CN106777695A - 一种基于dsp的电流环路数字化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于DSP的电流环路数字化方法，首先建立数字电流环数学模型，然后采样电枢电流信号，测量固有频率特性，最终设计数字控制器。本发明以高性能DSP为核心设计数字化电流环控制器，大幅度简化了硬件设计，提高了可靠性；DSP高速、实时的运算能力，为复杂有效的控制算法的应用创造了条件，有利于先进控制理论的工程应用实现。

Description

一种基于DSP的电流环路数字化方法

技术领域

本发明涉及一种电流环路数字化方法，主要应用于跟踪雷达伺服系统中。

背景技术

当今雷达伺服系统在控制方式方面多采用电流环、速度环、位置环三环嵌套控制结构。电流环是最内环，在伺服系统中起着核心作用，它的快速性对整个系统的快速性的影响最为直接。从电机的数学模型可知，伺服系统的输入电流与电机的输出转矩有着直接关系，电流环使电流快速跟随外环调节器输出量的变化，使伺服系统有足够大的加速转矩，因此，对电流控制的优劣直接影响着系统的动静态响应性能。

目前，三环结构的雷达伺服系统中，电流环仍以模拟环路的形式为主。模拟电流环路需要设计专用的A/D采样电路和校正电路，通过运算放大器来实现控制规律，其控制线路复杂、通用性差，控制效果会受到器件性能、温度因素的影响。

数字化电流环可以通过控制软件对反馈信号进行逻辑判断和复杂运算，采用软件灵活地实现各种复杂的控制规律，也避免了控制精度受器件温度漂移的影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于DSP的电流环路数字化方法，以高性能DSP为核心设计数字化电流环控制器，大幅度简化了硬件设计，提高了可靠性；DSP高速、实时的运算能力，为复杂有效的控制算法的应用创造了条件，有利于先进控制理论的工程应用实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)建立电流环数学模型其中，电流环闭环脉冲传递函数G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)，G₁(s)、G₂(s)、G₃(s)分别为驱动电机的零阶保持器、PWM功放、电机电枢回路的传递函数，D(s)为电流环控制器的传递函数，K为比例环节，C(s)为输出信号，R(s)为输入信号；

2)选用霍尔传感器对电枢电流信号进行采样，作为电流环路的反馈信号进行闭环控制，电枢电流信号采样周期T取1/10f_B，f_B＝ω_B/2π，ω_B是连续系统的闭环带宽；

3)利用控制系统分析仪对电流环固有频率特性进行测量，控制系统分析仪产生的正弦信号通过A/D变换后送入DSP，DSP输出占空比变化的PWM信号给功放后引起电机电枢电流的变化，电流信号由霍尔传感器反馈给控制系统分析仪，从而得到电流环从PWM信号输出到霍尔传感器输出之间的固有频率特性；根据系统开环增益、截止频率以及稳定裕度指标，确定期望的系统开环频率特性；

4)采用PI调节器把电流环校正成I型系统，传递函数其中，K_i为比例系数，T_i为积分时间常数，比例系数确保超调量在5％以内，L_a为电枢电感，R_a为电枢电路的电阻。

本发明的有益效果是：根据实际选用的功放、电机及霍尔传感器参数进行建模，系统线性分析得到了模拟电流环及数字电流环的开环频特性曲线及闭环单位阶跃响应曲线。可以看出，数字电流环具有良好的动态性能及稳定性。

与模拟电流环相比，数字电流环在技术上具有以下优势：

(1)数字控制器通过DSP软件来实现，通过控制软件对反馈信号进行逻辑判断和复杂运算，易于灵活地实现各种复杂的控制规律，电流环的数字校正策略更加灵活，且控制器参数易调整；

(2)电流反馈信号转换为数字信号进行运算处理，电流环误差信号是容易处理的数字量，在软件中可以对误差数字量进行判断，对输出进行限幅保护，这对于电机及功放的保护具有实际意义；

(3)电流传感器采用霍尔传感器，经过A/D变换后采集到DSP芯片，DSP芯片的高采样率提高了电流信号测量的灵敏度，降低了电流信号对噪声的灵敏度；

(4)电流环数字化使得伺服控制的三个环路均实现了数字化，使全数字伺服系统的实现成为了可能。

附图说明

图1是数字电流环示意图；

图2是模拟电流环与数字电流环的开环频率特性曲线图；

图3是模拟电流环与数字电流环的闭环单位阶跃响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

电流环的数字化难点在于数字控制器的设计，数字控制器在伺服系统中的工作，就是实时输入数据，根据伺服系统的控制规律进行实时计算、处理、逻辑判断和存储，最后实时输出数据。这些工作需要在一个很短的采样周期(一般几个ms)内完成的，要求处理器对伺服系统的各种信号能实时地进行处理。

本发明应用新型DSP芯片TMS320F28335来实现电流环路的数字化，电枢电流信号的采集、电流环误差的产生、数字校正均在DSP内完成。

TMS320F28335时钟频率最高达150MHz，单指令周期为6.67ns，片内具有12位的模数转换模块ADC，ADC模块的时钟频率最高为25MHz，最高转换率为80ns，可以满足电枢电流采样的要求，提供的两个采样保持电路，可实现方位、俯仰电机电枢电流信号的同步采样。利用ADC模块采集到的电流信号，经过软件滤波处理后实现电流环数字闭环，从根本上消除了模拟电流环控制线路复杂、控制精度受器件温度漂移影响、电路参数变化对伺服回路特性影响大、可靠性差以及控制器不易更改的缺点。

本发明基于DSP芯片TMS320F28335进行了数字电流环的设计，利用该芯片快速的运算能力进行电流环误差与数字控制器的计算以实现电流环数字闭环。数字电流环设计分为五个步骤：

1)建立数字电流环数学模型

电流环由驱动电机的电枢回路、PWM功放、电流传感器及电流环控制器组成。设G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)，G₁(s)为零阶保持器的传递函数，G₂(s)为PWM功放的传递函数，G₃(s)为电机电枢回路的传递函数，D(s)为电流环控制器的传递函数，电流传感器的传递函数H(s)近似为比例环节K，可以写出电流环闭环脉冲传递函数为：

其中C(s)为输出信号，R(s)为输入信号。

根据所选用的功放、驱动电机及电流传感器的参数写出功放及驱动回路的具体传递函数。

2)电枢电流信号采样

对电枢电流信号进行采样作为电流环路的反馈信号进行闭环控制。电枢电流信号采样周期的确定是数字电流环设计中着重考虑的因素。选择过大或过小都会给控制效果或系统的动态性能带来负面的影响。通常跟踪雷达伺服系统的采样周期近似取为T≈1/10f_B，其中f_B＝ω_B/2π，ω_B是连续系统的闭环带宽，应根据电流环的带宽来确定采样周期。

本发明中电流传感器选用霍尔传感器，应用DSP来实现电流信号的高频率采样，其内部的ADC模块能够满足采样周期以及转换时间的要求，运算能力能够满足在电流环采样周期内能完电流数据读取与处理、电流环误差的计算。在采样方式上采用级联排序方式进行A/D变换，并一次完成对16通道信号采样。本发明中实际只有方位、俯仰电机电枢电流两路信号，为了充分利用资源，把每路电流信号安排到8路A/D通道上去，启动一次ADC就可实现对电流信号的多次采样，并对采样数据进行平均值滤波得到电流反馈值。

3)固有频率特性测量

利用控制系统分析仪对电流环固有频率特性进行测量，控制系统分析仪产生的正弦信号通过A/D变换后送入DSP，DSP输出占空比变化的PWM信号给功放后引起电机电枢电流的变化，电流信号由霍尔传感器反馈给控制系统分析仪，这样可以得到电流环从PWM信号输出到霍尔传感器输出这部分的固有频率特性。根据系统开环增益、截止频率以及稳定裕度指标，确定期望的系统开环频率特性。

4)数字控制器设计

采用PI调节器，把电流环校正成I型系统，其传递函数为：

其中，K_i为比例系数，T_i为积分时间常数。比例系数取决于所需的环路截止频率和动态性能，希望超调量控制在5％以内。为了让电流环校正环节零点对消掉控制对象的大时间常数，选择L_a为电枢电感，R_a为电枢电路的电阻。

依据系统开环频率特性该特性与测得的固有频率特性的区别确定数字控制器的参数。

5)闭环特性测试，验证控制器参数

利用控制系统分析仪对电流环闭环特性进行测试，测试方法与固有频率特性测试方法类似，不同是将霍尔传感器输出信号经过A/D变换后接入DSP。测试可以验证系统的闭环带宽、带内峰值等指标，也可以通过测试系统的单位阶跃响应验证系统的时域动态性能指标。如果指标不满足，调整数字控制参数，重复步骤五。

本发明的实施例包括以下步骤：

1.建立数字电流环数学模型

参见图1，电流环由驱动电机的电枢回路、PWM功放、电流传感器及电流环控制器组成，电流环控制器由DSP芯片实现。速度环的误差信号校正后作为电流环的参考输入信号与电流反馈信号相减产生电流环误差信号，该信号校正后就决定了输入给功放电路的PWM信号的占空比。在数字电流环中，电流环误差的产生、PWM信号的产生、电流环控制器均由DSP完成。

DSP直接产生PWM信号，送给功放模块实现对力矩电机的驱动；电流传感器选用霍尔传感器，霍尔传感器输出的电压信号经过信号调理后由DSP内部的ADC模块进行采集，通过软件进行参数调节实现电流环控制。

设G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)，从DSP的输出到PWM信号的产生用零阶保持器近似，G₁(s)为零阶保持器的传递函数，G₂(s)为PWM功放的传递函数，G₃(s)为电机电枢回路的传递函数，D(s)为电流环控制器的传递函数，电流传感器的传递函数H(s)近似为比例环节K，可以写出电流环闭环脉冲传递函数为：

其中C(s)为输出信号，R(s)为输入信号。

根据所选用的功放、驱动电机及电流传感器的参数写出功放及驱动回路的具体传递函数。根据本发明中实际选用的功放、电机及霍尔传感器，得到：其中T为采样周期；其中K_PWM为功放的电压放大倍数，T_PWM为功放的时间常数，T_PWM＝1/f，f为功放的切换频率；其中Ra为电枢电路的电阻，Ta为电机的电磁时间常数，Ta＝La/Ra，La为电枢电感；K取0.0326。

2.电枢电流信号采样

对电枢电流信号进行采样作为电流环路的反馈信号进行闭环控制。电枢电流信号采样周期的确定是数字电流环设计中着重考虑的因素。选择过大或过小都会给控制效果或系统的动态性能带来负面的影响。通常跟踪雷达伺服系统的采样周期近似取为T≈1/10f_B，其中f_B＝ω_B/2π，ω_B是连续系统的闭环带宽，因此应根据电流环的带宽来确定采样周期。

本发明中应用DSP来实现电流信号的高频率采样，其内部的ADC模块能够满足采样周期以及转换时间的要求，运算能力能够满足在电流环采样周期内能完电流数据读取与处理、电流环误差的计算。在采样方式上采用级联排序方式进行A/D变换，并一次完成对16通道信号采样。本发明中实际只有方位、俯仰电机电枢电流两路信号，为了充分利用资源，把每路电流信号安排到8路A/D通道上去，这样启动一次ADC就可实现对电流信号的多次采样，并对采样数据进行平均值滤波得到电流反馈值。

由DSP定时器1的中断服务程序启动ADC模块，即0.05ms启动一次A/D变换，将ADC的输入时钟ADC clock设置为最高频率12.5MHz，充分发挥ADC模块的最大功能，以减少转换时间。TMS320F28335的ADC模块偏移误差为±15LSB，增益误差为±30LSB，芯片出厂时OTP(One-time programmable Rom)中写有程序ADC_cal()，调用该程序可以用校准数据初始化相关寄存器以减小转换误差。

3.固有频率特性测量

利用控制系统分析仪对电流环固有频率特性进行测量，控制系统分析仪产生的正弦信号通过A/D变换后送入DSP，DSP输出占空比变化的PWM信号给功放后引起电机电枢电流的变化，电流信号由霍尔传感器反馈给控制系统分析仪，这样可以得到电流环从PWM信号输出到霍尔传感器输出这部分的固有频率特性。根据系统开环增益、截止频率以及稳定裕度指标，确定期望的系统开环频率特性。

4.数字控制器设计

采用PI调节器，把电流环校正成I型系统，其传递函数为：

其中，Ki为比例系数，Ti为积分时间常数。比例系数取决于所需的环路截止频率和动态性能，希望超调量控制在5％以内。为了让电流环校正环节零点对消掉控制对象的大时间常数，选择La为电枢电感，Ra为电枢电路的电阻。

依据系统开环频率特性该特性与测得的固有频率特性的区别确定数字控制器的参数，取Ki为9.935。

参见图2、图3，使用Matlab软件及simulink工具箱搭建电流环仿真模型，对电流环进行仿真。实线为模拟电流环曲线，虚线为数字电流环曲线。模拟电流环开环增益52.9dB，截止频率65.3Hz，相位裕度67.7°，闭环带宽97.6Hz，上升时间约为3ms，超调量2.8％。数字电流环相位裕度略微减小，变为62.1°，超调量2.26％。

5.闭环特性测试，验证控制器参数

利用控制系统分析仪对电流环闭环特性进行测试，测试方法与固有频率特性测试方法类似，不同是将霍尔传感器输出信号经过A/D变换后接入DSP。测试可以验证系统的闭环带宽、带内峰值等指标，也可以通过测试系统的单位阶跃响应验证系统的时域动态性能指标。如果指标不满足，调整数字控制参数，重复步骤五，直到调整到满足系统指标为止。

Claims (1)

1.一种基于DSP的电流环路数字化方法，其特征在于包括下述步骤：

1)建立电流环数学模型其中，电流环闭环脉冲传递函数G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)，G₁(s)、G₂(s)、G₃(s)分别为驱动电机的零阶保持器、PWM功放、电机电枢回路的传递函数，D(s)为电流环控制器的传递函数，K为比例环节，C(s)为输出信号，R(s)为输入信号；

2)选用霍尔传感器对电枢电流信号进行采样，作为电流环路的反馈信号进行闭环控制，电枢电流信号采样周期T取1/10f_B，f_B＝ω_B/2π，ω_B是连续系统的闭环带宽；

3)利用控制系统分析仪对电流环固有频率特性进行测量，控制系统分析仪产生的正弦信号通过A/D变换后送入DSP，DSP输出占空比变化的PWM信号给功放后引起电机电枢电流的变化，电流信号由霍尔传感器反馈给控制系统分析仪，从而得到电流环从PWM信号输出到霍尔传感器输出之间的固有频率特性；根据系统开环增益、截止频率以及稳定裕度指标，确定期望的系统开环频率特性；

4)采用PI调节器把电流环校正成I型系统，传递函数其中，K_i为比例系数，T_i为积分时间常数，比例系数确保超调量在5％以内，L_a为电枢电感，R_a为电枢电路的电阻。