CN107592039A - 高精度锁相电机转速控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高精度锁相电机转速控制器，包括第一计数器、第二计数器、第三计数器、PID控制器、PWM控制器和霍尔传感器，通过计数器按频率CLK分别对外部输入参考方波信号SYN的周期、霍尔信号的周期以及二者之间当前的相位差进行计数，霍尔周期计数值n'与SYN周期计数值n相减得到差值es作为转速部分控制量，参考相位差0与当前相位差phaseErr相加，经过增益k后得到相位部分控制量ep，es与ep之和作为总的控制量e输入PID控制器，最后由PID控制器得到输出，经PWM控制器以控制电机转动。本发明在传统转速反馈基础上，增加了锁相环路，既保证了电机较高的转速精度，又能时时跟踪参考信号的相位，解决了纯转速控制环会因转速偏差的存在而导致电机转过的角度误差随时间累积变大的问题。

Description

高精度锁相电机转速控制器
技术领域
本发明涉及一种锁相控制算法，属于数字式控制领域，特别涉及一种高精度锁相电机转速控制器。
背景技术
在高精度转速伺服控制系统中，如陀螺仪、转台、卫星动量轮以及一些医疗设备等，需要电机具有很高的转速精度，一般通过转速反馈闭环控制可以将电机转速恒定在较高精度范围内，其控制结构如图1所示。而某些应用环境除了要求转速精度很高以外，还要求电机转过的角度误差不能随时间增长而累积。即使电机具备相当高的转速精度，但电机的实际转速与理想转速之间仍然存在一个很小的偏差，随着时间的推移，该转速的偏差会造成电机转过的角度误差越来越大，因此，传统的转速反馈闭环控制无法满足该环境的运用需求。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种高精度锁相电机转速控制器，解决传统转速反馈控制会因转速偏差的存在而导致电机转过的角度误差累积变大的问题。
本发明的目的通过如下技术方案来实现的：一种高精度锁相电机转速控制器，包括
一个第一计数器1，其作用是按频率CLK对外部输入参考方波信号SYN周期进行计数，得到参考计数值n；
一个第二计数器2，其作用是按频率CLK对霍尔信号周期进行计数，得到反馈计数值n'，反馈计数值n'与参考计数值n相减，得到差值es作为转速部分控制量；
一个第三计数器3，其作用是按频率CLK对外部输入参考方波信号SYN与霍尔信号的当前相位差进行计数，得到当前相位差计数值phaseErr；霍尔信号与参考方波信号SYN同步则参考相位差为0，参考相位差0与当前相位差计数值phaseErr相加，经过增益k后得到相位部分控制量ep；
转速部分控制量es与相位部分控制量ep相加，得到总的控制量e；
一个PID控制器4，其作用是根据总的控制量e给出相应的PID输出；
一个PWM控制器5，其作用是根据PID控制器的输出产生相应脉宽的PWM调制信号去驱动电机6；
一个霍尔传感器7，其作用是检测电机转子的位置，并将位置信息转换为矩形波。
进一步，所述第一计数器、第二计数器和第三计数器为常规的微处理器，通过配置常规单片机或者DSP处理器的计数器资源来实现。
进一步，所述PID控制器为常规的微处理器，由常规的单片机或者DSP处理器编程实现。
进一步，所述PWM控制器为IPM模块，或由MOSFET分立元件搭建。
进一步，所述电机为常规三相无刷直流电机。
进一步，所述霍尔传感器为电机自带的位置检测传感器。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
本发明的一种电机锁相控制器，采用计数器、PID控制器、PWM控制器、电机和霍尔传感器相互连接来实现。通过计数器按频率CLK分别对外部输入参考方波信号SYN的周期、霍尔信号的周期以及二者之间当前的相位差进行计数，霍尔周期计数值n'与SYN周期计数值n相减得到差值es作为转速部分控制量，参考相位差0与当前相位差phaseErr相加，经过增益k后得到相位部分控制量ep，es与ep之和作为总的控制量e输入PID控制器，最后由PID控制器得到输出，经PWM控制器以控制电机转动。它具有以下特点：
1、环路结构在传统转速反馈基础上，增加了锁相环路，对转速和相位产生的总的控制量进行PID调节以控制电机旋转，转速环可以稳定电机转速至期望值，锁相环可以使电机转过的角度与参考方波信号同步。该环路结构既保证了电机具有较高的转速精度，又能时时跟踪参考信号的相位，解决了纯转速控制环会因转速偏差的存在而导致电机转过的角度误差随时间累积变大的问题，可以满足某些高精度转速控制系统的需求。
2、在传统的转速反馈闭环控制结构中，转速反馈一般不能直接测量，需通过位置信号转换得到，转换运算为本发明运用直接测量的计数值n'代替需要经过二次转换运算才能得到的转速反馈speed，有效的解决了转换运算过程中因数据类型处理不当造成的计数值n'的精度丢失，保证了PID的控制精度，且省去了转速反馈speed的转换运算，使控制结构更加简单，节约了处理器的计算资源。
3、相位增益k可以控制相位作用于系统的强弱。当额定转速与实际转速差值较大时，调节相位增益k使相位的作用很微弱，转速误差生成的控制量es起主导作用，这个时候环路等同于一个纯转速锁定环路，转速锁定环路最终会将实际转速调整到额定转速；当转速接近于额定转速时，由转速误差生成的控制量约等于0，调节相位增益k使相位的作用增强，此时起主导作用的是相位误差生成的控制量ep，这个时候的环路等同于一个纯锁相环，环路的调节最终使phaseErr＝0，从而实现相位的锁定。转速锁定环路和相位锁定环路平滑的切换，最终使得转速误差和相位误差都趋近于0。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1是传统转速反馈闭环控制结构框图；
图2是本发明的电机锁相控制器结构框图；
图3是本发明具体实施的电机锁相控制器软件流程图；
图4(a)是电机启动时的转速实测图，(b)是电机稳态时的转速实测图；
图5(a)是电机稳态时相位锁定实测图，(b)是相位锁定放大图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图2所示，一种高精度锁相电机转速控制器，用于控制电机6，包括
一个第一计数器1，其作用是按频率CLK对外部输入参考方波信号SYN周期进行计数，得到计数值n，其输入端1与外部时钟CLK相连，输入端2与参考方波信号SYN输入端相连，其输出端为参考信号SYN周期计数值n；
一个第二计数器2，其作用是按频率CLK对霍尔信号周期进行计数，得到计数值n'，其输入端1与外部时钟CLK相连，输入端2与霍尔传感器7的输出端相连，其输出端为霍尔周期计数值n'，反馈计数值n'与参考计数值n相减，得到差值es作为转速部分控制量；
一个第三计数器3，其作用是按频率CLK对外部输入参考方波信号SYN与霍尔信号的当前相位差进行计数，得到当前相位差计数值phaseErr，其输入端1与外部时钟CLK相连，输入端2与参考方波信号SYN输入端相连，输入端3与霍尔传感器7的输出端相连，其输出端为当前相位差计数值phaseErr，要使霍尔信号与参考方波信号SYN同步则参考相位差应该为0，参考相位差0与当前相位差计数值phaseErr相加，经过增益k后得到相位部分控制量ep；
转速部分控制量es与相位部分控制量ep相加，得到总的控制量e与PID控制器4的输入相连；
一个PID控制器4，其作用是根据控制量e给出相应的PID输出，其输入端接控制量e，输出端与PWM控制器5的输入端相连；
一个PWM控制器5，其作用是根据PID控制器的输出产生相应脉宽的PWM调制信号去驱动电机，其输入端与PID控制器4的输出端相连，其输出端与电机6的输入端相连；和
一个霍尔传感器7，其作用是检测电机转子的位置，并将位置信息转换为矩形波，其输入端与电机6的输出端相连，其输出端与计数器2的输入端2和计数器3的输入端3相连。
电机6，为被控对象，其输入端与PWM控制器5的输出端相连，其输出端与霍尔传感器7的输入端相连；
在本实施例中，所述第一计数器、第二计数器、第三计数器为常规的微处理器，可以通过配置常规单片机或者DSP处理器的计数器资源来实现。
在本实施例中，所述PID控制器4也为常规的微处理器，可以由常规的单片机或者DSP处理器编程实现。
在本实施例中，所述PWM控制器5可以是IPM模块，也可以由MOSFET等分立元件搭建。
在本实施例中，所述电机6为常规三相无刷直流电机。
在本实施例中，所述霍尔传感器7为电机6自带的位置检测传感器。
本发明的一种电机锁相控制器结构框图如图2所示，采用计数器、PID控制器、PWM控制器、电机和霍尔传感器相互连接来实现。软件流程图如图3所示，其C语言具体实现关键程序如下：
本例中输入的参考方波信号SYN频率为100Hz(周期为10mS)，对应的参考转速为100转/S(即6000转/min)，图4是电机在启动和稳态时电机转速的实测图，图5是电机稳态时相位锁定的实测图，实际测试结果为转速稳定在5996～6003转/min，稳定精度为±0.67‰，相位锁定误差为±10uS，锁相精度为±1‰。
本发明通过外部输入一个频率稳定的参考方波信号，运用电机锁相控制器控制电机转过的角度时时刻刻都与该方波信号同步，如一个信号周期对应电机转过一圈，电机转过的角度与方波信号的相位一一对应，则转过的角度误差不再会随着时间的推移而累积。针对于带霍尔位置传感器的三相无刷直流电机，则表现为一路霍尔信号与输入参考信号的频率、相位同步，实际上形成了一个锁相环，一旦实现了相位锁定，则电机的转速等于输入参考信号的频率，电机转过的角度时刻跟踪参考信号的相位，角度误差不会累积。
本发明的一种电机锁相控制器在传统转速反馈基础上，增加了锁相环路，该环路结构既保证了电机较高的转速精度，又能时时跟踪参考信号的相位，解决了纯转速控制环会因转速偏差的存在而导致电机转过的角度误差随时间累积变大的问题，可以满足某些高精度转速控制系统的需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种高精度锁相电机转速控制器，其特征在于：包括
一个第一计数器(1)，其作用是按频率CLK对外部输入参考方波信号SYN周期进行计数，得到参考计数值n；
一个第二计数器(2)，其作用是按频率CLK对霍尔信号周期进行计数，得到反馈计数值n'，反馈计数值n'与参考计数值n相减，得到差值es作为转速部分控制量；
一个第三计数器(3)，其作用是按频率CLK对外部输入参考方波信号SYN与霍尔信号的当前相位差进行计数，得到当前相位差计数值phaseErr；霍尔信号与参考方波信号SYN同步则参考相位差为0，参考相位差0与当前相位差计数值phaseErr相加，经过增益k后得到相位部分控制量ep；
转速部分控制量es与相位部分控制量ep相加，得到总的控制量e；
一个PID控制器(4)，其作用是根据总的控制量e给出相应的PID输出；
一个PWM控制器(5)，其作用是根据PID控制器的输出产生相应脉宽的PWM调制信号去驱动电机(6)；
一个霍尔传感器(7)，其作用是检测电机转子的位置，并将位置信息转换为矩形波。
2.根据权利要求1所述的一种高精度锁相电机转速控制器，其特征在于：所述第一计数器、第二计数器和第三计数器为常规的微处理器，通过配置常规单片机或者DSP处理器的计数器资源来实现。
3.根据权利要求1所述的一种高精度锁相电机转速控制器，其特征在于：所述PID控制器为常规的微处理器，由常规的单片机或者DSP处理器编程实现。
4.根据权利要求1所述的一种高精度锁相电机转速控制器，其特征在于：所述PWM控制器为IPM模块，或由MOSFET分立元件搭建。
5.根据权利要求1所述的一种高精度锁相电机转速控制器，其特征在于：所述电机为常规三相无刷直流电机。
6.根据权利要求1所述的一种高精度锁相电机转速控制器，其特征在于：所述霍尔传感器为电机自带的位置检测传感器。
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