CN103199774A - 伺服直流电机驱动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服直流电机驱动控制装置，其包括：DSP模块、全桥驱动模块、电流传感器模块、电源模块、通讯模块及光编信号处理电路，所述的电源模块为所述的DSP模块、电流传感器模块、全桥驱动模块提供电能；DSP模块，通过脉宽调制技术发出脉宽调制信号，通过所述的全桥驱动模块将信号放大至直流电机的额定电压，控制直流电机；所述的电流传感器模块串联在所述的全桥驱动模块与直流电机之间，用于读取直流电机的电流值，并将其传输给所述的DSP模块；所述的通讯模块与DSP模块相连接，用于直流电机与其他设备的通讯。本发明，控制性能好，精度高，使直流电机的运行具有更高的稳定性和鲁棒性。

Description

伺服直流电机驱动控制装置及方法

技术领域

本发明属于直流电机驱动器控制的技术领域，主要涉及一种伺服直流电机驱动控制装置及方法。

背景技术

随着现代化进程的不断深入，自动化设备被大量的应用在生活当中。作为主要动力源的直流电机被广泛的应用于各类小型自动控制系统上，例如智能机器人，自动卷帘门，电动车等。传统的直流电机调速方法很多，如调压调速、弱磁调速等，它们存在着调速响应慢、精度差、调速装置复杂等缺点。随着全控式电力电子器件技术的发展，以大功率晶体管作为开关器件的直流脉宽调制(PWM)调速系统已成为直流调速系统的主要发展方向。

现有技术中，专利名称为一种直流电机驱动器及驱动方法，公开号为：CN101478279，采用手动搭建的H桥电路作为驱动电路，对直流电机进行控制。此方法由于是手动搭建的电路，大大增加了控制策略与控制方法的复杂性，电机的制动与转向都需要通过软件的方式实现，而且手动搭建的全桥设别，并且缺少相应的过流过热保护措施，一旦电机出现问题不能及时响应，而且其转子位置检测电路也是自行设计的，其准确性及精度远远低于光电编码器，在精确控制上远远达不到机器人控制的标准。

在PID控制方面，在常规的全数字伺服驱动控制常采用PID控制器来控制电机的电流和速度。比例-积分-微分(PID)控制器是电机控制中最常见的一种控制调节器，它是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量的，系统由PID控制器和被控对象组成。

常规的PID控制原理如图1所示。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值u(t)构成控制偏差：e(t)＝r(t)-u(t)

将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制器。其控制规律为：

$u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{1}e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]$

式中K_p为比例放大系数；T_i为积分时间系数；T_d为微分时间系数。

但在实际直流电机实验调试过程中，经常出现一组控制参数只适用于某一特定输入，即系统的控制性能并不能一直保持最佳，有时和理想的效果相差相当大。由于受到参数整定方法烦杂的困扰，因此需要在改变输入时的同时进行PID参数的再次整定，以保证系统的性能。由此可知，原有的直流电机驱动控制PID参数整定方法，控制性能欠佳，无法满足现在伺服驱动的高精度要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种伺服直流电机驱动控制装置及方法，其可克服现有的缺陷，控制性能好，精度高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种伺服直流电机驱动控制装置，其包括：DSP模块、全桥驱动模块、电流传感器模块、电源模块、通讯模块及光编信号处理电路，所述的电源模块为所述的DSP模块、电流传感器模块、全桥驱动模块提供电能；

DSP模块，通过脉宽调制技术发出脉宽调制信号，通过所述的全桥驱动模块将信号放大至直流电机的额定电压，控制直流电机；

所述的电流传感器模块串联在所述的全桥驱动模块与直流电机之间，用于读取直流电机的电流值，并将其传输给所述的DSP模块；

所述的通讯模块与DSP模块相连接，用于直流电机与其他设备的通讯。

上述的通讯模块包括232通讯模块及CAN通讯模块。

上述的DSP模块，包括通信模块、数据采集模块、PWM全桥控制模块和模糊PID控制模块，所述的模糊PID控制模块对PWM全桥控制模块的参数进行调整，所述的PWM全桥控制模块对全桥驱动模块进行控制实现对直流电机的运动控制；所述的数据采集模块为所述的模糊PID控制模块和PWM全桥控制模块提供码盘、电流等反馈信息。

一种伺服直流电机驱动的控制方法，其包括以下步骤：

a.通过所述的光编信号处理电路，采集直流电机的速度，并将该速度输入DSP模块进行处理；

b.通过电流传感器模块，采集直流电机的电流，并将该电流信息传输给DSP模块进行处理，实现对直流电机的控制。

优选地，在步骤a中，由所述的DSP模块的通信模块接收直流电机的速度，然后将该信息发送给所述的数据采集模块，然后通过所述的模糊PID控制模块进行参数调整，调整后的参数，通过所述的PWM全桥控制模块实现对直流电机进行控制。

在所述的模糊PID控制模块中，输入其中的速度参量，有给定值和速度的实际值，这两个参数经比较器相减，得到速度偏差e_v，并把速度偏差e_v作为速度PI调节器的输入，经过PI计算，产生速度环PI调节器的输出。

优选地，步骤b中，由所述的DSP模块的通信模块接收直流电机的电流，然后将该信息发送给所述的数据采集模块，然后通过所述的模糊PID控制模块进行参数调整，调整后的参数，通过所述的PWM全桥控制模块对直流电机进行控制。

优选地，输入所述的模糊PID控制模块的参量，有速度环PI调节器的输出值、电流的实际值，这两个参数经比较器相减，得到电流偏差e_i，并把电流偏差e_i作为电流PI调节器的输入，经过PI计算，产生电流环PI调节器的输出，用于设置PWM的占空比。

采用上述技术方案后，本发明提供一种PID参数模糊自整定的伺服直流电机驱动控制装置及方法，采用DSP模块作为主控制器，速度快，效率高，成本低，可自行编程满足控制需求；采用A3950全桥驱动模块减小了电路的体积，自带的保护系统增大了安全系数，自带的正反转控制器可通过引脚控制电机正反转，减少了控制程序；增加电流传感器与光电信号处理电路可以实现直流电机的闭环控制；PID参数调节采用本发明的方法，应用了人工智能的理论，把专家的知识库作为PID参数调整的规则库，能够在线实时的调整PID参数，控制性能好，精度高，使直流电机的运行具有更高的稳定性和鲁棒性。

附图说明

图1是常规PID控制原理图。

图2是本发明直流电机驱动闭环控制装置的原理框图。

图3是本发明DSP模块与其它模块的电路接口图。

图4是本发明全桥驱动模块及电流传感器模块的电路原理图。

图5是本发明DSP模块的结构框图。

图6是本发明伺服直流电机驱动控制方法框图。

图7是模糊控制规则表一。

图8是模糊控制规则表二。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图2所示，本发明公开了一种伺服直流电机驱动控制装置，其包括：DSP模块1、全桥驱动模块2、电流传感器模块3、电源模块4、通讯模块、光编信号处理电路6、指示灯7及按钮8，其中：

DSP模块1，其采用TI公司最新推出的32位的Piccolo系列的TMS320F28035来进行设计，此款DSP体积小，最高主频可达60MHz，具有64K Flash，14路12位AD，12路PWM，1组QEP，1组CAP，33个通用IO，SPI，SCI，以及CAN接口。TMS320F28035有80脚和64脚两种封装形式，本设计选择体积最小的64脚封装。

在本实施例中，参考图5所示，DSP模块1，包括通信模块11、数据采集模块12、PWM全桥控制模块13和模糊PID控制模块14四个模块，其中模糊PID控制模块14对PWM全桥控制模块的参数进行调整，PWM全桥控制模块13对外部A3950全桥驱动模块2进行控制实现对直流电机的运动控制。数据采集模块12为模糊PID控制模块14和PWM全桥控制模块13提供码盘、电流等反馈信息用于闭环计算。通信模块实现对系统参数、变量的设置、读取等。

参考图4所示，全桥驱动模块2，在本实施例中，选择Allegro公司为直流电动机的PWM(脉宽调制)控制设计的全桥式电机驱动芯片A3950，它能够承受峰值输出电流达±2.8A，承受最高电压达到36V。

它内部集成了过电流保护、接地短路保护、内部欠压保护及过热保护，并集成了电机的自然自动与反向自动，提高了电机的控制精度。

电流传感器模块3，在本实施例中，选择Allegro公司的ACS712ELC-05B-T，5A电流传感器，它是单电源5V供电，精度为1.5％，内部2.1KV的高压隔离，具有6us的响应时间，灵敏度可以达到185mV/A，小外形封装，可以用来代替传统的电流传感器。当电流为0A通过时输出基准电压为2.5V。

参考图2、3所示，电流传感器模块3串联在全桥驱动模块2与直流电机9之间，其输出端与TMS320F28035的ADCINB3、ADCINB4相连接，通过其读取直流电机9的电流值，从而实现对直流电机电流环的闭环控制。

电源模块4，其采用MORNSUN公司的超宽电压输入、隔离稳压单路输出电源模块WRB2405N-2W。此电源模块具有18～36V的宽电压输入范围，具有1500VDC隔离稳压单电源5V路输出，输出电压精度为±1％，输出电流为0.4A。此电源模块为双排6脚封装，焊接更加稳固，且体积小，具有可持续短路保护等功能。

通讯模块，在本实施例中，其包括有232通讯模块51及CAN通讯模块52，分别与DSP模块1相连。

CAN通讯模块52与232通讯模块51与DSP模块1(TMS320F28035)的CANTX、CANRX、SCITX、SCIRX相连接，来实现直流电机驱动控制板与其他设别的通讯，使其能够应用到工业控制当中。

配合图3所示，电源模块4分别连接DSP模块1、全桥驱动模块2、电流传感器模块3和直流电机9相连接，为其提供电源。DSP模块1分别于全桥驱动模块2、电流传感器模块3、CAN通讯模块52、232通讯模块51和光编信号处理电路6相连接；电流传感器模块3与直流电机5相连接。，光编信号处理电路6与直流电机相连。

光编信号处理电路6与直流电机9的轴相连接，光编信号处理电路6的信号输出端A、B、Z通过光编信号处理电路分别与型号为TMS320F28035的的DSP模块1的INA、INB、INZ相连接，通过TMS320F28035的正交脉冲编码模块(QEP)的处理，来测量直流电机的转速及转子的位置，从而实现对直流电机转速与位置的闭环控制。

直流电机驱动控制板上的按键8与指示灯7实现对直流电机9的上下电控制与指示当前电机的运行状态。

本发明是以型号为DSP28035的DSP模块1为主控制芯片，通过ePWM模块产生控制信号，再通过全桥驱动模块2中的保护模块及驱动芯片A3950对直流电机进行速度控制，再通过电流传感器模块3，光电编码器电路6等测量电机参数，并把参数反馈给DSP模块1，根据参数对直流电机进行闭环控制，使直流电机9的运行状态更加稳定。

使用时，DSP模块1通过脉宽调制技术发出脉宽调制信号，通过全桥驱动模块2将信号放大至直流电机9的额定电压，控制直流电机9，通过电流传感器模块3与光电编码器6对直流电机9的参数进行采样，并把数据反馈给DSP模块1，DSP模块1经过对这些信号的分析来对直流电机9进行闭环控制，大大增大了控制直流电机的精确度与稳定性。

参考图3所示，将型号为TMS320F28035的DSP模块1的通用IO端口56、55、54、和53分别与A3950的MODE、PHASE、ENABLE和SLEEP管脚相连接。其中MODE引脚控制直流电机的制动，PHASE引脚控制电机的旋转方向，ENABLE引脚是电机使能，SLEEP引脚可以使全桥驱动模块进入休眠模式，降低功耗。

将A3950的OUTA引脚与直流电机的+极相连，OUTB引脚与直流电机的-极相连。

通过TMS320F28035的ePWM功能来实现脉宽调制，使用EVA模块中的通用定时器周期寄存器来设置PWM信号的载波周期，通过设置定时器比较寄存器来设置占空比，只需改变占空比，就可实现直流电机调速功能，通过设置PWM死区寄存器来设置死区时间，防止全桥驱动模块2上下桥臂同时导通损坏器件。

本发明还公开了一种伺服直流电机驱动控制方法，其包括以下步骤：

a.通过所述的光编信号处理电路6，采集直流电机的速度，并将该速度输入DSP模块进行处理；

在此步骤中，具体地讲，是指由DSP模块1的通信模块11接收直流电机的速度，然后将该信息发送给数据采集模块12，然后通过模糊PID控制模块14进行参数调整，调整后的参数，通过PWM全桥控制模块13进行控制。

参考图6所示，在模糊PID控制模块14中，其是相当于一个速度控制环。在速度控制环中，其输入的参量有速度的给定值、速度的实际值，这两个参数经比较器相减，得到速度偏差e_v，并把速度偏差e_v作为速度PI调节器的输入，经过PI计算，产生速度环PI调节器的输出，作为电流环的输入之一。

b.通过电流传感器模块3，采集直流电机的电流，并将该电流信息传输给DSP模块进行处理，实现对直流电机的控制：

在此步骤中，具体地讲，是指由DSP模块1的通信模块11接收直流电机的电流，然后将该信息发送给数据采集模块12，然后通过模糊PID控制模块14进行参数调整，调整后的参数，通过PWM全桥控制模块13进行控制。

参考图6所示，其是相当于一个电流控制环。在电流控制环中，其输入的参量有速度环PI调节器的输出值、电流的实际值，这两个参数经比较器相减，得到电流偏差e_i，并把电流偏差e_i作为电流PI调节器的输入，经过PI计算，产生电流环PI调节器的输出，用于设置PWM的占空比，从而到达控制电机的目的。

速度控制环及电流控制环中，均设有速度调节器、电流调节器，为了获得良好的静、动态性能，速度调节器和电流调节器采用PI控制。

模糊PID控制模块14，参考图6所示，其输入参量为速度环和电流环相应的偏差e、偏差变化率

在运行中通过不断检测e和

根据模糊控制原理来对PI参数进行在线修改，以满足不同e和时对控制参数的不同要求，从而使电机有良好的静、动态性能。

PID参数模糊自整定是在PID算法的基础上，通过计算当前系统偏差e和偏差变化率

利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊规则进行参数调整。

定义系统偏差e和偏差变化率

变化范围的模糊子集为

定义PID参数的修正量的模糊子也为

ΔK_p，ΔK_i＝{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}

子集中的元素分表代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。

模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对K_p、K_i、K_d三个参数分别整定的模糊控制表。电流控制环采用PI控制规律，本方案中K_d为零，同样控制参数调整方法同样运用于K_d不等于0的情形。

通过实验调整和验证，针对本系统建立了下面的模糊规则表。

ΔK_p的模糊控制规则表如图7所示：

ΔK_i的模糊控制规则如图8所示：

ΔK_p、ΔK_i的控制规则表建立好后，可根据如下方法进行ΔK_p、ΔK_i的自适应校正。

应用设计的PID参数模糊矩阵表，查出修正参数，即可以得到PI参数调整的算式：

K_p＝K_p0+ΔK_p

K_i＝K_i0+ΔK_i

其中K_p0、K_i0为K_p、K_i的初始值

把经过修正的K_p、K_i参数，输入到PI控制器，即可实现PI参数的在线调整，从而能够产生更好的控制效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种伺服直流电机驱动控制装置，其特征在于：其包括：DSP模块、全桥驱动模块、电流传感器模块、电源模块、通讯模块及光编信号处理电路，所述的电源模块为所述的DSP模块、电流传感器模块、全桥驱动模块提供电能；

DSP模块，通过脉宽调制技术发出脉宽调制信号，通过所述的全桥驱动模块将信号放大至直流电机的额定电压，控制直流电机；

所述的电流传感器模块串联在所述的全桥驱动模块与直流电机之间，用于读取直流电机的电流值，并将其传输给所述的DSP模块；

所述的通讯模块与DSP模块相连接，用于直流电机与其他设备的通讯。

2.根据权利要求1所述的伺服直流电机驱动控制装置，其特征在于：所述的通讯模块包括232通讯模块及CAN通讯模块。

3.根据权利要求1或2所述的伺服直流电机驱动控制装置，其特征在于：所述的DSP模块，包括通信模块、数据采集模块、PWM全桥控制模块和模糊PID控制模块，所述的模糊PID控制模块对PWM全桥控制模块的参数进行调整，所述的PWM全桥控制模块对全桥驱动模块进行控制实现对直流电机的运动控制；所述的数据采集模块为所述的模糊PID控制模块和PWM全桥控制模块提供码盘、电流等反馈信息。

4.一种伺服直流电机驱动的控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

a.通过所述的光编信号处理电路，采集直流电机的速度，并将该速度输入DSP模块进行处理；

b.通过电流传感器模块，采集直流电机的电流，并将该电流信息传输给DSP模块进行处理，实现对直流电机的控制。

5.根据权利要求4所述的伺服直流电机驱动的控制方法，其特征在于：在步骤a中，由所述的DSP模块的通信模块接收直流电机的速度，然后将该信息发送给所述的数据采集模块，然后通过所述的模糊PID控制模块进行参数调整，调整后的参数，通过所述的PWM全桥控制模块实现对直流电机进行控制。

6.根据权利要求5所述的伺服直流电机驱动的控制方法，其特征在于：在所述的模糊PID控制模块中，输入其中的速度参量，有给定值和速度的实际值，这两个参数经比较器相减，得到速度偏差e_v，并把速度偏差e_v作为速度PI调节器的输入，经过PI计算，产生速度环PI调节器的输出。

7.根据权利要求4或5所述的伺服直流电机驱动的控制方法，其特征在于：步骤b中，由所述的DSP模块的通信模块接收直流电机的电流，然后将该信息发送给所述的数据采集模块，然后通过所述的模糊PID控制模块进行参数调整，调整后的参数，通过所述的PWM全桥控制模块对直流电机进行控制。

8.根据权利要求7所述的伺服直流电机驱动的控制方法，其特征在于：输入所述的模糊PID控制模块的参量，有速度环PI调节器的输出值、电流的实际值，这两个参数经比较器相减，得到电流偏差e_i，并把电流偏差e_i作为电流PI调节器的输入，经过PI计算，产生电流环PI调节器的输出，用于设置PWM的占空比。

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