姚少燦，張海娜，李志林，王 建

（天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 天津市智能遙感數(shù)據(jù)處理技術企業(yè)重點實驗室，天津 300301）

隨著人工智能信息化大數(shù)據(jù)的發(fā)展，森林火情監(jiān)測、高速公路車況巡檢、礦區(qū)安全防護等領域的監(jiān)測巡檢作業(yè)任務，逐漸趨于無人化遠程作業(yè)。如旋翼無人機無人機自動機場、復合翼無人機無人機自動機場等，可遠程操控無人機進行多架次、多航跡巡檢作業(yè)任務，可遠程操控無人機場對無人機進行自主回收、賦能等功能，可布局在地理環(huán)境較復雜的區(qū)域，克服人員現(xiàn)場巡檢作業(yè)困難的問題，具有巡檢作業(yè)靈活、巡檢范圍廣、巡檢作業(yè)效率高等優(yōu)點。

無人機自動機場被布設的地理位置不同，工作環(huán)境也各不相同，在溫度環(huán)境較低的區(qū)域，負載特性會發(fā)生變化[1-2]，導致無人機自動機場中的伺服系統(tǒng)出現(xiàn)啟動異常問題。無人機自動機場采用直流無刷伺服系統(tǒng)，直流無刷電機的啟動控制常見的方法有：第1 類為定位、加速、穩(wěn)態(tài)三段式啟動方法，低溫負載狀態(tài)變化時，不能自適應改變預設的啟動性能，電機啟動易堵轉，可靠性較低[3]；第2 類為預定位啟動方法，此方法在定位過程中會產(chǎn)生反轉，一般用于負載較輕的工況，而無人機自動機場的伺服系統(tǒng)屬于負載較重的工況，此方法也不適用[4]；第三類為升頻升壓的啟動方法，此方法需要設計額外的啟動電路，既增加了系統(tǒng)的設計成本，又增大了控制的復雜性[5]。為解決此問題，本文采在三段式啟動控制的基礎上，融合溫度自適應PID 整定控制策略，隨溫度的變化自適應調節(jié)伺服系統(tǒng)的啟動性能，在無人機自動機場平臺上進行了伺服系統(tǒng)溫度自適應啟動控制策略的設計與實現(xiàn)。

1 伺服系統(tǒng)啟動原理分析

1.1 伺服系統(tǒng)機械傳動特性分析

伺服系統(tǒng)由電源、伺服電機、驅動器、機械傳動機構、負載等部分組成。從系統(tǒng)功率轉換的角度來看，伺服系統(tǒng)傳動的本質是通過電能量的輸入，經(jīng)機械結構的運動傳輸，最終轉化為對機械能輸出控制。則系統(tǒng)的傳動效率方程[6]為

式中：η 為機械傳動效率；Pin為電機端輸入功率；Pout為負載端輸出功率；Tout為減速機端的輸出扭矩；δ為減速機的減速比；ηteeth為減速機的齒輪嚙合效率；TNoload為減速機的空載運行扭矩。

機械傳動結構中，減速機的空載運行扭矩TNoload受內(nèi)部填充潤滑脂的粘性阻力影響較大[7]。當環(huán)境溫度較低時，潤滑脂的粘性阻力較大時，TNoload較大，機械傳動效率變小，則Tout就會較??；當環(huán)境溫度較高時，潤滑脂的粘性阻力較小時，TNoload也隨之減小，機械傳動效率變大，則Tout就會增大。為保證負載端輸出扭矩的穩(wěn)定平衡，需要調節(jié)輸入端的扭矩，以彌補傳動效率的損失。

1.2 直流無刷電機數(shù)學模型及運行特性分析

無人機自動機場系統(tǒng)選用伺服電機為Y 型聯(lián)結直流無刷電機，其功率拓撲結構采用三相橋式全控逆變電路[8]。則直流無刷電機電壓平衡[9]方程可簡化為

式中：Ud為直流母線電壓；ΔU 為功率開關電路導通壓降；E 為電機反電動勢；Iav為電樞平均電流；Rav為電樞繞組平均電阻；Ke為反電動勢系數(shù)；n 為電機轉動速度。

則電機穩(wěn)態(tài)運行時電樞平均電流為

直流無刷電機的電磁轉矩[10]方程為

式中：Te為電機的電磁轉矩；ia、ib、ic為三相繞組的相電流；ea、eb、ec為三相繞組的反電動勢；ωr為電機轉子的機械角速度；KT為電機電磁轉矩系數(shù)。

則由式（3）與式（4）可推導電機的機械特性方程為

電機剛開始啟動時，電機的電磁轉矩小于電機的負載轉矩，電機轉速為0，反電動勢為0，則可推導電機的啟動特性方程為

式中：Ist為電機的啟動電流；Tst為電機的啟動轉矩。

電機啟動瞬間，啟動電流快速爬升，啟動力矩快速增加，當Tst＞TL后，電機開始轉動，轉速逐漸增加，電機反電勢增大，電樞電流及電磁轉矩逐漸下降，直到電機運行到額定轉速時，電機進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。傳統(tǒng)的啟動方式在特定的溫度環(huán)境下將電機啟動的位置、速度、電流等環(huán)路的PID 參數(shù)已預先設定完成，當負載變化時，預先設定的PID參數(shù)與實際應用不太匹配，轉子運動時過于滯后繞組旋轉磁場的位置變化，導致電機啟動特性下降、啟動失敗的問題。

2 溫度自適應PID 整定控制系統(tǒng)設計

2.1 溫度自適應PID 整定控制器設計

本文在傳統(tǒng)的PID 調節(jié)控制器[11]的基礎上，設計一種基于溫度自適應的PID 參數(shù)整定控制器。溫度自適應PID 控制器原理如圖1 所示。

圖1 溫度自適應PID 控制器原理框圖Fig.1 Block diagram of temperature adaptive PID controller

圖1 中，r（t）為設定值；KT（t）為溫度變量調節(jié)系數(shù)；u（t）為輸出量；y（t）為反饋量。則溫度自適應PID控制器的離散表達式如式（7）所示：

式中：Kp（t）=KpKT（t）為比例增益量；Ki（t）=KiKT（t）為積分增益量；Kd（t）=KdKT（t）為微分增益量。

當負載力矩隨溫度發(fā)生變化時，溫度自適應PID控制器可根據(jù)溫度的變化對伺服系統(tǒng)的比例增益、積分增益、微分增益等參數(shù)進行自動整定，以實現(xiàn)伺服電機在不同的環(huán)境溫度下都能穩(wěn)定可靠的啟動運行。

2.2 溫度自適應伺服啟動控制硬件系統(tǒng)設計

為驗證溫度自適應PID 整定控制策略的可行性，構建溫度自適應伺服啟動控制硬件系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 溫度自適應伺服啟動控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of temperature adaptive servo start control system

溫度自適應伺服啟動控制系統(tǒng)主要由4 部分組成。第1 部分為數(shù)據(jù)采集模塊，主要由編碼器、溫度傳感器、電流采樣電路3 部分組成，用于采集電機的當前位置數(shù)據(jù)及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)及電機的繞組電流；第2 部分為MCU 模塊，結合環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、電機的位置、電流數(shù)據(jù)與各控制器環(huán)路的PID 調節(jié)參數(shù)進行融合，實現(xiàn)基于溫度自適應的位置、速度、電流三控制器參數(shù)的PID 控制算法運算；第3 部分為伺服驅動模塊，通過對IGBT 功率驅動電路，實現(xiàn)電機繞組的勵磁電流控制，從而驅動電機進行旋轉運動；第4 部分為動力執(zhí)行模塊，電機的輸出扭矩，經(jīng)減速機的倍頻放大，作用到負載端，驅使負載進行運動。

MCU 選用GD32F407 芯片，基于RAM Cortex-M4內(nèi)核的32 位通用微處理器，具有UART、SPI、ADC、DAC、I2C、CAN 等豐富的外設資源，可進行環(huán)境溫度、電機位置、電機電流等數(shù)據(jù)采樣處理，相比進口芯片，具有成本低、性價比高的優(yōu)點。溫度采集模塊選用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，測量范圍-55℃～+120℃，相比模擬溫度傳感器具有硬件簡單、抗干擾能力強等特點。

2.3 溫度自適應伺服啟動控制軟件流程設計

溫度自適應啟動控制軟件設計流程如圖3 所示。伺服系統(tǒng)上電后，接收到系統(tǒng)的啟動控制指令后，通過數(shù)據(jù)采集模塊，對環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進行采樣，為防止硬件系統(tǒng)中的噪聲干擾，導致溫度條件的誤判，對采集的溫度數(shù)據(jù)進行濾波處理，確保溫度變化的平滑性與穩(wěn)定性；對電機的位置數(shù)據(jù)進行實時采樣，一方面作為位置環(huán)路的反饋量輸入，另一方面將位置數(shù)據(jù)處理為速度量作為速度環(huán)路的反饋輸入；對電機繞組電流進行實時采樣，經(jīng)濾波處理后，作為電流環(huán)路的反饋輸入。

圖3 溫度自適應啟動控制軟件流程Fig.3 Flow chart of temperature adaptive start-up control software

無人機自動機場為工業(yè)級應用產(chǎn)品，適用溫度范圍-25℃～+40℃，工作環(huán)境溫度劃分為3 個區(qū)間（-25℃≦T<-10℃；-10℃≦T<+10℃；+10℃≦T≦+40℃），當系統(tǒng)接收到啟動指令后，根據(jù)系統(tǒng)辨識的溫度區(qū)間，對伺服系統(tǒng)中的位置PID 控制器、速度PID 控制器、電流PID 控制器的PID 控制參數(shù)進行自動整定，結合系統(tǒng)采集的位置、速度、電流等反饋量，經(jīng)各環(huán)路PID 控制器的運算，最終進行功率電路的開關邏輯控制，實現(xiàn)電機從啟動階段到平穩(wěn)運行階段的電磁轉矩控制。

3 試驗結果分析

為驗證溫度自適應PID 整定控制策略的有效性，基于無人機自動機場平臺，分別在恒常溫（30℃）、恒低溫（-25℃）、可變溫度（-25℃～40℃）3 種條件下，進行伺服系統(tǒng)啟動試驗對比測試。在試驗過程中，對伺服電機的轉矩電流、轉速等變量數(shù)據(jù)進行采樣與記錄。

恒常溫條件下，伺服系統(tǒng)預設定3 組恒定的PID控制參數(shù)（KPID1>KPID2>KPID3），試驗過程中記錄電機的啟動轉矩電流、轉速數(shù)據(jù)如圖4 和圖5 所示。PID整定參數(shù)較大時，系統(tǒng)的位置、速度、電流環(huán)路的PID 調節(jié)跟隨較快，啟動時間較短，啟動的峰值電流大，能快速進入到轉矩平穩(wěn)階段，系統(tǒng)的動態(tài)響應性能較好；PID 整定參數(shù)較小時，系統(tǒng)各環(huán)路調節(jié)作用較慢，啟動時間較長，轉速上升過慢，系統(tǒng)的動態(tài)響應性較差。

圖4 恒常溫時電機啟動轉矩電流圖Fig.4 Motor starting torque current diagram at constant normal temperature

圖5 恒常溫下電機啟動轉速圖Fig.5 Motor starting speed diagram at constant normal temperature

恒低溫條件下，伺服系統(tǒng)預設定3 組與常溫時相同的PID 控制參數(shù)（KPID1>KPID2>KPID3），記錄的電機啟動轉矩電流、轉速數(shù)據(jù)如圖6 和圖7 所示。低溫狀態(tài)下負載力矩較大，PID 整定參數(shù)較大時（如KPID1、KPID2），環(huán)路調節(jié)控制量過大，繞組磁場變化過快，轉子位置過于滯后繞組磁場變化位置，啟動電流過大，觸發(fā)系統(tǒng)過流保護條件，電流、轉速瞬間降至0，導致系統(tǒng)啟動失??；PID 整定參數(shù)較小時，雖啟動時間較長，但各環(huán)路的反饋量能很好地跟隨輸入控制量的變化，最終達到穩(wěn)定運行的狀態(tài)。通過恒常溫與恒低溫的對比可知，恒常溫時系統(tǒng)預設定的PID 啟動控制參數(shù)（KPID1、KPID2），在恒低溫時不適配，導致系統(tǒng)啟動異常。

圖6 恒低溫時電機啟動轉矩電流圖Fig.6 Motor starting torque current diagram at constant low temperature

圖7 恒低溫時電機啟動轉速圖Fig.7 Motor starting speed diagram at constant low temperature

可變溫度條件下，采用溫度自適應PID 整定控制策略，根據(jù)溫度的變化區(qū)間，系統(tǒng)自動整定3 組不同的PID 控制參數(shù)（KPID1>KPID2>KPID3），記錄的電機啟動轉矩電流、轉速數(shù)據(jù)如圖8 和圖9 所示。當+10℃≦T≦+40℃時，系統(tǒng)自動整定啟動參數(shù)為KPID1，啟動時間0.5 s，保證了系統(tǒng)在常溫下動態(tài)響應的快速性能；當-10℃≦T<+10℃時，系統(tǒng)自動整定啟動參數(shù)為KPID2，當-25℃≦T<-10℃時，系統(tǒng)自動整定啟動參數(shù)為KPID3，增大電機低溫啟動運行時的扭矩輸出，保證系統(tǒng)在低溫條件下穩(wěn)定的工作性能。

圖8 可變溫度時電機啟動轉矩電流圖Fig.8 Motor starting torque current diagram at variable temperature

圖9 可變溫度時電機啟動轉速圖Fig.9 Motor starting speed diagram at variable temperature

4 結語

本文結合伺服系統(tǒng)的機械傳動特性，直流無刷電機的啟動特性、運行特性，對伺服系統(tǒng)低溫啟動異常的問題進行了分析，基于無人機自動機場平臺，進行溫度自適應PID 整定控制策略設計與驗證。試驗結果表明，基于溫度自適應的PID 整定控制策略，可有效解決因溫度變化，系統(tǒng)負載力矩突變，導致伺服系統(tǒng)預設啟動參數(shù)不適配而啟動異常問題。該控制策略既能兼顧常溫條件下伺服系統(tǒng)動態(tài)響應的快速性，又能保證低溫條件下系統(tǒng)穩(wěn)定運行的可靠性，具有重要的工程應用價值。