本發明涉及一種電流環路數字化方法，主要應用于跟蹤雷達伺服系統中。

背景技術：

當今雷達伺服系統在控制方式方面多采用電流環、速度環、位置環三環嵌套控制結構。電流環是最內環，在伺服系統中起著核心作用，它的快速性對整個系統的快速性的影響最為直接。從電機的數學模型可知，伺服系統的輸入電流與電機的輸出轉矩有著直接關系，電流環使電流快速跟隨外環調節器輸出量的變化，使伺服系統有足夠大的加速轉矩，因此，對電流控制的優劣直接影響著系統的動靜態響應性能。

目前，三環結構的雷達伺服系統中，電流環仍以模擬環路的形式為主。模擬電流環路需要設計專用的A/D采樣電路和校正電路，通過運算放大器來實現控制規律，其控制線路復雜、通用性差，控制效果會受到器件性能、溫度因素的影響。

數字化電流環可以通過控制軟件對反饋信號進行邏輯判斷和復雜運算，采用軟件靈活地實現各種復雜的控制規律，也避免了控制精度受器件溫度漂移的影響。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于DSP的電流環路數字化方法，以高性能DSP為核心設計數字化電流環控制器，大幅度簡化了硬件設計，提高了可靠性；DSP高速、實時的運算能力，為復雜有效的控制算法的應用創造了條件，有利于先進控制理論的工程應用實現。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

1)建立電流環數學模型其中，電流環閉環脈沖傳遞函數G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)，G₁(s)、G₂(s)、G₃(s)分別為驅動電機的零階保持器、PWM功放、電機電樞回路的傳遞函數，D(s)為電流環控制器的傳遞函數，K為比例環節，C(s)為輸出信號，R(s)為輸入信號；

2)選用霍爾傳感器對電樞電流信號進行采樣，作為電流環路的反饋信號進行閉環控制，電樞電流信號采樣周期T取1/10f_B，f_B＝ω_B/2π，ω_B是連續系統的閉環帶寬；

3)利用控制系統分析儀對電流環固有頻率特性進行測量，控制系統分析儀產生的正弦信號通過A/D變換后送入DSP，DSP輸出占空比變化的PWM信號給功放后引起電機電樞電流的變化，電流信號由霍爾傳感器反饋給控制系統分析儀，從而得到電流環從PWM信號輸出到霍爾傳感器輸出之間的固有頻率特性；根據系統開環增益、截止頻率以及穩定裕度指標，確定期望的系統開環頻率特性；

4)采用PI調節器把電流環校正成I型系統，傳遞函數其中，K_i為比例系數，T_i為積分時間常數，比例系數確保超調量在5％以內，L_a為電樞電感，R_a為電樞電路的電阻。

本發明的有益效果是：根據實際選用的功放、電機及霍爾傳感器參數進行建模，系統線性分析得到了模擬電流環及數字電流環的開環頻特性曲線及閉環單位階躍響應曲線。可以看出，數字電流環具有良好的動態性能及穩定性。

與模擬電流環相比，數字電流環在技術上具有以下優勢：

(1)數字控制器通過DSP軟件來實現，通過控制軟件對反饋信號進行邏輯判斷和復雜運算，易于靈活地實現各種復雜的控制規律，電流環的數字校正策略更加靈活，且控制器參數易調整；

(2)電流反饋信號轉換為數字信號進行運算處理，電流環誤差信號是容易處理的數字量，在軟件中可以對誤差數字量進行判斷，對輸出進行限幅保護，這對于電機及功放的保護具有實際意義；

(3)電流傳感器采用霍爾傳感器，經過A/D變換后采集到DSP芯片，DSP芯片的高采樣率提高了電流信號測量的靈敏度，降低了電流信號對噪聲的靈敏度；

(4)電流環數字化使得伺服控制的三個環路均實現了數字化，使全數字伺服系統的實現成為了可能。

附圖說明

圖1是數字電流環示意圖；

圖2是模擬電流環與數字電流環的開環頻率特性曲線圖；

圖3是模擬電流環與數字電流環的閉環單位階躍響應曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明包括但不僅限于下述實施例。

電流環的數字化難點在于數字控制器的設計，數字控制器在伺服系統中的工作，就是實時輸入數據，根據伺服系統的控制規律進行實時計算、處理、邏輯判斷和存儲，最后實時輸出數據。這些工作需要在一個很短的采樣周期(一般幾個ms)內完成的，要求處理器對伺服系統的各種信號能實時地進行處理。

本發明應用新型DSP芯片TMS320F28335來實現電流環路的數字化，電樞電流信號的采集、電流環誤差的產生、數字校正均在DSP內完成。

TMS320F28335時鐘頻率最高達150MHz，單指令周期為6.67ns，片內具有12位的模數轉換模塊ADC，ADC模塊的時鐘頻率最高為25MHz，最高轉換率為80ns，可以滿足電樞電流采樣的要求，提供的兩個采樣保持電路，可實現方位、俯仰電機電樞電流信號的同步采樣。利用ADC模塊采集到的電流信號，經過軟件濾波處理后實現電流環數字閉環，從根本上消除了模擬電流環控制線路復雜、控制精度受器件溫度漂移影響、電路參數變化對伺服回路特性影響大、可靠性差以及控制器不易更改的缺點。

本發明基于DSP芯片TMS320F28335進行了數字電流環的設計，利用該芯片快速的運算能力進行電流環誤差與數字控制器的計算以實現電流環數字閉環。數字電流環設計分為五個步驟：

1)建立數字電流環數學模型

電流環由驅動電機的電樞回路、PWM功放、電流傳感器及電流環控制器組成。設G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)，G₁(s)為零階保持器的傳遞函數，G₂(s)為PWM功放的傳遞函數，G₃(s)為電機電樞回路的傳遞函數，D(s)為電流環控制器的傳遞函數，電流傳感器的傳遞函數H(s)近似為比例環節K，可以寫出電流環閉環脈沖傳遞函數為：

其中C(s)為輸出信號，R(s)為輸入信號。

根據所選用的功放、驅動電機及電流傳感器的參數寫出功放及驅動回路的具體傳遞函數。

2)電樞電流信號采樣

對電樞電流信號進行采樣作為電流環路的反饋信號進行閉環控制。電樞電流信號采樣周期的確定是數字電流環設計中著重考慮的因素。選擇過大或過小都會給控制效果或系統的動態性能帶來負面的影響。通常跟蹤雷達伺服系統的采樣周期近似取為T≈1/10f_B，其中f_B＝ω_B/2π，ω_B是連續系統的閉環帶寬，應根據電流環的帶寬來確定采樣周期。

本發明中電流傳感器選用霍爾傳感器，應用DSP來實現電流信號的高頻率采樣，其內部的ADC模塊能夠滿足采樣周期以及轉換時間的要求，運算能力能夠滿足在電流環采樣周期內能完電流數據讀取與處理、電流環誤差的計算。在采樣方式上采用級聯排序方式進行A/D變換，并一次完成對16通道信號采樣。本發明中實際只有方位、俯仰電機電樞電流兩路信號，為了充分利用資源，把每路電流信號安排到8路A/D通道上去，啟動一次ADC就可實現對電流信號的多次采樣，并對采樣數據進行平均值濾波得到電流反饋值。

3)固有頻率特性測量

利用控制系統分析儀對電流環固有頻率特性進行測量，控制系統分析儀產生的正弦信號通過A/D變換后送入DSP，DSP輸出占空比變化的PWM信號給功放后引起電機電樞電流的變化，電流信號由霍爾傳感器反饋給控制系統分析儀，這樣可以得到電流環從PWM信號輸出到霍爾傳感器輸出這部分的固有頻率特性。根據系統開環增益、截止頻率以及穩定裕度指標，確定期望的系統開環頻率特性。

4)數字控制器設計

采用PI調節器，把電流環校正成I型系統，其傳遞函數為：

其中，K_i為比例系數，T_i為積分時間常數。比例系數取決于所需的環路截止頻率和動態性能，希望超調量控制在5％以內。為了讓電流環校正環節零點對消掉控制對象的大時間常數，選擇L_a為電樞電感，R_a為電樞電路的電阻。

依據系統開環頻率特性該特性與測得的固有頻率特性的區別確定數字控制器的參數。

5)閉環特性測試，驗證控制器參數

利用控制系統分析儀對電流環閉環特性進行測試，測試方法與固有頻率特性測試方法類似，不同是將霍爾傳感器輸出信號經過A/D變換后接入DSP。測試可以驗證系統的閉環帶寬、帶內峰值等指標，也可以通過測試系統的單位階躍響應驗證系統的時域動態性能指標。如果指標不滿足，調整數字控制參數，重復步驟五。

本發明的實施例包括以下步驟：

1.建立數字電流環數學模型

參見圖1，電流環由驅動電機的電樞回路、PWM功放、電流傳感器及電流環控制器組成，電流環控制器由DSP芯片實現。速度環的誤差信號校正后作為電流環的參考輸入信號與電流反饋信號相減產生電流環誤差信號，該信號校正后就決定了輸入給功放電路的PWM信號的占空比。在數字電流環中，電流環誤差的產生、PWM信號的產生、電流環控制器均由DSP完成。

DSP直接產生PWM信號，送給功放模塊實現對力矩電機的驅動；電流傳感器選用霍爾傳感器，霍爾傳感器輸出的電壓信號經過信號調理后由DSP內部的ADC模塊進行采集，通過軟件進行參數調節實現電流環控制。

設G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)，從DSP的輸出到PWM信號的產生用零階保持器近似，G₁(s)為零階保持器的傳遞函數，G₂(s)為PWM功放的傳遞函數，G₃(s)為電機電樞回路的傳遞函數，D(s)為電流環控制器的傳遞函數，電流傳感器的傳遞函數H(s)近似為比例環節K，可以寫出電流環閉環脈沖傳遞函數為：

其中C(s)為輸出信號，R(s)為輸入信號。

根據所選用的功放、驅動電機及電流傳感器的參數寫出功放及驅動回路的具體傳遞函數。根據本發明中實際選用的功放、電機及霍爾傳感器，得到：其中T為采樣周期；其中K_PWM為功放的電壓放大倍數，T_PWM為功放的時間常數，T_PWM＝1/f，f為功放的切換頻率；其中Ra為電樞電路的電阻，Ta為電機的電磁時間常數，Ta＝La/Ra，La為電樞電感；K取0.0326。

2.電樞電流信號采樣

對電樞電流信號進行采樣作為電流環路的反饋信號進行閉環控制。電樞電流信號采樣周期的確定是數字電流環設計中著重考慮的因素。選擇過大或過小都會給控制效果或系統的動態性能帶來負面的影響。通常跟蹤雷達伺服系統的采樣周期近似取為T≈1/10f_B，其中f_B＝ω_B/2π，ω_B是連續系統的閉環帶寬，因此應根據電流環的帶寬來確定采樣周期。

本發明中應用DSP來實現電流信號的高頻率采樣，其內部的ADC模塊能夠滿足采樣周期以及轉換時間的要求，運算能力能夠滿足在電流環采樣周期內能完電流數據讀取與處理、電流環誤差的計算。在采樣方式上采用級聯排序方式進行A/D變換，并一次完成對16通道信號采樣。本發明中實際只有方位、俯仰電機電樞電流兩路信號，為了充分利用資源，把每路電流信號安排到8路A/D通道上去，這樣啟動一次ADC就可實現對電流信號的多次采樣，并對采樣數據進行平均值濾波得到電流反饋值。

由DSP定時器1的中斷服務程序啟動ADC模塊，即0.05ms啟動一次A/D變換，將ADC的輸入時鐘ADC clock設置為最高頻率12.5MHz，充分發揮ADC模塊的最大功能，以減少轉換時間。TMS320F28335的ADC模塊偏移誤差為±15LSB，增益誤差為±30LSB，芯片出廠時OTP(One-time programmable Rom)中寫有程序ADC_cal()，調用該程序可以用校準數據初始化相關寄存器以減小轉換誤差。

3.固有頻率特性測量

利用控制系統分析儀對電流環固有頻率特性進行測量，控制系統分析儀產生的正弦信號通過A/D變換后送入DSP，DSP輸出占空比變化的PWM信號給功放后引起電機電樞電流的變化，電流信號由霍爾傳感器反饋給控制系統分析儀，這樣可以得到電流環從PWM信號輸出到霍爾傳感器輸出這部分的固有頻率特性。根據系統開環增益、截止頻率以及穩定裕度指標，確定期望的系統開環頻率特性。

4.數字控制器設計

采用PI調節器，把電流環校正成I型系統，其傳遞函數為：

其中，Ki為比例系數，Ti為積分時間常數。比例系數取決于所需的環路截止頻率和動態性能，希望超調量控制在5％以內。為了讓電流環校正環節零點對消掉控制對象的大時間常數，選擇La為電樞電感，Ra為電樞電路的電阻。

依據系統開環頻率特性該特性與測得的固有頻率特性的區別確定數字控制器的參數，取Ki為9.935。

參見圖2、圖3，使用Matlab軟件及simulink工具箱搭建電流環仿真模型，對電流環進行仿真。實線為模擬電流環曲線，虛線為數字電流環曲線。模擬電流環開環增益52.9dB，截止頻率65.3Hz，相位裕度67.7°，閉環帶寬97.6Hz，上升時間約為3ms，超調量2.8％。數字電流環相位裕度略微減小，變為62.1°，超調量2.26％。

5.閉環特性測試，驗證控制器參數

利用控制系統分析儀對電流環閉環特性進行測試，測試方法與固有頻率特性測試方法類似，不同是將霍爾傳感器輸出信號經過A/D變換后接入DSP。測試可以驗證系統的閉環帶寬、帶內峰值等指標，也可以通過測試系統的單位階躍響應驗證系統的時域動態性能指標。如果指標不滿足，調整數字控制參數，重復步驟五，直到調整到滿足系統指標為止。