一若 ／ 锣 苗ｕ．Ｑ《 ０芑 苣 事 驱动控制 ………………鹭 ● 盎 Ｑ ４壬 …………………………………讨圃 ……………敬 触持电棚 ２００８年第１１期 ……………………………………‘ 基于变速积分ＰＩＤ的开关磁阻电动机调速系统 王歆，田雨波，王宝忠 （江苏科技大学，江苏镇江２１２００３） 摘要：在分析了开关磁阻电动机闭环速度控制方案的基础上，针对ＰＩＤ算法在开关磁阻电动机应用中出现 的问题，给出了相应的解决方法，提出了非线性变速积分ＰＩＤ算法，并成功地解决了在低采样周期时ＰＩＤ算法的积 分饱和问题。 关键词：开关磁阻电动机；ＰＩＤ控制；非线性变速积分 中图分类号：ＴＭ３５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—７０１８（２００８）１１－００５０－０ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｄｒｉｖｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｈｉｆｔ Ｉｎｔｅｇｒａｌ ＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＷＡＮＧ Ｘｉｎ，ＴＩＡＮ Ｙｕ—ｂｏ。ＷＡＮＧ Ｂａｏ—ｚｈｏｎｇ （Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ ｗｈｉｃｈ ａｐ— ｐｅａｒ ｉｎ ＳＲＤ ＰＩＤ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｗｅｒｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｈｉｆｔ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｗａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｆｒｅｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ；ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｈｉｆｔ ｉｎｔｅｇｒａｌ ０引 言 低制造成本、高可靠性和高能量转换效率是机 电运动控制系统的发展趋势。开关磁阻电动机结构 简单，适合在恶劣环境下运行，只在定子上有绕组， 没有转子铜耗。因此开关磁阻驱动系统迎合了机电 运动控制系统的发展趋势，融合了电力电子技术和 现代控制算法发展成果，成为近年机电运动控制领 域的研究热点。近年来已广泛应用于家电、汽车、数 控机床、机器人等领域。 ［匣翌 ］＿ ；ｌ 委图豳 微处理芯片１ Ｉ检测器ｌ ｉ ＳＲＤ ｔ ｌ 图１电机速度控制系统 人的指令如起动、停止、速度设置等和传感器提供的 各种信号（如位置、电流等）输出相通断信号，驱动 主开关管的开通与关断，驱使电动机转子转动。 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０芯片是ＴＩ公司专门针对电机、逆变器、 机器人等控制而设计的，它配置了完善的外围设备， 且可设置六个优先级的中断。此款芯片在电机调速 １开关磁阻电机的速度控制方案 对开关磁阻电动机转速的控制一般采用闭环控 制。与开环控制相比，速度控制闭环系统的机械特 领域的整体来说，无论是从计算速度、精度、内外部 资源还是性价比上，都优于传统的一系列单片机，所 以本设计中选用ＴＭＳ３２０Ｆ２４０来作为控制器的ＣＰＵ。 如图２所示，整个控制器单元主要包括最小系 性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统 机械特性相比，其性能大大提高；理想空载转速相同 统电路、位置检测电路、电流检测电路、倍频电路、过 流、过压及欠压保护电路、转换电路、电流斩波电路 以及人机交互电路等。 ＰＷＭ Ｄ０一Ｄｌ４ Ａ０一Ａ１４ 时，闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落 与理想空载转速之比）要小得多；当要求的静差率 相同时，闭环调速系统的调速范围可以大大提高－－ 。 开关磁阻电动机的速度控制方案如图１所示。 开关磁阻电动机控制器是电机调速运行的中 ｉ通断信号—— Ｉ／Ｏ ＫＰＷＭ信号一 ＰＷＭ ＣＡＰ 度控制信号一 ＴＭ￥３２０Ｆ２４０ ＳＰＩ 枢，它综合处理各种位置、速度等给定信号，给出相 应的相通断、系统保护、显示等信号。且根据键盘输 一 Ａ，Ｄ 收稿日期：２００８—０４—１７ 改稿日期：２００８—０５—０８ 基金项目：江苏省高校自然科学基金（Ｏ７ＫＪＢ５１００３２） 图２控制器硬件结构 闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称 ＰＩＤ控制），是按偏差的比例、积分和微分进行控制 儆持电棚 ２００８年第１１期 …一…………………。…………………………………………………………………－一………－ｔ， ｒ／驱 控制 ／ 锣 箱 ……・ 的调节器。ＰＩＤ调节器控制结构简单，不一定需要 系统的数学模型，参数容易整定，在长期应用中已积 累了丰富的经验。将它移植到计算机控制系统，通 过软件予以实现，对于大多数控制对象都能获得满 意的控制效果。ＰＩＤ调节器虽然易于使用，但在设 算错误（取Ｎ＝６５ ５３５代入上式，可计算的最小转速 为４７．６ ｒ／ｍｉｎ）。为解决这个问题，程序规定在转速 低于１００ ｒ／ｍｉｎ时，采用定时器３的定时周期作为时 间基准，同时对两路捕获信号进行计数，转速计算公 式同上。Ⅳ为连续两个捕获之间的脉冲个数；Ａ０ 计、调试开关磁阻电动机控制器的过程中常常会遇 到ＰＩＤ调节器易受干扰、采样精度的影响等问题，且 受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失 是相邻两路信号跳变之间的角度差，如图３ｂ所示， Ａ０ ；Ａｔ是该两路相邻信号跳变之间经过的 去调节作用。所以，在不影响控制精度的前提下对 时间差 是定时器３的时钟频率，为５ ｋＨｚ（按照 ＰＩＤ控制算法加以改进，关系到整个开关磁阻电动 机控制器设计的成败。 ２设定速度和获取电机转速 开关磁阻电动机转速系统采用光电式位置传感 器，它由静止和转动两部分组成，前者包括红外发光 二极管、红外光敏二极管和辅助电路；后者为ＳＲＭ 转子同轴安装的６齿遮光盘，每齿间隔３Ｏ。，遮光盘 与电机同步旋转，通过遮光盘的遮光、透光，使光敏 元件产生导通与关断信号。对于四相８／６极开关磁 阻电动机，在定子上安装两个相距７５。的光敏传感 元件经输入电路处理，输出两路相位差１５。、占空比 为５０％的方波信号，它组合成四种不同的状态，分 别代表电动机四相绕组不同的参考位置 。 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的两个捕获单元ＣＡＰ１、ＣＡＰ２分别检 测这两路信号。当捕获输入引脚上检测到一个转换 时，定时器Ｔ１或Ｔ２的值被捕获并存储在相应的两 级深度ＦＩＦＯ堆栈中。位置信号的上、下跳变均因 起捕获口中断，即每１５。产生一次捕获口中断，ＣＡＰ 的中断服务程序根据转子的瞬时位置信号，由ＳＲＭ 电机换相逻辑，确定电机对应绕组关断与导通，、 草 电．＿自：动 并根 淞 据测周法计算电机的实际转速。 两路位置信号输入捕获口，每一次跳变上升沿 或下降沿都要产生一次捕获中断，读取相应捕获堆 栈寄存器即可计算出各路信号相邻两个跳变之间的 标准脉冲个数Ⅳ，捕获功能以定时器２为时间基准， 定时器２计数频率为１．２５ ＭＨｚ。根据Ｔ测速法，可 得如下转速计算公式： Ａ０ ６０Ａ ｌｋ — 一 式中：∞为开关磁阻电动机转速；Ａ０是一路信号上 升沿和下降沿之间的机械角度差，如图３ａ所示，Ａ０ １ Ｃ Ｏ １２ ＝ ；Ａｔ是该路信号上升沿和下降沿之问经过的 ｊＵＵ 时间差ｉ 是定时器２的时钟频率，为１．２５ ＭＨｚ。 程序中』ｊ、，是一个１６位无符号整形变量，最大 值为６５ ５３５，当转速很低时，Ⅳ会溢出，造成转速计 上述解决方法，理论上最低可测转速为０．０９ ｒ／ｍｉｎ）。 ＿ ｗ－ｓ ！－ｉＱ 厂＿］厂二二７ （ａ）高速 （ｂ）低速 图３捕获信号示意图 ３非线性积分的ＰＩＤ算法 ３．１数字ＰＩＤ算法 设计和调整数字ＰＩＤ控制器的任务就是根据系 统要求选择合适的ＰＩＤ模型，将其进行离散化处理， 编出计算机程序由微处理器实现，最后确定 、 、 ７１Ｄ和 ， 为采样周期 Ｊ。 传统ＰＩＤ控制的位置算法： （ ）：ＫｐＥ（ｋ）＋ ∑ＥＵ）＋Ｋｏ［Ｅ（ｋ）一Ｅ（ｋ一１）］ 式中： 为采样序号，ｋ＝０，１，２，…；Ｕ（ｋ）为第ｋ次采 样时刻输出值；Ｅ（ｋ）、Ｅ（ｋ一１）分别为第ｋ次、第（ｋ 一１）次采样时输入的偏差值；ＫＴ为积分系数，ＫＩ＝ ；Ｋ。为微分系数，Ｋ。：＿Ｋｐ ＴＤ。 １ Ｉ 』 在调速过程中，负载加减以及加减速时，会造成 ＼ ．焊 ＼黟 ＼畚摹争 短时间内转速出现较大偏差，通过ＰＩＤ积分运算积 累，超调量过大，系统产生振荡，严重影响发电机组 输出电能的品质。 ３．２变速积分ＰＩＤ算法 为避免ＰＩＤ控制中积分项引起的超调，提高其 调节品质，可以采用积分分离法对基本ＰＩＤ控制进 行改进，简称变速积分ＰＩＤ。变速积分ＰＩＤ的基本 思路是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大 小相对应，偏差越大，积分越慢；反之，则越快。 ‘为此，设置一系数厂［Ｅ（ｋ）］，它是Ｅ（ｋ）的函数： ｆ１ ｌ Ｅ（Ｉｊ｝）ｆ≤Ｂ ｆ［Ｅ（ ）］：｛【 －＿堡二Ａ ＜ｌ Ｅ（ ）ｌ≤ ＋Ｂ ０ Ｉ Ｅ（ ）ｌ＞Ａ＋ 式中：以Ａ、Ｂ为积分区间。 变速积分ＰＩＤ算法为： ； （后）：ＫｐＥ（ｋ）＋ＫＥＵＩ（后）＋ＫＤ Ｅ Ｅ（ｋ）一Ｅ（ 一１）］一 ｕ．Ｑ ０芑 事事事 驱司啦制 吕 一……－……‘………龆ｆ嘘●辩世 Ｑ《Ｕ …………………………………屋墓豇 ………救 ……儆持电棚 ２００８年第１１期 ………………………………‘ 。（ ）＝∑Ｅ（ ）＋ Ｅ（ ）］Ｅ（ ） 率变换器采用不对称半桥电路，功率变换器主开关 器件采用ＩＧＢＴ，二极管为超快软恢复型，以电压 ＰＷＭ方式对开关磁阻电动机进行控制。 式中： （ｋ）为第ｋ次采样时刻ＰＩＤ运算的积分部 分输出值。 图６显示了电机空载且给定转速，分别采用传 统ＰＩＤ控制和本文方法得到转速响应波形，从中可 以看出，本文提出的控制方式能很快地调整跟踪，超 调量明显较少。 变速积分ＰＩＤ控制系统具有以下特点：用比例 消除大偏差，用积分消除小偏差，可完全消除积分饱 和现象；各参数容易整定，易实现系统稳定，而且对 Ａ、 两参数不要求十分精确；超调量减小，改善调节 品质；适应性较强 。 ３．３非线性变速积分ＰＩＤ算法 由于变速积分在大范围突然变化时产生的积分 饱和现象不能很好地消除，这时可采用非线性变速 积分ＰＩＤ算法 一。 非线性变速积分ＰＩＤ算法的基本思想是将ＰＩＤ 调节器输出限定在有效范围内，避免Ｕ（ｋ）超出 （ａ）传统ＰＩＤ （ｂ）非线性变速积分ＰＩＤ 图６转速响应曲线 针对开关磁阻电动机高度非线性的特点，本文 了该方法的有效性，系统适应性强，响应迅速，控制 精度高，具有较好的稳定性和动态响应能力。 参考文献 ［１］ 陆锐，王宝忠，徐荣青．基于单片机的开关磁阻电动机驱动系 统设计［Ｊ］，微计算机信息，２００７，９—２：１３１—１３３． ［２］ 王宏华．开关磁阻电动机调速控制技术［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，１９９５． 执行机构动作范围而产生饱和。程序框图如图４所示。 提出非线性变速积分ＰＩＤ控制方法。实验结果证明 图５是在Ｍａｔｌａｂ环境对算法进行的仿真结果 图，从图中可以看出，阶跃响应的调节时间短，系统 表现出良好的性能。 ［３］陶永华．新型ＰＩＤ控制及其应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００２． ［４］ 曹世宏，王正茂，杨艺涛，等．柴油发电机组数字调速系统的设 计与分析［Ｊ］．微电机，２００２，３５（５）：５６—５８． ［５］刘金锟．先进ＰＩＤ控制ＭＡＴＬＡＢ仿真（第二版）［Ｍ］．北京：电 子工业出版社，２００４． 图４非线性变速 积分ＰＩＤ流程图 图５非线性变速 积分ＰＩＤ仿真波形 ４实验结果及结论 实验所用样机为四相（８／６极）开关磁阻电动 基 于 作者简介：王歆（１９８２一），男，硕士研究生，研究方向为嵌入式 系统应用。 机，额定功率为２．２ ｋＷ，额定转速为１ ５００ ｒ／ｍｉｎ，功 最佳换相逻辑分析［Ｊｊ．中小型电机，２００３，３０（５）：１７一ｌ９． 蘧 （上接第４３页） ［２］王宏伟，梁晖．无位置传感器无刷直流电机的ＤＳＰ控制［Ｊ］． 芍 ６结语 弓： 电力电子技术，２００５，３９（６）：１０５—１０７． ［３］ ＦＡＲＣＨＩＬＤ公司．Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ＢＬＤＣ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［Ｍ］．ＦＡＩＲ． ；测试结果表明，本系统对无位置传感器无刷直 ＣＨＩＬＤ，２０００． 美 流电动机有良好的控制效果，电机起动和切换至自 ［４］ 解恩，刘景林，侯红胜．无位置传感器无刷直流电动机起动的 设计与实现［Ｊ］．微特电机，２００６，３４（２）：１９—２１． 蓄 同步过程平稳，无振动和失步现象。同时该系统具 鼻；有结构简单，稳定性高，可扩展性强的特点，友好的 人机交互方式，大大提高了生产效率，该控制器也可 ［５］ 沈建新．无传感器无刷直流电机三段式起动技术的深入分析 ［Ｊ］．微特电机，１９９８（５）：７一】Ｏ． ：以用于多种中小型电机的控制。目前，该无位置传 ［６］ 郭崇军．基于Ｃ８０５１的无刷直流电机控制系统［Ｊ］．机电工程， ２００７，２４（９）：３９—４１． 嘉 感器无刷直流牙钻电机控制器已交付生产厂家，反 ：映良好。 作者简介：赵君（１９８２一），男，博士研究生，研究方向为分布式 测控技术、嵌入式智能仪器、新型电机控制理论及故障检测。 脉淳侮 …一…删一机
