CN103138676A

CN103138676A - 一种电机复合控制***及其控制方法

Info

Publication number: CN103138676A
Application number: CN2012105548441A
Authority: CN
Inventors: 金建勋; 陈焱
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: CN103138676B

Abstract

本发明公开了一种电机复合控制***及其控制方法。该***包括PC机、与PC机相连的数据采集卡、驱动逆变器、电机及数据采集传感器；数据采集卡控制驱动逆变器的输出，接收数据采集传感器的数据；PC机装有虚拟仪器软件，负责数据采集处理和基于SVPWM控制策略的控制信号输出；DSP处理器中装有作为独立模块的复杂算法控制器，负责所述电机复合控制***中复杂算法的核心运算；数据采集卡的模拟数字输入输出端口通过光电转换器和光纤与DSP处理器连接，传递PC机与DSP处理器之间的数据。与现有技术相比，本发明通过DSP处理器和虚拟仪器软件并行承担不同任务，能够提高控制***的运算能力，实现复杂控制算法，提高电机控制精度。

Description

一种电机复合控制***及其控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术，特别涉及一种利用数字信号处理技术和虚拟仪器技术相结合的电机复合控制***及其控制方法，通过数字处理器和计算机平台相结合，实现电机的高效控制。

背景技术

目前，常用的电机数字伺服控制是采用数字信号处理器（DSP）作为控制***的核心，通过采集执行机构运行时的状态量，在DSP内部运算处理，根据一定的算法去控制执行器运行。其原理如说明书附图中图1所示。但由于DSP的运算及处理速度有一定限度（如常用的TI公司TMS320F28X型DSP，其最大处理速度为150 MIPS），很难对电机采用更为复杂、更精密的控制算法（如模糊控制处理算法、自适应控制处理算法、神经网络控制处理算法以及滑模控制处理算法等）。另一方面，由于DSP的片内存储空间不够大，而比较优越的控制算法不仅需要高效的运算能力，而且需要相对比较大的存储空间，这也使得单独的DSP控制***无法实现复杂控制算法。

申请号为201010218924.0的发明专利申请，是本申请人的前期研究成果，公开了一种利用虚拟仪器技术的电机控制***。其原理如说明书附图中图2所示。该***将多功能数据采集卡与PC机作为整个控制***的核心，直接利用PC机中的CPU对数据采集卡采集到的数据进行处理，在一定程度上提高了***的处理控制能力，但该***在实现复杂控制算法上仍然存在不足。虽然单纯的计算机运算能力远大于DSP，但是在现有操作***环境下，主要是由于底层内核或Windows内务处理导致虚拟仪器软件的运算能力不稳定，因此虚拟仪器软件的运行速度并没有单纯的控制器（DSP）效果好，特别是在复杂控制算法上尤为明显。另一方面，由于数据采集卡和虚拟仪器软件运行的平台并非确定性的实时操作***，在此基础上运行的控制算法难以单靠软件定时来准确设定循环时间，这对控制效果也存在严重影响。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种利用数字信号处理（DSP）技术和虚拟仪器技术相结合、能实现复杂算法、并实现电机高精度控制的电机复合控制***及其控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提出一种电机复合控制***，包括PC机、通过总线方式（可以是PCI或PXI）与PC机相连的数据采集卡、驱动逆变器、电机及用于采集电机当前运行状态的数据采集传感器。数据采集卡的6路数字输出口与驱动逆变器对应的功率开关接口进行连接，控制驱动逆变器的输出；数据采集卡的模拟输入端口和正交编码端口与数据采集传感器的输出端口连接，接收数据采集传感器的数据；PC机装有虚拟仪器软件，负责数据采集处理和基于SVPWM控制策略的控制信号输出；DSP处理器中装有作为独立模块的复杂算法控制器，负责所述电机复合控制***中复杂算法的核心运算；数据采集卡的模拟数字输入输出端口通过光电转换器和光纤（由于传输的信号中模拟信号会有一定的干扰，为避免噪声干扰采用了光纤通信技术，根据现场环境可选用屏蔽线代替）与DSP处理器连接，传递PC机与DSP处理器之间的数据。

在采用数字信号处理器（DSP）作为核心的传统控制***中，所有的控制程序（包括数据采集、数据的转化和处理、保护程序、显示程序、控制程序以及数据输出程序）均放在DSP中，但是DSP是一种串行处理器，在不同的程序中跳转时需要经过压栈、出栈等一系列的处理，这大大降低了DSP的运算能力，限制了复杂控制算法的引入。在采用虚拟仪器技术作为核心的电机控制***中，由于现有操作***下虚拟仪器软件的运算能力不稳定，且定时不准确，同样无法实现复杂控制算法。因此，无论单独的DSP或者单独的虚拟仪器软件电机控制***均很难实现复杂的控制算法，而发明提出的DSP和虚拟仪器软件复合控制***则可以实现这类复杂控制算法。

本发明提出的电机复合控制***，以数据采集卡、装有虚拟仪器软件的PC机、DSP处理器共同作为控制核心，通过数据采集卡作为PC机和DSP处理器通信的桥梁。在整个控制***中，把复杂算法控制器（控制算法核心）作为一个独立模块放在DSP处理器里面，使DSP处理器工作在一种重复性的高速运算状态，而数据的采集、转化、处理和输出、保护程序、显示程序、SVPWM控制程序则在PC机的虚拟仪器软件中运行；DSP处理器和虚拟仪器软件中的程序是并行运行的，两者之间通过数据采集卡进行数据的传输。在这过程中，虚拟仪器软件可以通过设定采样率来设定程序的循环时间，此时用到的时钟是采集卡板卡的时钟，精确度为μs级别。虚拟仪器软件中的程序不需要大量的计算，采样率可以达到100 KHz（循环时间为10 μs），DSP处理器中的程序只是对采样点进行算法控制器的计算，循环周期为35 μs（自适应控制算法），因为两者是并行运行的，相互之间互不影响，所以可以取循环时间最大作为整个控制***的时间，留点余量，可得到复合控制***的采样率为20 KHz，这在电机控制领域完全可以达到控制要求。

所述电机复合控制***所采用的控制方法，包括：

A.程序的初始化：将复杂算法控制器作为独立模块置入DSP处理器中，将SVPWM程序、数据采集及处理程序放入装有虚拟仪器软件的PC机内，在虚拟仪器软件控制面板中设置模拟数字输入输出以及正交编码端口、SVPWM周期、采样率、电机运行的位移及方向参数。

B.电机的闭环运行：数据采集传感器采集电机当前运行状态，经数据采集卡送入PC机内进行数据处理，处理后的数据与设定的位移参数一起经数据采集卡、通过光电转换器和光纤传输到DSP处理器内的复杂算法控制器进行计算，然后把计算结果通过光电转换器和光纤、经数据采集卡返回到PC机内，PC机内的SVPWM程序根据计算结果控制数据采集卡向驱动逆变器发出逆变信号，以调节电机的运行状态，实现对电机的闭环控制、维持电机正常运动。

C.电机的制动：当电机位移达到设定值或操作者点击虚拟仪器软件中的停止按键时，PC机内的SVPWM程序控制数据采集卡向驱动逆变器发出制动信号，电机停止运动。

上述电机复合控制***及其控制方法中：所述数据采集卡为***PC机PCI插槽的PCI板卡，或***PXI机箱的PXI板卡。所述数据采集传感器包括采集电机三相电流的电流传感器和采集电机位移的位移传感器；或，所述数据采集传感器包括采集电机三相电流的电流传感器，采集电机位移的位移传感器，及采集电机转矩的力性传感器。所述虚拟仪器软件为LabVIEW，或与LabVIEW具有相似功能的其他软件等。所述复杂算法为模糊控制处理算法，或自适应控制处理算法，或神经网络控制处理算法，或滑模控制处理算法，等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过DSP处理器和虚拟仪器软件并行承担不同任务，在相同的硬件设备下提高了控制***的运算能力，能够在控制***中实现复杂算法，进而能够提高电机控制精度，扩大电机调速范围。这是单独基于DSP或者单独基于虚拟仪器技术的电机控制***都无法实现的。

附图说明

图1是基于DSP的电机控制***原理图。

图2是基于虚拟仪器技术的电机控制***原理图。

图3是本发明的电机复合控制***原理图，图中虚线框内为电机复合控制***的控制核心部分。

图4是实施例1在一个PWM周期内的控制流程示意图，其中虚线框内为DSP处理器内的程序。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例1

如图3、图4所示。本实施例以基于自适应控制处理算法的直线电机复合控制***为例。电机复合控制***包括PC机、数据采集卡为***PC机PCI插槽的PCI板卡、直线电机的驱动逆变器、直线电机及用于采集电机当前运行状态的数据采集传感器。数据采集卡的6路数字输出口与驱动逆变器对应的功率开关接口进行连接，控制驱动逆变器的输出；数据采集卡的模拟输入端口和正交编码端口与数据采集传感器的输出端口连接，接收数据采集传感器的数据；PC机装有LabVIEW软件，负责数据采集处理和基于SVPWM控制策略的控制信号输出；DSP处理器中装有作为独立模块的自适应控制器，负责所述电机复合控制***中自适应控制处理算法的核心运算；数据采集卡的模拟数字输入输出端口通过光电转换器和光纤与DSP处理器连接，传递PC机与DSP处理器之间的数据。所述数据采集传感器包括采集电机三相电流的电流传感器，采集电机位移的位移传感器，及采集电机转矩的力性传感器。

PC机的具体参数：CUP为酷睿i3 2100，3.3 GHz主频，4 G内存。数据采集卡为NI公司的PCI-6289：32路模拟输入（500 ks/s-多通道,625 ks/s-单通道），4路模拟输出(2.8 Ms/s)，48条数字I/O线；高达10 MHz的关联数字I/O；每条输入通道包括7档可编程的输入范围（±100 mV - ±10 V）；模拟和数字触发；4个带有可编程偏移和电压参考的波形模拟输出及2个80 MHz计数器/定时器。DSP处理器是美国TI公司的TMS320F2812：32位，运行时钟为150 MHz，处理性能为150 MIPS，每条指令周期6.67 ns，两个串口，具有12位的0~3.3V的AD转换，具有128 k×16位的片内FLASH，18 K ×16 位的SRAM。逆变器由6个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）组成桥式逆变器。电流传感器采用Tamura 公司的L07P010D15，输入为±15 A，输出为±4 V。位移传感器是GIVI公司的SCR3923增量式光栅尺，精度为3 μm，有效长度为两米。力性传感器由西南传感器公司制造，输入为0~1000 kg，输出为0~5 V。

本实施例控制***对直线电机的控制方法为：

A.程序的初始化：将自适应控制器作为独立模块置入DSP处理器中，将SVPWM程序、数据采集及处理程序放入装有LabVIEW软件的PC机内，在LabVIEW控制面板中设置模拟数字输入输出以及正交编码端口、SVPWM周期、采样率、电机运行的位移及方向参数。

点击LabVIEW中的启动按键，控制SVPWM程序输出启动电压，控制电机的转子达到零点位置，为后续闭环控制正常运行做准备。

B.电机的闭环运行：点击LabVIEW中的运行按键，由电流传感器、位移传感器和力性传感器采集电机当前的电流、位移和拉力值，经数据采集卡送入PC机内进行数据的转化和处理。其中，位移值作为位移反馈值S，经过计算得到当前电机的速度值（作为速度反馈值V）和电角度，并经过LabVIEW显示程序显示出来；三相电流值经过Park、Clark坐标变化得到用于电机转矩控制的q轴电流i_q以及用于电机磁场控制的d轴电流i_d，作为电流反馈值；拉力值则经过LabVIEW显示程序直接显示出来。得到的位移反馈值S、速度反馈值V和电流反馈值，与程序初始化步骤中设置的位移参数（即位移设定值S_ref）一起经数据采集卡、通过光电转换器和光纤传输到DSP处理器内进行计算。其中，位移设定值S_ref与位移反馈值S的偏差经自适应控制器调节，得到速度设定值V_ref；速度设定值V_ref与速度反馈值V的偏差经自适应控制器调节，得到q轴电流设定值i_q-ref；q轴电流设定值i_q-ref与q轴电流i_q的偏差和0与d轴电流i_d的偏差分别经自适应控制器调节，得到d-q坐标系下的参考电压分量U_d和U_q。然后把计算结果（U_d和U_q）通过光电转换器和光纤、经数据采集卡返回到PC机内，再和当前电机的电角度一起经过Park^-1程序转化为α-β坐标系下的参考电压分量U_α和U_β，最后PC机内的SVPWM程序根据计算结果（U_α和U_β）控制数据采集卡向驱动逆变器发出逆变信号，以调节电机的运行状态，实现对电机的闭环控制、维持电机正常运动。

C.电机的制动：当电机位移达到位移设定值或操作者点击LabVIEW中的停止按键时，PC机内的SVPWM程序控制数据采集卡向驱动逆变器发出制动信号，电机停止运动。

实施例2

如图3所示。本实施例以基于模糊控制处理算法的旋转电机复合控制***为例。与实施例1相同的地方不再重复叙述，不同之处在于：数据采集卡为***PXI机箱的PXI板卡；所述数据采集传感器包括采集电机三相电流的电流传感器和采集电机位移的位移传感器；所述电机为旋转电机。

数据采集卡为NI公司的NI PXIe-6368：16路同步模拟输入（32 Ms/s总吞吐量，16位分辨率），4路模拟输出(3.33 ms/s，±10 V)，48条数字I/O线；4路针对PWM、编码器、频率、事件计数的32位计数器/定时器。PXI机箱为NI公司的NI PXI-1042系列: 内置10 MHz参考时钟、PXI触发总线、星型触发和局部总线，操作温度为0-55 °C。PXI机箱与PC机通过MXI接线盒连接。采集电机位移的位移传感器为HENGSTLER公司的AC58，绝对精度为±35″，输入电压为5 VDC，连续运行转速可达10000 min^-1。

本实施例控制***对旋转电机的控制方法为：

A.程序的初始化：将模糊控制器作为独立模块置入DSP处理器中，将SVPWM程序、数据采集及处理程序放入装有LabVIEW软件的PC机内，在LabVIEW控制面板中设置模拟数字输入输出以及正交编码端口、SVPWM周期、采样率、电机运行的位移及方向参数。

B.电机的闭环运行：点击LabVIEW中的运行按键，由电流传感器和位移传感器采集电机当前的电流和位移，经数据采集卡送入PC机内进行数据的转化和处理。其中，位移值作为位移反馈值S，经过计算得到当前电机的速度值（作为速度反馈值V）和电角度，并经过LabVIEW显示程序显示出来；三相电流值经过Park、Clark坐标变化得到用于电机转矩控制的q轴电流i_q以及用于电机磁场控制的d轴电流i_d，作为电流反馈值。得到的位移反馈值S、速度反馈值V和电流反馈值，与程序初始化步骤中设置的位移参数（即位移设定值S_ref）一起经数据采集卡、通过光电转换器和光纤传输到DSP处理器内进行计算。其中，位移设定值S_ref与位移反馈值S的偏差经模糊控制器调节，得到速度设定值V_ref；速度设定值V_ref与速度反馈值V的偏差经模糊控制器调节，得到q轴电流设定值i_q-ref；q轴电流设定值i_q-ref与q轴电流i_q的偏差和0与d轴电流i_d的偏差分别经模糊控制器调节，得到d-q坐标系下的参考电压分量U_d和U_q。然后把计算结果（U_d和U_q）通过光电转换器和光纤、经数据采集卡返回到PC机内，再和当前电机的电角度一起经过Park^-1程序转化为α-β坐标系下的参考电压分量U_α和U_β，最后PC机内的SVPWM程序根据计算结果（U_α和U_β）控制数据采集卡向驱动逆变器发出逆变信号，以调节电机的运行状态，实现对电机的闭环控制、维持电机正常运动。

Claims

1.一种电机复合控制***，包括PC机、通过总线方式与PC机相连的数据采集卡、驱动逆变器、电机及用于采集电机当前运行状态的数据采集传感器；数据采集卡的6路数字输出口与驱动逆变器对应的功率开关接口进行连接，控制驱动逆变器的输出；数据采集卡的模拟输入端口和正交编码端口与数据采集传感器的输出端口连接，接收数据采集传感器的数据；其特征在于：PC机装有虚拟仪器软件，负责数据采集处理和基于SVPWM控制策略的控制信号输出；DSP处理器中装有作为独立模块的复杂算法控制器，负责所述电机复合控制***中复杂算法的核心运算；数据采集卡的模拟数字输入输出端口通过光电转换器和光纤与DSP处理器连接，传递PC机与DSP处理器之间的数据。

2.根据权利要求1所述的电机复合控制***，其特征在于：所述数据采集卡为***PC机PCI插槽的PCI板卡，或***PXI机箱的PXI板卡。

3.根据权利要求1所述的电机复合控制***，其特征在于：所述数据采集传感器包括采集电机三相电流的电流传感器和采集电机位移的位移传感器；或，所述数据采集传感器包括采集电机三相电流的电流传感器，采集电机位移的位移传感器，及采集电机转矩的力性传感器。

4.根据权利要求1至3任一所述的电机复合控制***，其特征在于：所述虚拟仪器软件为LabVIEW。

5.根据权利要求1至3任一所述的电机复合控制***，其特征在于：所述复杂算法为模糊控制处理算法，或自适应控制处理算法，或神经网络控制处理算法，或滑模控制处理算法。

6.如权利要求1所述的电机复合控制***所采用的控制方法，包括：

A.程序的初始化：将复杂算法控制器作为独立模块置入DSP处理器中，将SVPWM程序、数据采集及处理程序放入装有虚拟仪器软件的PC机内，在虚拟仪器软件控制面板中设置模拟数字输入输出以及正交编码端口、SVPWM周期、采样率、电机运行的位移及方向参数；

B.电机的闭环运行：数据采集传感器采集电机当前运行状态，经数据采集卡送入PC机内进行数据处理，处理后的数据与设定的位移参数一起经数据采集卡、通过光电转换器和光纤传输到DSP处理器内的复杂算法控制器进行计算，然后把计算结果通过光电转换器和光纤、经数据采集卡返回到PC机内，PC机内的SVPWM程序根据计算结果控制数据采集卡向驱动逆变器发出逆变信号，以调节电机的运行状态，实现对电机的闭环控制、维持电机正常运动；

7.根据权利要求6所述的电机复合控制***所采用的控制方法，其特征在于：所述数据采集卡为***PC机PCI插槽的PCI板卡，或***PXI机箱的PXI板卡。

8.根据权利要求6所述的电机复合控制***所采用的控制方法，其特征在于：所述数据采集传感器包括采集电机三相电流的电流传感器和采集电机位移的位移传感器；或，所述数据采集传感器包括采集电机三相电流的电流传感器，采集电机位移的位移传感器，及采集电机转矩的力性传感器。

9.根据权利要求6至8任一所述的电机复合控制***所采用的控制方法，其特征在于：所述虚拟仪器软件为LabVIEW。

10.根据权利要求6至8任一所述的电机复合控制***所采用的控制方法，其特征在于：所述复杂算法为模糊控制处理算法，或自适应控制处理算法，或神经网络控制处理算法，或滑模控制处理算法。