基于 DSP 控制的无刷直流驱动器直接驱动机器人手臂.docx
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基于DSP控制的无刷直流驱动器直接驱动机器人手臂
基于DSP控制的无刷直流驱动器直接驱动机器人手臂
kĴ曾
现代永磁无刷直流（BLDC）的驱动器具有优异的高扭矩能力，这使它们适用于直接驱动机械手臂的应用中，但不幸的是，他们由传统的电流控制器控制时会产生转矩脉动。
用间接转矩检测瞬时转矩控制的方法，目的在于减少这样的转矩脉动。
对AT＆TDSP32，数字信号处理芯片，由于控制算法需要高速计算被用作控制器。
DSP电路已安装在原型卡和安装在微型计算机中作为程序开发系统和运行时的输入-输出控制器。
我们目前的设计，实施和拟议的实验结果是基于DSP瞬时转矩控制器。
关键词:
机器人、数字信号处理器、控制工程
采用高扭矩永磁（PM）电机的无刷直流（BLDC）驱动器适合于直接驱动伺服系统和机械手臂的应用中。
直接驱动系统的优势在于他们的能尽量减少与齿轮传动相关的摩擦和间隙。
然而，没有齿轮的并非没有其自身的问题。
直接驱动装置在低速时，转矩脉动的影响变得特别令人反感。
然而，利用高性能数字信号处理器（DSP）和快速开关功率器件，现在有可能实现一个瞬时转矩控制器与负责最终速度或伺服系统的位置响应外部循环的内部循环控制器。
这达到了扭矩特性闭环控制，因此具有优越的伺服性能。
传统的电流控制器的目标是迫使定子相电流尽可能接近为一个恒定的转矩指令提供（例如，一个理想的正弦曲线）的参考。
这些通常由模拟和数字器件的混合组合来达到。
然而，在许多情况下，转子磁通分布不可能是完全正弦波或梯形，从而导致转矩脉动。
使电机在次优条件下运行。
对于一个BLDC驱动瞬时转矩控制的概念，如图1所示。
三相逆变器和永磁电动机的组合被认为是可以从转矩控制器接受3位数字的命令转矩产生单元。
瞬时转矩反馈信号可以从机器参数和瞬时电流与转子位置的测量数值来估计。
因此，通过设计合适的控制算法，通过使用逆变器的直接数字控制可以消除转矩脉动。
这也将导致无刷直流电机驱动系统电动机的最佳操作，并带来改进的性能。
在本文中，设计，实施和采用了变结构战略建议瞬时转矩控制器的实验结果，为一个BLDC驱动器的内环控制被提出。
为实现基于DSP的转矩控制器，一个实验装置被构造。
该机械装置包括一个实验的PM电动机，电机耦合到的绝对位置传感器转子轴的一端，而另一端被耦合到一个非线性负载而形成单臂机器人。
因为所需要的控制算法的高速运算，一种数字信号处理芯片被用作控制器。
DSP电路是建立在这样一个原型卡上和安装在微型计算机中作为程序开发系统和运行时的输入-输出控制器。
瞬时转矩控制
图1级联电机驱动控制结构
级联控制结构通常采用直流无刷电机驱动（图1）。
这包括一个外环，它产生基准转矩指令来实现的所需的速度或位置，一个内环，它控制逆变器的开关，从而使电动机产生所希望的转矩。
内环，俗称的转矩或电流的控制器，也可以确保定子供给电流和转子磁通之间的同步。
此功能被称为电子通信，并一直优于传统刷式直流电动机的换向器和电刷。
大多数用于BLDC驱动器的传统内回路控制器依赖于传感器和控制实际相电流匹配一个正弦参考。
用这种方法的主要问题是会产生非理想的（即非正弦）的磁通分布，其结果是产生明显的转矩脉动。
瞬时转矩控制的方法是：
在这里作为一种替代传统的电流控制。
这种控制的目的是确保较大瞬时扭矩紧跟在外环控制器发出的转矩给定值。
转矩控制设计是基于可变结构策略（VSS），其中开关增益反相器是由数字控制器直接测定。
没有必要与PWM型调制和常规电流控制器相关联。
变结构策略
在变结构策略（VSS）系统，控制是否允许改变其结构的。
例如，每个反馈通路的增益可在两个值之间，根据一些规则进行切换。
这种变结构控制规律提供有效和强大的控制手段，在要被控制的参数具有超过一定范围变化的值，其结构参数具有非线性特性的情况下。
计算机技术的进步，例如DSP和高速开关电路，例如功率MOSFET，使VSS的控制驱动器实际执行成为现实。
本质上，VSS利用高速开关控制法来驱动所述非线性元件的状态轨迹到指定值，使选择用户的开关阀值在状态空间中，并且保持元件的状态轨迹在这个阀值内一段时间。
这个阀值称为开关或滑动阀值，因为如果状态轨迹在该元件阀值的上方，一个控制路径具有一增益，如果轨迹是在阀值之下，它具有不同的增益。
受阀值限制元件装置动态表示受控系统的行为。
由滑动阀值的合理设计，VSS达到控制的传统目标，如稳定，跟踪，调节等。
这种控制方案要求快速决策。
现在快速的处理器，如DSP的问世使之可行。
开关阀值的选择
所提倡的VSS扭矩控制器是使用的永久磁铁电机的dq模型来设计的，因为它方便两个正交相绕组的工作。
为了选择开关阀值，有必要确定相关的状态变量。
从机械的标准理论，以PM电机的扭矩变化为根据，利用dq变换为直轴电流id和正交轴电流iq的值的函数。
因此，状态变量选择为Id和Iq，即：
通过变换得到ABC域（常规三相表示）在dq领域的数学模型和计算公式如下：
式中R是绕组电阻（ABC域中的每个绕组，并假定每个定子绕组都一样），w是转子电气角速度，和）。
λD和λQ是各自的直轴和交轴转化通量。
在转化的数量上，这些计算公式如下：
id，id，和if是dq轴模型中的转换电流，Idd,Idq,Iqq和Iqf是等价转化电感。
因为PM电机将通过电压型变频器来驱动，该直轴电压Vd和交轴电压Vq被选择为控制量u，即：
要选择开关阀值，下面的因素是要考虑的。
1。
瞬时转矩响应应该尽可能快。
这是因为，在瞬态响应的可达到最大的带宽机械输出完全由它的限制。
2。
期望的转矩是要通过最小输入电流来实现。
这是为了最大限度地减少欧姆损耗，从而确保最大效率。
3。
电子换向，必须保持。
4。
不应该有稳态误差。
5。
转矩环路必须是稳定的，并且元件的参数值不应有明显变化。
由于直轴始终与转子磁通轴一致，引起力矩变化的只有i。
因此，一直保持标识id在零时刻，以致内部转矩由iq决定，得到目标
（2）。
瞬时转矩由下式给出：
其中K是在小型开关间隔t内假定的恒定的扭矩参数。
这相当于保持转矩角在90度。
通过调节IQ的基准值达到的转矩需求，目标
（1）也可以达到。
id和iq是转旋转假想的数量值，这些量控制定子供给电流和转子磁通，从而满足目标（3）之间意味着同步。
如果控制量输入在任何时候满足滑动模态的存在条件，目标（4）和（5）也被保证。
因此，开关阀值被选择为：
其中Idref=0,Tref是由外部环路控制器决定的力矩参考值。
控制功能
VSS控制功能被选择为：
其中Vd和Vq由使用VSS的设计规则来确定震级定标量。
这些选择都是基于矢量控制的理论。
控制器确定控制输入VD和VQ，它是在旋转dq域内考虑开关器件的状态轨迹的位置来确定的。
这些控制输入映射到逆变器的ABC电压矢量中。
为了使VSS的条件保持正确，它已经在数学上表示。
Vd和Vq必须满足下列不等式：
Vd和Vq的实际值由电机的运行期间获得可达到的最大速度确定。
逆变器所需的直流链路电压是由dq变换到Vd和Vq来计算。
VSS控制功能如（10）和（11）所示，因此u有四个可能的值（X，T）=[VD（X，T），VQ（X，T）]T。
为使得所述映射到实际的逆变器矢量是简单而有效的,控制功能的形式已被选择。
映射到矢量变频器
PM电动机是由三相电压型逆变器电桥驱动，如图2所示。
逆变器由三对功率MOSFET组成。
每一对工作在一个切换方式，即上层MOSFET导通和底部MOSFET关断为'1'命令，反之为'0'命令。
这种3字节控制信号被称为矢量。
可以有八个不同的向量。
表1列出了载体和MOSFET的状态。
矢量0和7被置零向量，因为无论接到正或负直流母线端子它们都可能造成短路到。
其余六个载体是活性载体。
要从控制输入的dq平面映射到实际的矢量变频中，电机转子周期分为12个区域。
据该12个区域的转子角，最新的逆变器的矢量被置有四个控制输入。
该结果已列于表2。
区域的数目和位置已经被确定，使得每个区域具有唯一的一组四个不同的控制输入向量。
实际上映射等同于规则：
图2三相MOSFET逆变桥
表1变频器矢量和MOSFET的状态
表2映射到变频器的矢量
其中a，b和c表示的是变频器矢量，Va，Vb和Vc的是从Vd和Vq逆变得到的。
从映射逻辑产生的向量被发送到分割后的MOSFET桥矢量的栅极来驱动电路以获得其补充，如图3所示。
采样频率应该是高的，一般至少10kHz，这样的电流的损耗是小的。
延迟应保持在最低限度。
因此，所设计的扭矩控制算法需要一个高速处理器如DSP，使得这一过程得以实现。
图4显示了扭矩控制装置的框图。
我们先前进行的模拟研究表明该控制方案是可行的。
利用转矩观测器的技术，它是基于科学地使用电动机方程和参数估计方法获得的瞬时扭矩反馈信号。
这种技术在参考6进行了详细阐述。
控制器实现
本节介绍了实验装置的实施细则，调查测议瞬时转矩控制技术的性能。
该实验装置的框图如图5所示。
图3控制器逆变器界面
控制设计采用了数字信号处理器作为控制器。
所使用的DSP是由AT＆T制造的DSP32设备
图4力矩控制器框图
图5块试验装置图
无刷直流驱动装置
该机械装置包括一个实验的PM电动机，转子轴的一端耦合到一个绝对型旋转光学编码器，而另一端是通过一个轴的扭矩检测器IO耦合的负载。
主电机pararneters摘要列于表3。
单臂机器人被用作高度非线性的负载，因为这将产生一个非常依赖于位置的负载力矩。
绝对编码器具有13位分辨率，每转子一个机械周期分为8192测量步骤。
它的输出代码基于格雷码格式。
扭矩检测器是扭矩传感器的位移型，其将其扭杆的扭转角度转换成相位差信号。
这个信号由一个计算和显示单元加工成成比例的转矩的模拟信号。
扭矩检测器能够检测到静态扭矩和低速时的瞬时扭矩波动（小于10转）。
根据控制器的性能需要，可用示波器显示瞬时扭矩。
一个电压供给三相逆变桥来驱动电机。
它由三对功率MOSFET及其栅极驱动电路组成。
栅极驱动器电路，能够确保为了避免击穿通过互补的MOSFET之间的切换延迟。
这些MOSFET能够切换速度超过100千赫。
直流母线电压是可调的。
直接由数字控制器产生的开关信号传送到网桥。
光电耦合器中使用栅极驱动电路，以隔离控制电路与电力电子设备。
相电流信号由霍尔效应电流传感器产生的。
这些换能器的输出是双极型量程20A的动态范围电流。
定子绕组是星形连接，只有两相电流需要被测定。
基于DSP的控制器
数字控制系统的核心是一个32位DSP。
这种特殊的设备被选择，是因为转矩控制算法需要非常快的计算来限制电流的波动。
DSP是一种专用的微处理器，有有限的指令集。
由于各种指令比一般的微处理器少，其体系结构进行了优化，能在流水线上高水平高效率地执行其任务，其吞吐量是非常高的。
表3机器参数
图6基于DSP的实验控制器
在DSP由微型计算机用作主机开发系统的控制应用程序的开发期间和实时实验和测试期间提供输入-输出设备的支持。
当应用程序已准备好进行实时检测，它被下载到DSP32装置的存储器空间。
该DSP32控制器被构造在一个原型卡，允许它被安装在微型计算机的ISA（工业标准结构）总线。
图6显示了基于DSP的控制器。
这种硬件设计方案允许快速的程序开发，调试和测试。
它也是通用的，因为它可以扩展为一个控制器，用于多电机布置。
对于一个实际的商用设计中，DSP可以用永久掩膜编程的充分测试的应用程序和设置其自身的输入输出设备，以便它可以作为一个单独的控制器来操作。
这里应注意的是，尽管用于获得在下一节中描述的实验结果的特定DSP是AT＆TDSP32，很清楚的是，这里所提出的技术也可以容易地由32位DSP器件的任何其他产品实现。
在我们目前的工作中得到成功应用的另一台设备是德州仪器的TMS320C30。
DSP32的接口
图7DSP32的连接
该DSP32的并行I/O（PIO）功能使得它能通过一个八位双向并行端口与外围设备进行通信。
它由PIO控制块，六个内部寄存器，错误控制逻辑和存储器刷新电路的DSP32片内RAM组成。
该PIO用在实验装置上，以允许微型计算机来下载应用程序到DSP32存储器。
在运行时，微型计算机也传递从模拟和数字输入-输出通过PIO的DSP32的数据。
微型计算机和DSP32之间的PIO接口示于图7。
该PIO有两种传输模式，DMA（直接存储器存取）或程序控制。
在DMA方式下，微型计算机由第一个写地址传送到内部PIO寄存器开始转印，即的起始地址，其中数据将被存储或从DSP32存储器中检索。
微电脑然后读取或写入数据或从到并行端口。
该读/写过程继续进行，直到微型计算机停止DMA操作。
在这种编程模式下，因为数据都存储在单独的内部寄存器PIO中，所以微机和DSP32可以同时访问PIO。
在编程模式中，DSP32的读或写操作是通过在DSP32应用程序中执行一个指令来完成的。
单片机的读或写操作是通过八位并行端口。
在我们的实验装置中，DMA模式下应用程序是下载到DSP32的存储器中。
控制应用程序运行时进入编程模式。
控制器的性能
瞬时转矩控制方案在上一节中所描述的实验装置中得以实现。
在本节中，我们检测已提出的瞬时转矩控制器的性能，并将它与已实现了的传统的正弦电流控制相比较。
第一次测试仅在内环进行。
此外，需要解决的一个更为重要的问题是在已提出的基于dsp的控制器的帮助下，典型的机器人应用是不是能得到改善。
这里测试也在外循环进行的，并且对位置和静力控制的机器人的典型应用的控制系统的性能做了研究。
内部闭环的转矩控制
转矩控制回路的采样时间被选为100us。
在每个采样周期开始时，相电流和转子位置信息被读入。
那么相电流数据转化为Id和Iq。
对于dq变换，sin（0）值和COS（0）的值是必需的。
这些值使用查表法获得。
使用VSS控制功能，适当的信号被发送到逆变器。
总的计算时间大约是12us。
与传统的正弦电流控制方法也作了比较。
图8使用瞬时转矩控制的转矩和相电流
图9使用正弦电流控制的转矩和相电流
图8显示的是使用瞬时扭矩技术获得的转矩和相电流。
本试验没有在外环控制器上运行。
设定1Nm的转矩参考，调整负载，以使电机的速度为约10转每分钟。
图9显示的是在相同的测试条件下由正弦电流控制器控制时的转矩和相电流。
有明显的脉动频率，频率大约是电流频率的6倍。
这与传统的正弦电流控制的理论相协调。
与图8相比，使用瞬时转矩控制技术时，转矩脉动有明显降低。
比较使用不同的控制器引起的转矩脉动，两个指数，转矩脉动的内容和转矩波动的因素是被用来量化转矩波动的程度的量。
指数的值越小，控制性能越好。
转矩脉动含量（TRC）被定义为：
其中Te（t）是瞬时扭矩和Tmean是平均扭矩。
转矩波动因子（TRF）被定义为
其中TPP是峰-峰值转矩脉动。
表4给出了两种控制方案的性能指标.结果一致表明，瞬时转矩控制能有效地减少转矩脉动。
表4转矩性能指数。
位置控制
在对于内环使用基于dsp的瞬时力矩控制器的位置控制应用中，外环使用位置控制算法可能使性能得到提高。
外循环的设计是基于变结构的策略。
利用正弦电流控制和瞬时转矩控制的位置控制器的响应示于图10。
结果表明，采用瞬时转矩控制获得的响应曲线速度快，但阻尼大无超调。
转矩脉动的减少使得外环位置控制器能以较少的控制工作实现其目标。
因此，瞬时转矩控制器提高了位置控制器的瞬态性能。
图10位置控制的实验结果（负载0.2Nm）;（a）瞬时转矩控制;（b）正弦电流控制
静力矩/力控制
基于DSP的瞬时扭矩控制器可以控制电机轴上的现成扭矩，即使在轴是静止的。
这是机器人技术很重要的重要应用，例如联合扭矩控制器。
在一个典型的多关节机器人中，每一个旋转接头有一个电机与自己的关节转矩控制器相连。
为了直接驱动机器人，没有一个电机用齿轮或联轴器与相连手臂传递力矩。
因此，发达扭矩也是联合扭矩。
作为典型的例子，在控制机器人的计算力矩的方法中，主控制器决定所相关的关节扭矩，对跟踪期望的轨迹末端效应式必需的。
各关节力矩控制器的功能是确保电机驱动扭矩跟踪其相关关节力矩。
因此，无论转子轴是静止的，还是转动的，关节扭矩控制器产生所需的转矩是很重要的。
下面的实验是评估静转矩控制的性能。
电机的轴被锁定在固定位置。
基于DSP的瞬时转矩控制器，用于一定相关力矩范围内控制静态力矩。
发达扭矩由扭矩传感器测量并绘制在图11中。
静转矩的典型步骤响应示于图12。
（虽然电或气隙转矩预计几乎瞬时响应，这里显示的结果是由该扭矩传感器测量到的机械轴扭矩的那个，因此有一个明显的上升时间）。
这些结果表明，利用基于DSP的控制器，有效的静转矩控制是能实现的。
图11开发静态转矩和转矩参考
图12静态扭矩阶跃响应（1.9Nm）
结论
在本文中，我们提出了对于无刷直流电机驱动器的内部循环的一个基于DSP的瞬时扭矩控制器的设计。
该控制器具有的优点是它大大减少了出现在使用传统电流控制器中的转矩脉动。
扭矩控制算法使用可变结构策略，并且需要高性能的DSP。
该控制器的扭矩性能得到了实验验证。
其他结果还表明，这种基于DSP的内部回路控制器使驱动器在位置和关节力矩控制机器人的典型应用中表现出更好的性能。
KJ曾在新加坡获工学学士学位，在英国剑桥大学获得了博士学位。
他一直在新加坡义安理工学院做位讲师。
他目前是新加坡南洋理工大学电子电气学院的讲师。
1988年以来，他曾参与研究电动力，驱动器和自运动控制。
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