徐麗琴，羅先喜，邵華梅

（1.東華理工大學(xué)研究生院，南昌 330013；2.東華理工大學(xué)300實驗室，南昌 330013）

0 引言

隨著伺服控制系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天等領(lǐng)域不斷被廣泛應(yīng)用，人們對其產(chǎn)品的技術(shù)含量和性價比等方面有著越來越高的期待和需求，尤其我國工業(yè)機器人的制造業(yè)在經(jīng)濟市場中占據(jù)了很大比例，這直接成為了國家整體綜合實力的重要指標(biāo)[1－7]。本文設(shè)計的交流伺服系統(tǒng)中，因PMSM結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無需勵磁電流等優(yōu)點作為電機首選對象，建立基于改進(jìn)型滑模觀測器伺服系統(tǒng)模型，實驗分析新型滑模算法是否滿足控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。

1 PMSM電機滑模無感驅(qū)動原理

整個伺服系統(tǒng)的控制策略是矢量控制，選取了id＝0的方式控制永磁同步電機轉(zhuǎn)速。啟動電機后，AD模塊采集三相定子的實際相電流和相電壓，在新型滑模觀測器的估算下得到轉(zhuǎn)子實際位置和速度信息，經(jīng)過矢量控制和PI算法對速度誤差的處理得到給定矢量合成電壓，再結(jié)合SVPWM運算來控制定時器輸出六路PWM信號波，驅(qū)動三相逆變橋中MOS導(dǎo)通閉合的持續(xù)時間，進(jìn)而驅(qū)動電機精確跟蹤給定信號。

2 總體方案設(shè)計

伺服系統(tǒng)控制性能是否良好絕大部分取決于處理器對MIMO信號系統(tǒng)的吞吐能力。為了提高調(diào)速系統(tǒng)的精確度，本文選取STM32F103作為主控芯片來處理電流、電壓以及內(nèi)部運算等。該芯片內(nèi)核是Cortex－M3，處理器最高主頻72 MHz，處理能力高達(dá)90 MIPS，定時精度達(dá)13.9 ns，具備12 bit精度的ADC，滿足高性能、低功耗、低成本的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)要求[8－11]。整體的硬件系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 滑?？刂扑欧到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)接收到上位機位置伺服指令時，雙閉環(huán)中的電流環(huán)起主導(dǎo)作用，以最大加速度啟動電機，電流檢測模塊和電壓檢測模塊通過ADC實時反饋新信息到芯片中，芯片內(nèi)部的控制器結(jié)合反饋的實際電流值、滑模觀測器估算的轉(zhuǎn)子位置量和角速度信息，產(chǎn)生新的六路PWM信號，經(jīng)過GPIO接口送入驅(qū)動模塊；MAX232串口連接PC和控制板，JTAG接口可下載程序以及實時調(diào)試。由主控模塊的GPIO口輸出信號微弱的六路PWM波后，需要經(jīng)過驅(qū)動電路放大PWM信號波的電壓來驅(qū)動電壓控制型半導(dǎo)體器件IRF540NS，這款場效應(yīng)管具有功耗低、輸入電阻高、噪聲小等特點，完全滿足實驗要求，如圖2所示。

圖2 逆變模塊電路

由于在逆變模塊中，3個采樣電阻所采集的定子相電流是交流信號，不能被主控芯片的ADC通道完全接收，所以，采樣電流需要經(jīng)過偏移和運放電路，再輸入芯片的AD端口。在主控芯片為3.3 V的供電情況下，將定子相電流信號提高1.65 V來滿足AD的輸入信號標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 三電阻電流采樣電路

由于實驗中需要多種電源供電，比如15 V的驅(qū)動模塊、24 V的逆變電路和母線電壓檢測電路、3.3 V的控制板模塊等，因此，本文采用24 V直流源經(jīng)過XL2576S－ADJ芯片電路，輸出15 V電壓，再經(jīng)過XL2576S－5.0和ASM1117－3.3芯 片 電 路 輸 出 穩(wěn) 定 電 源3.3 V，如圖4所示。

圖4 15 V電源模塊電路

圖5 5 V電源模塊電路

圖6 3.3 V電源模塊電路

3 伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序

軟件在Keil5環(huán)境下用C語言編譯。系統(tǒng)主程序初始化配置系統(tǒng)時鐘源、ADC模塊、定時器、按鍵模塊、中斷向量表、電機啟動狀態(tài)以及新型滑模算法參數(shù)等。其流程如圖7所示。

圖7 主程序流程

3.2 中斷服務(wù)子程序

通過配置定時器4通道定時特定時間，啟動AD完成1次數(shù)據(jù)采集，從而觸發(fā)中斷更新比較寄存器值，系統(tǒng)滴答定時器每500 ms進(jìn)入中斷調(diào)用滑模觀測器函數(shù)算法，估算轉(zhuǎn)子位移和速度，調(diào)用PID算法得到給定電流控制量，退出中斷后等待下次中斷的到來，從而實現(xiàn)電機的調(diào)速。其流程如圖8所示。

圖8 軟件中斷子程序流程

4 伺服系統(tǒng)實驗測試及分析

為了更直觀分析基于新型滑模觀測器的無感雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)性能，在仿真中搭建了有傳感器和無傳感器的PID雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對比模型，如圖9所示。

圖9 雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)仿真模型

給定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速800 r/min，仿真時間0.05 s，如圖10所示。從圖中可以看出，無感轉(zhuǎn)速相應(yīng)曲線與有感的完全吻合，并且響應(yīng)速率與控制精度符合實驗要求。無感角位移響應(yīng)曲線在0.001 s后也完全貼合有感角位移。

圖10 800 r/min轉(zhuǎn)子角位移仿真對比圖

為了進(jìn)一步驗證無感滑模算法在實際工程中的可行性，本文設(shè)計了以STM32為核心的實驗平臺，編程語言選用了C來開發(fā)，調(diào)試無錯誤后再導(dǎo)入硬件設(shè)備。其中，給定轉(zhuǎn)速信號200 r/min，檢測DA端口的信號變化，如圖12～13所示，整機測試的結(jié)果顯示電機能快速達(dá)到給定信號并保持良好的穩(wěn)定性。

圖11 800 r/min轉(zhuǎn)子速度仿真對比

圖12 2 000 r/min轉(zhuǎn)子速度響應(yīng)曲線

圖13 2 000 r/min轉(zhuǎn)子角位移和相電壓響應(yīng)

5 結(jié)束語

本文研究了基于新型滑模控制的無感雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)，針對電子元件在工業(yè)環(huán)境存在多種復(fù)雜因數(shù)的情況以及如何降低設(shè)備成本的問題，設(shè)計了一款新型滑模觀測器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)速度傳感器，對電機的轉(zhuǎn)子位移和速度進(jìn)行估算預(yù)測。新型滑模觀測器在傳統(tǒng)指數(shù)趨近率基礎(chǔ)上添加了誤差因子來降低系統(tǒng)到滑模面時的速度，并同時加快了系統(tǒng)狀態(tài)點到滑動模態(tài)前的速度。

仿真實驗測試結(jié)果表明，滑模無感技術(shù)系統(tǒng)的仿真響應(yīng)速度、穩(wěn)定誤差以及控制精度均能達(dá)到有傳感狀態(tài)下的效果，估算的電角度與有感反饋回來的角位移接近重合。為了讓理論依據(jù)更具有實際工程意義，最后通過程序編寫后燒入控制板進(jìn)行電機速度控制測試，實驗結(jié)果也說明該新型算法對電機雙環(huán)控制性能呈現(xiàn)快速響應(yīng)、穩(wěn)定控制等優(yōu)點，這些特性為工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)在未來更多領(lǐng)域的發(fā)展提供了理論與實際支撐。