1 , 陈经林 2
(1. 河南科技大学 , 洛阳 471003; 2. 中铝河南铝业有限公司 , 洛阳 471003)
0 引 言
本文以舵机为对象研究基于 DSP的单电源无 刷电机位置伺服系统 。本系统同样可以应用于其 它单电源车载装置中 。舵机是飞行器中的高精度 位置伺服系统 , 其性能指标的优劣直接影响飞行 器的制导精度 。舵机伺服控制器接受制导计算机 给出的舵面偏角信号 , 驱动舵面快速偏转 , 从而 快速改变飞行器的航行姿势或航行轨迹 。近年来 , H∞控制一直是鲁棒控制的研究热点 , 尤其是基于 线性矩阵不等式 (LM I)求解方法的出现 , 使得 H∞ 控制问题的求解更加高效 。由于在大功率 、变负 载 、强冲击条件下伺服系统用传统 P ID 控制难以满 足良好的快速性 、准确性及稳定性的要求 , 可运用 鲁棒控制技术 、误差分离方法来设计控制器 , 在大 误差时采用 Bang2Bang控制器以满足快速响应 , 在 小误差时用 IP位置控制器和 H ∞控制器相结合的方 法来控制无刷直流电机 [1 ] 。文中介绍了系统的硬件 设计原理及控制策略 , 并进行实验研究 。
摘 要 : 以 TM S320LF2407A 为核心构成无刷直流伺服电动机转速 、位置闭环控制系统 。介绍了 系统的原理 、硬件设计及控制策略 。运用鲁棒控制技术 、误差分离方法来设计控制器 , 并进行 M atlab仿真 。仿真实验结果表明该控制方法的有效性 。 关键词 : 无刷直流电动机 ; 直流伺服电动机 ; 位置控制系统 ; DSP; H ∞控制
Research on Position Con trol Stra tegy of Steer ing Eng ine ZHANG Xiao2hong, XU Dan2yang, CHEN J ing2lin
(1. Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2. Henan A lum inium Industry (China) CO. , LTD , Luoyang 471003, China) Abstract: Proposed the theory, hardware design and strategy of a closed loop 2speed and position servo system w ith TM S320LF2407A DSP. Designed controller based on the robust control theory and the devia2 tion separate. The system was simulated w ith M atlab. Experimental & M atlab results showed the system had good dynam ic and static characteristics. Key W ords: BLDCM; DC servo motor; Position control system; DSP; H ∞ control
图 6 系统响应对比曲线
5 结 论
通过仿真及实验结果表明 , 本文所设计Hale Waihona Puke Baidu位 置控制系统能够使得系统鲁棒稳定 , 并能有效抑 制系统内部参数变化和非线性等不确定性及外界 负载干扰的影响 , 本系统的位置跟踪较传统 P ID 控 制器性能优良 。
参考文献
[ 1 ] 俞立. 鲁棒控制 ———线性矩阵不等式处理方法 [M ]. 北京 : 清华大学出版社 , 2002.