CN111010058A - 一种基于pi和锁相环的硬盘电机稳速控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，属于电机高精度转速控制技术领域。本发明为了克服现有的转速控制方法精度较低、稳定性较差和响应较慢，且在硬盘中无法使用位置传感器的问题，通过采集电机的端电压信号作为反馈信号；将该反馈信号与给定转速波形信号进行比较得到两者的频率差；当频率差大于等于预设值时采用速度环PI调节的方式控制电机的转速；当频率差小于预设值时采用锁相环调节的方式控制电机的转速；达到了电机转速控制精度高、稳定性好、响应速度快的效果。

Description

一种基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法
技术领域
本发明属于电机高精度转速控制技术领域，具体涉及一种基于PI和锁相环的无位置传感器硬盘电机稳速控制方法。
背景技术
硬盘要准确地读写数据，磁头就必须做到准确寻道和精确定位，因此就要求硬盘运行状态下的转速非常稳定，这就需要对硬盘主轴电机进行高精度转速控制。硬盘主轴电机一般为直流无刷电机BLDCM，现有技术中对BLDCM进行转速控制时多采用普通闭环的控制方式，所能达到的转速精度较低，稳定性较差，响应较慢。
另外，现有技术中对大电机进行转速控制时，通常采用位置传感器获取转速，进而进行转速控制，但由于硬盘体积较小，不便于安装位置传感器，所以采用位置传感器获取转速的方式无法实现。
所以，目前迫切需要一种不使用位置传感器，但又能对硬盘主轴电机进行高精度转速控制，使电机转速精度高、稳定性好、响应速度快的方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何在不使用位置传感器的情况下，对硬盘主轴电机进行高精度转速控制，使电机转速精度高、稳定性好、响应速度快。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，所述方法包括：
步骤1：采集直流无刷电机BLDCM的端电压信号，作为反馈信号输出；
步骤2：将所述反馈信号与给定转速波形信号进行比较得到两者的频率差；
步骤3：判断所述频率差是否大于等于预设值；当频率差大于等于预设值时进入步骤4；当频率差小于预设值时进入步骤5；
步骤4：当频率差大于等于预设值时采用速度环PI调节的方式获得PI调节量，以所述PI调节量为依据调整PWM斩波输出信号的占空比，使用所述PWM斩波输出信号调整所述BLDCM的输入电压，控制所述BLDCM的转速接近所述给定转速波形信号的频率；之后返回步骤3；
步骤5：当频率差小于预设值时采用锁相环调节的方式获得所述反馈信号与所述给定转速波形信号的相位差信号，以所述相位差信号为依据调整HRPWM斩波输出信号的占空比，使用所述HRPWM斩波输出信号调整所述BLDCM的输入电压，控制所述BLDCM的转速高精度稳定在所述给定转速波形信号的频率；之后返回步骤3。
进一步地，所述步骤1中，在采集端电压信号之后，输出反馈信号之前，还包括采用RC电路对端电压信号进行滤波的步骤。
进一步地，所述步骤1还包括，将滤波后的端电压信号输入到差分比较器中进行过零点比较，差分比较器输出矩形方波，从而得到反馈信号。
进一步地，所述步骤1还包括，对差分比较器输出的矩形方波进行延时补偿，以补偿滤波电路产生的相位延时，根据式(1)计算需要补偿的延时角度，
α＝arctanωRC (1)
其中
Figure BDA0002296454560000031
其截止频率为
Figure BDA0002296454560000032
R1、R2为滤波电路中的电阻值，C为滤波电路中的电容值。
进一步地，所述给定转速波形信号通过DSP生成。
进一步地，所述步骤4中采用速度环PI调节的方式获得PI调节量为：通过计算所述给定转速波形信号和所述反馈信号的频率差值，对所述频率差值乘以一个比例系数kp，得到比例调节量，同时对所述频率差值乘以一个积分系数ki，获得积分调节量，对所述比例调节量和所述积分调节量求和获得所述PI调节量。
进一步地，所述步骤4中以PI调节量为依据来控制BLDCM的转速的过程为：当所述给定转速波形信号的频率大于所述反馈信号的频率时，所述PI调节量为正时，使用所述PI调节量来调整所述PWM斩波输出信号的占空比，使所述PWM斩波输出信号的占空比增大，所述BLDCM的驱动电压输入的时长增加，所述BLDCM的转速或频率上升；当所述给定转速波形信号的频率小于所述反馈信号的频率时，所述PI调节量为负时，使用所述PI调节量来调整所述PWM斩波输出信号的占空比，使所述PWM斩波输出信号的占空比减小，所述BLDCM的驱动电压输入的时长减少，所述BLDCM的转速或频率下降。
进一步地，所述步骤5中的所述锁相环包括鉴相模块和环路滤波器，所述鉴相模块比较所述给定转速波形信号和所述反馈信号，输出两者的相位差信号，环路滤波器对所述鉴相模块输出的相位差信号进行IIR滤波。
进一步地，所述鉴相模块通过CPLD程序实现，所述环路滤波器通过软件滤波实现。
进一步地，所述步骤5中以所述相位差信号为依据来控制BLDCM的转速的过程为：通过时钟脉冲信号对所述环路滤波器输出的滤波后的相位差信号进行计数，将所述相位差信号转化为数字量，当所述给定转速波形信号的频率大于所述反馈信号的频率时，所述数字量为正，使用所述数字量来调整所述HRPWM斩波输出信号的占空比，使所述HRPWM斩波输出信号的占空比增大，所述BLDCM的驱动电压输入的时长增加，所述BLDCM的转速或频率上升；当所述给定转速波形信号的频率小于所述反馈信号的频率时，所述数字量为负，使用所述数字量来调整所述HRPWM斩波输出信号的占空比，使所述HRPWM斩波输出信号的占空比减小，所述BLDCM的驱动电压输入的时长减少，所述BLDCM的转速或频率下降。
(三)有益效果
本发明的硬盘电机稳速控制方法基于PI和锁相环实现，通过采集硬盘电机的端电压作为反馈信号，与给定转速波形信号进行频率比较，当频率差大于等于预设值时采用PI调节，使BLDCM的转速快接近给定转速波形信号的频率，当频率差小于预设值时采用锁相环调节，使BLDCM的转速高精度稳定在给定转速波形信号的频率。该硬盘电机稳速控制方法在没有使用位置传感器的情况下实现了电机转速的高精度控制，而且在频率差较大时使用PI调节使BLDCM的转速快速接近给定转速波形信号的频率，实现了更宽范围的电机转速控制，且硬盘电机转速控制的响应速度快，在频率差较小时使用锁相环调节使BLDCM的转速高精度稳定在给定转速波形信号的频率，硬盘电机转速控制的精度高、稳定性好。
附图说明
图1为本发明的电机控制系统结构；
图2为本发明的RC滤波电路；
图3为本发明的鉴相模块状态转换关系；
图4为本发明的反馈信号滞后时鉴相模块输出；
图5为本发明的反馈信号超前时鉴相模块输出；
图6为本发明的IIR滤波器设计。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
该专利整体控制流程为在电机转速和给定转速波形信号的频率的误差大于等于预设值时，采用PI调节的方式调节电机转速，误差小于预设值后进入锁相环调节，以实现对电机的高精度转速控制。电机控制系统结构如图1所示。其中锁相环控制主要包括两个功能模块：鉴相模块(PD)、环路滤波器(LF)。
该控制流程包括如下步骤：
步骤1：采集直流无刷电机BLDCM的端电压信号，作为反馈信号输出。
首先CPLD控制板通过直流无刷电机BLDCM的三相端电压信号获取反馈信号。
由于直接采集到的直流无刷电机BLDCM的三相端电压信号中存在由PWM斩波产生的高频信号和其他未知干扰信号，因此要对采集到的端电压信号进行处理。这里采用RC电路对端电压信号进行滤波，如图2所示。该滤波器的设计能够消除端电压信号中PWM斩波产生的干扰信号，避免虚假过零点对换相信号的影响。
将滤波后的三相端电压信号输入到差分比较器中进行过零点比较，转化为矩形方波，得到反馈信号。由于滤波电路会产生相位延时，还需要进行延时补偿。根据式(1)计算输出信号相对输入信号的相位差，即需要补偿的延时角度。
α＝arctanωRC (1)
其中
Figure BDA0002296454560000061
其截止频率为
Figure BDA0002296454560000062
步骤2：将所述反馈信号与给定转速波形信号进行比较得到两者的频率差。
所述给定转速波形信号通过DSP生成。
步骤3：判断所述频率差是否大于等于预设值；当所述频率差大于等于预设值时进入步骤4；当所述频率差小于预设值时进入步骤5；
步骤4：当所述频率差大于等于预设值时采用速度环PI调节的方式获得PI调节量，以所述PI调节量为依据调整PWM斩波输出信号的占空比，使用所述PWM斩波输出信号调整所述BLDCM的输入电压，控制所述BLDCM的转速接近所述给定转速波形信号的频率；之后返回步骤3；
当频率差大于等于预设值时，采用速度环PI调节的方式直接对所述BLDCM的频率进行调节。PI调节是通过计算给定转速波形信号频率和反馈信号的频率差值(err)，对这个差值乘以一个比例系数kp，得到比例调节量，同时对这个差值乘以一个积分系数ki，获得积分调节量，对比例调节量和积分调节量求和获得PI调节量，并以这个PI调节量为依据去调整PWM斩波输出的占空比。PWM调节的步长较大，为粗调。使用PWM斩波输出的信号初步调整电机输入电压，控制直流无刷电机BLDCM，使得电机的转速达到参考值附近。例如，反馈信号的频率为500Hz，给定转速波形信号频率为700Hz，则一个示例性的PI调节量为+2Hz，使用该PI调节量来调整PWM占空比，使PWM占空比迅速增大，电机的驱动电压输入的时长增加，电机的转速或频率迅速上升；反馈信号的频率为700Hz，给定转速波形信号频率为500Hz，则一个示例性的PI调节量为-2Hz，使用该PI调节量来调整PWM占空比，使PWM占空比迅速减小，电机的驱动电压输入的时长减少，电机的转速或频率迅速下降。
步骤5：当所述频率差小于预设值时采用锁相环调节的方式获得所述反馈信号与所述给定转速波形信号的相位差信号，以所述相位差信号为依据调整HRPWM斩波输出信号的占空比，使用所述HRPWM斩波输出信号调整所述BLDCM的输入电压，控制所述BLDCM的转速高精度稳定在所述给定转速波形信号的频率；之后返回步骤3。
锁相环控制主要包括两个功能模块：鉴相模块(PD)、环路滤波器(LF)；
鉴相模块是锁相环的重要组成部分，实际控制中通过CPLD程序实现。鉴相模块根据DSP输出的给定转速波形信号(Uo)和从电机获取的反馈信号(Ui)，输出两者的相位差信号。鉴相模块的具体实现如图3所示，当给定转速波形信号Uo的上升沿到来时会使得PFD的输出进入一个更高的状态，除非它已经处于state＝1状态。同理，当反馈信号Ui的上升沿到来时将使其处于一个更低的状态，除非它已经处于state＝-1状态。鉴相模块PFD的输出大多数时间处于“0”状态，表示相位差为零，该状态不进行输出调节，保持相位锁定。
对应的Modelsim仿真结果如图4和图5所示，其中图4是反馈信号滞后于给定转速波形信号的仿真结果，输出的add为滞后的相位差；图5则是反馈信号超前于给定转速波形信号的仿真结果，输出的subtract为超前的相位差，并根据得到的相位差大小调节输出斩波控制信号。
环路滤波器
环路滤波器通过软件滤波实现，对捕获到的相位差信号进行IIR滤波。根据实际情况，硬盘为四对极，因此转速为7200rpm时，对应电频率为480Hz。选用IIR低通滤波器，类型为Butterworth。为了使结构简单、容易实现，滤波器阶数选用2阶，采样频率为150MHz，截至频率为500Hz，通过fdatool工具设计参数如图6所示。
通过150MHz的时钟脉冲信号对环路滤波器输出的滤波后的相位差信号进行计数，将相位差信号转化为数字量，使用该数字量调节HRPWM的输出信号占空比，HRPWM是对PWM每一步调节进行了37份细分，调节精度更高。使用HRPWM斩波输出信号调整电机输入电压，控制直流无刷电机BLDCM，使得电机的转速高精度控制在参考值。例如，反馈信号的频率为500Hz，给定转速波形信号频率为504Hz，则一个示例性的数字量为+0.04Hz，使用该数字量来调整HRPWM的输出信号占空比，使HRPWM的输出信号占空比逐渐增大，电机的驱动电压输入的时长逐渐增加，电机的转速或频率逐渐上升；反馈信号的频率为504Hz，给定转速波形信号频率为500Hz，则一个示例性的数字量为-0.04Hz，使用该数字量来调整HRPWM的输出信号占空比，使HRPWM的输出信号占空比逐渐减小，电机的驱动电压输入的时长逐渐减少，电机的转速或频率逐渐下降。
控制精度对比
现有技术中的AIO控制器是无刷直流电机专用控制器，其采用普通闭环控制的方式。通过光电传感器测速实验对本发明设计系统和AIO控制器控制的转速精度进行对比得到以下结果。
电机转速精度的高低，取决于两个转速相关的参数，转速波动率和稳态转速精度。转速波动率，是指在一定时间内所测数据的最大波动量的一半，除以其平均值，这里用δ表示。稳态转速精度，是指转速的均值和设定转速之差与设定转速的比值，这里用ε表示。
AIO控制时，最大转速7202.60rpm，最小转速7199.10rpm，平均转速7200.64rpm。
转速波动率
Figure BDA0002296454560000101
稳态转速精度
Figure BDA0002296454560000102
本发明的锁相环控制时，最大转速7201.65rpm，最小转速7198.86rpm，平均转速7200.28rpm。
转速波动率
Figure BDA0002296454560000103
稳态转速精度
Figure BDA0002296454560000104
对以上两种不同控制方式和不同测量方式的结果进行汇总得到表1所示结果。
表1转速精度对比
Figure BDA0002296454560000111
通过对比两种控制方式的控制精度，发现本文所设计锁相环控制方式的转速波动率和转速稳态精度都要优于无刷直流电机专用控制器AIO。证明该控制方式能够实现对硬盘转速的高精度控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1：采集直流无刷电机BLDCM的端电压信号，作为反馈信号输出；
步骤2：将所述反馈信号与给定转速波形信号进行比较得到两者的频率差；
步骤3：判断所述频率差是否大于等于预设值；当所述频率差大于等于预设值时进入步骤4；当所述频率差小于预设值时进入步骤5；
步骤4：当所述频率差大于等于预设值时采用速度环PI调节的方式获得PI调节量，以所述PI调节量为依据调整PWM斩波输出信号的占空比，使用所述PWM斩波输出信号调整所述BLDCM的输入电压，控制所述BLDCM的转速接近所述给定转速波形信号的频率；之后返回步骤3；
步骤5：当所述频率差小于预设值时采用锁相环调节的方式获得所述反馈信号与所述给定转速波形信号的相位差信号，以所述相位差信号为依据调整HRPWM斩波输出信号的占空比，使用所述HRPWM斩波输出信号调整所述BLDCM的输入电压，控制所述BLDCM的转速高精度稳定在所述给定转速波形信号的频率；之后返回步骤3。
2.如权利要求1所述的基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，其特征在于：所述步骤1中，在采集端电压信号之后，输出反馈信号之前，还包括采用RC电路对端电压信号进行滤波的步骤。
3.如权利要求2所述的基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，其特征在于：所述步骤1还包括，将滤波后的端电压信号输入到差分比较器中进行过零点比较，差分比较器输出矩形方波，从而得到反馈信号。
4.如权利要求3所述的基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，其特征在于：所述步骤1还包括，对差分比较器输出的矩形方波进行延时补偿，以补偿滤波电路产生的相位延时，根据式(1)计算需要补偿的延时角度，
α＝arctanωRC (1)
其中
Figure FDA0002296454550000021
其截止频率为
Figure FDA0002296454550000022
R1、R2为滤波电路中的电阻值，C为滤波电路中的电容值。
5.如权利要求1所述的基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，其特征在于：所述给定转速波形信号通过DSP生成。
6.如权利要求5所述的基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，其特征在于：所述步骤4中采用速度环PI调节的方式获得PI调节量为：通过计算所述给定转速波形信号和所述反馈信号的频率差值，对所述频率差值乘以一个比例系数kp，得到比例调节量，同时对所述频率差值乘以一个积分系数ki，获得积分调节量，对所述比例调节量和所述积分调节量求和获得所述PI调节量。
7.如权利要求6所述的基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，其特征在于：所述步骤4中以PI调节量为依据来控制BLDCM的转速的过程为：当所述给定转速波形信号的频率大于所述反馈信号的频率时，所述PI调节量为正时，使用所述PI调节量来调整所述PWM斩波输出信号的占空比，使所述PWM斩波输出信号的占空比增大，所述BLDCM的驱动电压输入的时长增加，所述BLDCM的转速或频率上升；当所述给定转速波形信号的频率小于所述反馈信号的频率时，所述PI调节量为负时，使用所述PI调节量来调整所述PWM斩波输出信号的占空比，使所述PWM斩波输出信号的占空比减小，所述BLDCM的驱动电压输入的时长减少，所述BLDCM的转速或频率下降。
8.如权利要求5所述的基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，其特征在于：所述步骤5中的所述锁相环包括鉴相模块和环路滤波器，所述鉴相模块比较所述给定转速波形信号和所述反馈信号，输出两者的相位差信号，环路滤波器对所述鉴相模块输出的相位差信号进行IIR滤波。
9.如权利要求8所述的基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，其特征在于：所述鉴相模块通过CPLD程序实现，所述环路滤波器通过软件滤波实现。
10.如权利要求8所述的基于PI和锁相环的硬盘电机稳速控制方法，其特征在于：所述步骤5中以所述相位差信号为依据来控制BLDCM的转速的过程为：通过时钟脉冲信号对所述环路滤波器输出的滤波后的相位差信号进行计数，将所述相位差信号转化为数字量，当所述给定转速波形信号的频率大于所述反馈信号的频率时，所述数字量为正，使用所述数字量来调整所述HRPWM斩波输出信号的占空比，使所述HRPWM斩波输出信号的占空比增大，所述BLDCM的驱动电压输入的时长增加，所述BLDCM的转速或频率上升；当所述给定转速波形信号的频率小于所述反馈信号的频率时，所述数字量为负，使用所述数字量来调整所述HRPWM斩波输出信号的占空比，使所述HRPWM斩波输出信号的占空比减小，所述BLDCM的驱动电压输入的时长减少，所述BLDCM的转速或频率下降。
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CN116317787A (zh) * 2023-02-24 2023-06-23 北醒（北京）光子科技有限公司 电机运转信息估计方法及相关装置
CN116317787B (zh) * 2023-02-24 2024-05-03 北醒（北京）光子科技有限公司 电机运转信息估计方法及相关装置

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