李 强

(上海航空电器有限公司，上海 201101)



基于双dsPIC30F6010的双电机同步控制系统设计

李 强

(上海航空电器有限公司，上海 201101)

随着工业自动化水平的提高，多电机协调控制精度的要求越来越高。以重物提升控制为背景，在无刷直流电动机调速控制理论的基础上，设计双dsPIC30F6010协调控制双无刷直流电动机同步运行的控制系统。在典型PID控制算法的基础上融合积分分离法、不完全微分法及前馈控制法，完成单电机转速、位置双闭环的精确控制，使两个无刷直流电动机按照预定的速度曲线协调运动，从而精确地达到设定位置。使用LabWindows/CVI编写的上位机软件监控系统的运行状态，验证了所设计控制系统的合理性。

双dsPIC30F6010；无刷电机；同步控制；改进PID；LabWindows/CVI

0 引 言

重物提升装置是一种多电机协调控制装置，在工业生产中得到了广泛的应用，如电梯、升降机等，为保持重物的平衡上升、下降，控制系统需要在满足单电机位置、速度控制精度的前提下对多电机进行同步控制，才能保证装置安全可靠地工作。本文以两块dsPIC30F6010作为核心控制两无刷电机运行，实现对两个无刷电机的协调控制，使两个无刷电机在平衡、非平衡负载下都可以按照预定的速度曲线运动以达到同步运行的目的。

1 控制系统需求分析

重物提升控制系统根据重物升降过程中的起始、运行、停止3个阶段及两电机同步运行所需条件进行控制系统的需求分析。系统需实现如下功能：(1)电机正反转，以实现重物升降过程；(2)具备通讯接口，控制芯片间通信进行同步控制，控制芯片与上位机通讯实时监控系统状态；(3)具有电机转子位置传感器，根据传感器实测值与指令值进行对比分析，实现电机位置、转速精确控制；(4)根据系统实际运行参数预设电机速度曲线进行跟踪，同时作为系统同步控制精度的判定，电机速度曲线如图1所示。

图1 电机1、电机2速度给定曲线

图1中横坐标代表电机的转数N(重物位置)，纵坐标代表电机转速n；图中的“0”位是在到位信号有效时规定电机的转数为零，电机转数随负载下降而逐渐增大，反之减小；电机在0～150 r做匀加速转动；150～400 r做匀速转动，且最大转速为2 600 r/min；400～550 r做匀减速转动。

2 控制系统方案设计

根据控制系统的设计需求，设计中采用双dsPIC30F6010为主控核心对两个无刷直流电动机(以下简称BLDCM)的速度、位置进行实时控制，以达到同步控制的效果，控制系统结构框图如图2所示。系统采用旋转变压器作为BLDCM的位置传感器，分辨率较高，能够精确地进行电机转速、转数(重物位置)的计算，为同步控制提供精确的数据基础；控制系统设有过流、过压等保护单元，以提高系统可靠性。

图2 控制系统结构框图

1号dsPIC30F6010作为电机1的控制芯片(与控制单元2类似，图中没有画出其结构框图)，2号dsPIC30F6010作为电机2的控制芯片，控制芯片间通过CAN总线进行实时数据通讯，作为同步控制的依据；操作器输出指令后，1号和2号芯片分别根据系统当前状态控制相应的电机转动，通过减速器后实现对负载的提升、下放、制动以及调平操作；控制芯片与上位机间通过RS232通讯，监控单元状态，便于系统调试。

3 硬件电路设计

3.1 电机的功率驱动电路

无刷电机功率电路采用三相全桥逆变拓扑结构，如图3所示，三相桥式逆变电路由6个MOSFET功率管和RCD缓冲吸收电路构成。由电磁兼容性要求、降额设计需求，MOSFET管耐压值为100 V，导通压降很低能有效降低MOSFET管的发热量；在每个MOSFET管的源、漏极之间设计RCD缓冲吸收电路，吸收功率管在开通关断时的电压尖峰以保护MOSFET。

图3 主功率逆变电路原理图

3.2 制动器驱动电路

电机制动器辅助电机驱动负载运行，其驱动电路如图4所示。制动器绕组接于P沟道MOSFET和N沟道MOSFET之间，当两个功率管都开通时，制动器线圈得电则解除制动，电机驱动负载运动；当开关管断开时，使用续流二极管为电路提供续流通道。采用PWM斩波方式控制开关管通断，采用高端不斩波、低端斩波的工作方式控制绕组端电压在24×(1±10%) V内，以免过压损伤制动器绕组。

图4 制动器驱动电路

高端开关不斩波，使用稳压管、电阻分压、NPN三极管电平变换实现低速驱动；低端开关斩波，型号LTC4444的驱动芯片驱动N沟道MOSFET门极导通。为保证电路可靠运行，设计RC电压尖峰吸收电路；在低端功率管源极到地之间设计制动器绕组电流检测电路，经放大处理后送至dsPIC30F6010的AD采样管脚，用于系统监测。

3.3 旋变解算电路

系统使用旋转变压器作为电机转子位置传感器，其检测精度高，能够精确反映电机转子实际位置，便于软件策略的实时控制。旋变解算电路如图5所示，采用文氏桥电路产生用于旋变的正弦激励信号，旋变解算电路将反映转子位置的旋变输出信

图5 旋变解算电路

号sin和cos正交波形，通过解算芯片AD2S82输出反映电机转子实际位置的12位数字信号，用于控制芯片读取进行相应控制。AD2S82外围配置电路由电阻和电容构成，以实现引脚电平上拉、下拉、高频滤波、增益设定、最大跟踪速率设定和闭环带宽设定等功能，以保证AD2S82能够可靠工作。

3.4 检测电路

检测电路主要包括母线电压检测、母线电流检测、制动器电流检测、供电检测等电路。检测电路将得到的模拟量送入dsPIC30F6010的AD采样管脚，与程序中对应的AD阈值进行比较，以判断系统是否处在正常的工作状态，若超出范围，则在上位机上给出相应的故障显示。

4 控制软件设计

4.1 软件流程

根据重物提升系统实际的运行情况及系统控制可靠性需求，在硬件的基础上进行控制系统的软件设计。其中系统状态迁移示意图如图6所示，系统上电后，进入初始化和上电自检状态，当系统处于故障、警告等非法模式时，电机1、电机2停止转动；若无故障时，判断操作器按钮指令，确定是否进入运行状态；当出现故障时，操作面板和上位机显示相应的故障类型，进行系统状态识别。

图6 系统状态迁移示意图

当系统处于正常运行模式时，控制系统根据操作指令、系统当前状态、电机同步运行情况进行协调控制。控制程序主要包括：主程序、PWM中断程序、SCI通信程序、CAN通信程序等。其中主程序流程图如图7所示。控制系统上电后，依次执行器件初始化、上电自检测(约4～5 s)，自检无故障则进入主循环部分。主循环主要判断系统所处的运行状态以及工作阶段；更新电机转数、速度等信息并将其保存到具有记忆功能的EEPROM中，保存的数据供系统下次上电时使用；系统在工作过程中始终执行自检，若有故障，则给出相应的故障代码并屏蔽操作器指令、禁止PWM输出。

PWM中断子程序如图8所示，PWM中断时间为5 ms，在PWM中断子程序中根据读取到转子位置信息进行速度和电机转数计算、实现电机换相，同时根据所悬挂的负载重量调整PWM的输出占空比，使电机转速跟踪预设曲线，同时为电机1、电机2同步调节提供参数依据。

图7 主程序流程图

图8 PWM中断流程图

4.2 控制策略

重物提升系统中存在电机同步协调、转速稳定性高、调速范围宽等特点，本文的控制策略在传统PID的基础上进行改进，引入前馈环节、积分分离环节、不完全微分环节。其中，前馈环节属于开环控制，改善系统动态响应快速性及稳定性；积分分离环节，可以有效改善系统超调问题。控制策略结构图如图9所示，系统根据指令曲线的转速及转数，和计算的电机反馈实际转速和位置改善PID控制，使电机转速跟随指令曲线变化。

图9 控制策略结构图

5 试验

5.1 旋变解算电路测试

无刷电机转子位置信号的准确性是系统控制的核心，如图10(a)所示旋变的激励信号和正、余弦信号测试波形的关系，其中输出正、余弦信号正交且与激励信号过零点重合，说明旋变输出信号能够正确地反映电机转子的实际位置；图10(b)为解算芯片输出的12位数字量信号的波形曲线，其为典型的锯齿波，解算精确。

(a)旋变的激励与输出信号(b)解算芯片输出数据波形

图10 旋变解算电路测试波形

5.2 系统性能测试

为便于测试控制系统的性能指标，设计了一套基于LabWindows/CVI的上位机测试平台软件，通过SCI通讯接口与控制器进行RS-232通讯，将控制器的各个参数、信号波形实时显示在上位机测试平台，便于调试。

图11为电机1、电机2在不平衡负载下完成整个行程(负载从最高位置下放至最低位置后，再从最低位置提升至最高位置(到位信号有效))的速度指令、速度反馈、速度误差曲线；图12为在此过程中电机1、电机2的位置(转数)信息。从试验数据看，转速、位置反馈与设定值误差较小，不仅满足系统调速稳定性要求，同时满足双电机同步控制重物升降的技术要求。

图11 电机1、电机2速度曲线图12 电机1、电机2位置信息

6 结 语

本文根据重物提升过程中，电机同步运行的需求，提出双DSP同步控制双无刷电机运动的控制系统设计方案。根据控制需求进行硬件、软件设计，为提高系统稳定性及精度要求，采用改善的PID控制策略调节电机转速及位置。从试验结果来看，本文所设计的基于双dsPIC30F6010的双电机同步控制系统能够实现双电机同步控制的要求，控制稳定性及精度能够满足需求。对多电机的协调控制领域的发展，具有重要的理论基础及现实意义。

[1] 刘涛，王宗义，孔庆磊,等．基于CAN总线的多电机协调运动控制系统研究[J]．机床与液压，2010，38(3)：75-77.

[2] 葛研军，赵杨，杨均悦．基于双DSP的多电机协同控制系统[J]．电机与控制应用，2012，39(2)：21-24.

Synchronous Control System for Dual Motor Based on Dual dsPIC30F6010

LIQiang

(Shanghai Aviation Electric Co., Ltd.，Shanghai 201101，China)

With the improvement of industrial automation level, the control accuracy of multi-motor coordination requires higher and higher. Based on the background of weight lifting control and the theory of brushless DC motor (BLDCM) speed control, the control system with double dsPIC30F6010 for coordinated controlling double BLDCM synchronous operation was designed. Proportion integral separation, incomplete differential method and feed forward control method were combined with the typical PID control algorithm, completing accurate control of speed and position double closed loop for the single motor, to make the coordinate movement of two BLDCM in accordance with the predetermined speed curve to reach the setting position accurately. The software written by LabWindows/CVI was used to monitor the system status, validating the rationality of the designed control system.

dual dsPIC30F6010; brushless DC machine (BLDCM); synchronization control; improved PID; LabWindows/CVI

2015-04-09

TM33

A

1004-7018(2016)06-0078-04

李强(1982-)，男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电力电子与电力传动、嵌入式系统、伺服控制系统。