專利名稱：伺服直流電機驅動控制裝置及方法
伺服直流電機驅動控制裝置及方法技術領域
本發明屬于直流電機驅動器控制的技術領域，主要涉及一種伺服直流電機驅動控制裝置及方法。
背景技術：
隨著現代化進程的不斷深入，自動化設備被大量的應用在生活當中。作為主要動力源的直流電機被廣泛的應用于各類小型自動控制系統上，例如智能機器人，自動卷簾門，電動車等。傳統的直流電機調速方法很多，如調壓調速、弱磁調速等，它們存在著調速響應慢、精度差、調速裝置復雜等缺點。隨著全控式電力電子器件技術的發展，以大功率晶體管作為開關器件的直流脈寬調制(PWM)調速系統已成為直流調速系統的主要發展方向。
現有技術中，專利名稱為一種直流電機驅動器及驅動方法，公開號為:CN101478279，采用手動搭建的H橋電路作為驅動電路，對直流電機進行控制。此方法由于是手動搭建的電路，大大增加了控制策略與控制方法的復雜性，電機的制動與轉向都需要通過軟件的方式實現，而且手動搭建的全橋設別，并且缺少相應的過流過熱保護措施，一旦電機出現問題不能及時響應，而且其轉子位置檢測電路也是自行設計的，其準確性及精度遠遠低于光電編碼器，在精確控制上遠遠達不到機器人控制的標準。
在PID控制方面，在常規的全數字伺服驅動控制常采用PID控制器來控制電機的電流和速度。比例-積分-微分(PID)控制器是電機控制中最常見的一種控制調節器，它是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量的，系統由PID控制器和被控對象組成。
常規的PID控制原理如圖1所示。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r (t)與實際輸出值u (t)構成控制偏差:e(t) = r (t)-u(t)
將偏差的比例⑵、積分⑴和微分⑶通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱為PID控制器。其控制規律為:
u{t) = Kp e{t) + j\\{t)dt + Td^-
式中Kp為比例放大系數Ji為積分時間系數；Td為微分時間系數。
但在實際直流電機實驗調試過程中，經常出現一組控制參數只適用于某一特定輸入，即系統的控制性能并不能一直保持最佳，有時和理想的效果相差相當大。由于受到參數整定方法煩雜的困擾，因此需要在改變輸入時的同時進行PID參數的再次整定，以保證系統的性能。由此可知，原有的直流電機驅動控制PID參數整定方法，控制性能欠佳，無法滿足現在伺服驅動的高精度要求。發明內容
本發明的主要目的在于提供一種伺服直流電機驅動控制裝置及方法，其可克服現有的缺陷，控制性能好，精度高。
為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
一種伺服直流電機驅動控制裝置，其包括:DSP模塊、全橋驅動模塊、電流傳感器模塊、電源模塊、通訊模塊及光編信號處理電路，所述的電源模塊為所述的DSP模塊、電流傳感器模塊、全橋驅動模塊提供電能；
DSP模塊，通過脈寬調制技術發出脈寬調制信號，通過所述的全橋驅動模塊將信號放大至直流電機的額定電壓，控制直流電機；
所述的電流傳感器模塊串聯在所述的全橋驅動模塊與直流電機之間，用于讀取直流電機的電流值，并將其傳輸給所述的DSP模塊；
所述的通訊模塊與DSP模塊相連接，用于直流電機與其他設備的通訊。
上述的通訊模塊包括232通訊模塊及CAN通訊模塊。
上述的DSP模塊，包括通信模塊、數據采集模塊、PWM全橋控制模塊和模糊PID控制模塊，所述的模糊PID控制模塊對PWM全橋控制模塊的參數進行調整，所述的PWM全橋控制模塊對全橋驅動模塊進行控制實現對直流電機的運動控制；所述的數據采集模塊為所述的模糊PID控制模塊和PWM全橋控制模塊提供碼盤、電流等反饋信息。
一種伺服直流電機驅動的控制方法，其包括以下步驟:
a.通過所述的光編信號處理電路，采集直流電機的速度，并將該速度輸入DSP模塊進行處理；
b.通過電流傳感器模塊，采集直流電機的電流,并將該電流信息傳輸給DSP模塊進行處理，實現對直流電機的控制。
優選地，在步驟a中，由所述的DSP模塊的通信模塊接收直流電機的速度，然后將該信息發送給所述的數據采集模塊，然后通過所述的模糊PID控制模塊進行參數調整，調整后的參數，通過所述的PWM全橋控制模塊實現對直流電機進行控制。
在所述的模糊PID控制模塊中，輸入其中的速度參量，有給定值和速度的實際值，這兩個參數經比較器相減，得到速度偏差ev，并把速度偏差ev作為速度PI調節器的輸入，經過PI計算，產生速度環PI調節器的輸出。
優選地，步驟b中，由所述的DSP模塊的通信模塊接收直流電機的電流，然后將該信息發送給所述的數據采集模塊，然后通過所述的模糊PID控制模塊進行參數調整，調整后的參數，通過所述的PWM全橋控制模塊對直流電機進行控制。
優選地，輸入所述的模糊PID控制模塊的參量，有速度環PI調節器的輸出值、電流的實際值，這兩個參數經比較器相減，得到電流偏差ei，并把電流偏差ei作為電流PI調節器的輸入，經過PI計算，產生電流環PI調節器的輸出，用于設置PWM的占空比。
采用上述技術方案后，本發明提供一種PID參數模糊自整定的伺服直流電機驅動控制裝置及方法，采用DSP模塊作為主控制器，速度快，效率高，成本低，可自行編程滿足控制需求；采用A3950全橋驅動模塊減小了電路的體積，自帶的保護系統增大了安全系數，自帶的正反轉控制器可通過引腳控制電機正反轉，減少了控制程序；增加電流傳感器與光電信號處理電路可以實現直流電機的閉環控制；PID參數調節采用本發明的方法，應用了人工智能的理論，把專家的知識庫作為PID參數調整的規則庫，能夠在線實時的調整PID參數，控制性能好，精度高，使直流電機的運行具有更高的穩定性和魯棒性。


圖1是常規PID控制原理圖。圖2是本發明直流電機驅動閉環控制裝置的原理框圖。圖3是本發明DSP模塊與其它模塊的電路接口圖。圖4是本發明全橋驅動模塊及電流傳感器模塊的電路原理圖。圖5是本發明DSP模塊的結構框圖。圖6是本發明伺服直流電機驅動控制方法框圖。圖7是模糊控制規則表一。圖8是模糊控制規則表二。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。參考圖2所示，本發明公開了一種伺服直流電機驅動控制裝置，其包括:DSP模塊
1、全橋驅動模塊2、電流傳感器模塊3、電源模塊4、通訊模塊、光編信號處理電路6、指示燈7及按鈕8，其中:DSP模塊I，其采用TI公司最新推出的32位的Piccolo系列的TMS320F28035來進行設計，此款DSP體積小，最高主頻可達60MHz，具有64K Flash, 14路12位AD，12路PWM，I組 QEP，I 組 CAP，33 個通用 10，SPI，SCI，以及 CAN 接口。TMS320F28035 有 80 腳和 64 腳兩種封裝形式，本設計選擇體積最小的64腳封裝。在本實施例中，參考圖5所示，DSP模塊I，包括通信模塊11、數據采集模塊12、PWM全橋控制模塊13和模糊PID控制模塊14四個模塊，其中模糊PID控制模塊14對PWM全橋控制模塊的參數進行調整，PWM全橋控制模塊13對外部A3950全橋驅動模塊2進行控制實現對直流電機的運動控制。數據采集模塊12為模糊PID控制模塊14和PWM全橋控制模塊13提供碼盤、電流等反饋信息用于閉環計算。通信模塊實現對系統參數、變量的設置、讀取
坐寸ο參考圖4所示，全橋驅動模塊2，在本實施例中，選擇Allegro公司為直流電動機的PWM(脈寬調制)控制設計的全橋式電機驅動芯片A3950，它能夠承受峰值輸出電流達±2.8A，承受最高電壓達到36V。它內部集成了過電流保護、接地短路保護、內部欠壓保護及過熱保護，并集成了電機的自然自動與反向自動，提高了電機的控制精度。電流傳感器模塊3，在本實施例中，選擇Allegro公司的ACS712ELC-05B-T，5A電流傳感器，它是單電源5V供電，精度為1.5%，內部2.1KV的高壓隔離，具有6us的響應時間，靈敏度可以達到185mV/A，小外形封裝，可以用來代替傳統的電流傳感器。當電流為OA通過時輸出基準電壓為2.5V。參考圖2、3所示，電流傳感器模塊3串聯在全橋驅動模塊2與直流電機9之間，其輸出端與TMS320F28035的ADCINB3、ADCINB4相連接，通過其讀取直流電機9的電流值，從而實現對直流電機電流環的閉環控制。
電源模塊4，其采用M0RNSUN公司的超寬電壓輸入、隔離穩壓單路輸出電源模塊WRB2405N-2W。此電源模塊具有18 36V的寬電壓輸入范圍，具有1500VDC隔離穩壓單電源5V路輸出，輸出電壓精度為±1%，輸出電流為0.44。此電源模塊為雙排6腳封裝，焊接更加穩固，且體積小，具有可持續短路保護等功能。
通訊模塊，在本實施例中，其包括有232通訊模塊51及CAN通訊模塊52，分別與DSP模塊I相連。
CAN 通訊模塊 52 與 232 通訊模塊 51 與 DSP 模塊 I (TMS320F28035)的 CANTX、CANRX、SCITX、SCIRX相連接，來實現直流電機驅動控制板與其他設別的通訊，使其能夠應用到工業控制當中。
配合圖3所示，電源模塊4分別連接DSP模塊1、全橋驅動模塊2、電流傳感器模塊3和直流電機9相連接，為其提供電源。DSP模塊I分別于全橋驅動模塊2、電流傳感器模塊3、CAN通訊模塊52、232通訊模塊51和光編信號處理電路6相連接；電流傳感器模塊3與直流電機5相連接。，光編信號處理電路6與直流電機相連。
光編信號處理電路6與直流電機9的軸相連接,光編信號處理電路6的信號輸出端A、B、Z通過光編信號處理電路分別與型號為TMS320F28035的的DSP模塊I的INA、INB、INZ相連接，通過TMS320F28035的正交脈沖編碼模塊(QEP)的處理，來測量直流電機的轉速及轉子的位置，從而實現對直流電機轉速與位置的閉環控制。
直流電機驅動控制板上的按鍵8與指示燈7實現對直流電機9的上下電控制與指示當前電機的運行狀態。
本發明是以型號為DSP28035的DSP模塊I為主控制芯片，通過ePWM模塊產生控制信號，再通過全橋驅動模塊2中的保護模塊及驅動芯片A3950對直流電機進行速度控制，再通過電流傳感器模塊3，光電編碼器電路6等測量電機參數，并把參數反饋給DSP模塊1，根據參數對直流電機進行閉環控制，使直流電機9的運行狀態更加穩定。
使用時，DSP模塊I通過脈寬調制技術發出脈寬調制信號，通過全橋驅動模塊2將信號放大至直流電機9的額定電壓，控制直流電機9，通過電流傳感器模塊3與光電編碼器6對直流電機9的參數進行采樣，并把數據反饋給DSP模塊1，DSP模塊I經過對這些信號的分析來對直流電機9進行閉環控制，大大增大了控制直流電機的精確度與穩定性。
參考圖3所示，將型號為TMS320F28035的DSP模塊I的通用IO端口 56、55、54、和53分別與A3950的MODE、PHASE、ENABLE和SLEEP管腳相連接。其中MODE引腳控制直流電機的制動，PHASE引腳控制電機的旋轉方向，ENABLE引腳是電機使能，SLEEP引腳可以使全橋驅動模塊進入休眠模式，降低功耗。
將A3950的OUTA引腳與直流電機的+極相連，OUTB引腳與直流電機的-極相連。
通過TMS320F28035的ePWM功能來實現脈寬調制，使用EVA模塊中的通用定時器周期寄存器來設置PWM信號的載波周期，通過設置定時器比較寄存器來設置占空比，只需改變占空比，就可實現直流電機調速功能，通過設置PWM死區寄存器來設置死區時間，防止全橋驅動模塊2上下橋臂同時導通損壞器件。
本發明還公開了一種伺服直流電機驅動控制方法，其包括以下步驟:
a.通過所述的光編信號處理電路6，采集直流電機的速度，并將該速度輸入DSP模塊進行處理；
在此步驟中，具體地講，是指由DSP模塊I的通信模塊11接收直流電機的速度，然后將該信息發送給數據采集模塊12，然后通過模糊PID控制模塊14進行參數調整，調整后的參數，通過PWM全橋控制模塊13進行控制。參考圖6所示，在模糊PID控制模塊14中，其是相當于一個速度控制環。在速度控制環中，其輸入的參量有速度的給定值、速度的實際值，這兩個參數經比較器相減，得到速度偏差ev，并把速度偏差ev作為速度PI調節器的輸入，經過PI計算，產生速度環PI調節器的輸出，作為電流環的輸入之一。b.通過電流傳感器模塊3，采集直流電機的電流，并將該電流信息傳輸給DSP模塊進行處理，實現對直流電機的控制:在此步驟中，具體地講，是指由DSP模塊I的通信模塊11接收直流電機的電流，然后將該信息發送給數據采集模塊12，然后通過模糊PID控制模塊14進行參數調整，調整后的參數，通過PWM全橋控制模塊13進行控制。參考圖6所示，其是相當于一個電流控制環。在電流控制環中，其輸入的參量有速度環PI調節器的輸出值、電流的實際值，這兩個參數經比較器相減，得到電流偏差ei，并把電流偏差ei作為電流PI調節器的輸入，經過PI計算，產生電流環PI調節器的輸出，用于設置PWM的占空比，從而到達控制電機的目的。速度控制環及電流控制環中，均設有速度調節器、電流調節器，為了獲得良好的靜、動態性能，速度調節器和電流調節器采用PI控制。模糊PID控制模塊14，參考圖6所示，其輸入參量為速度環和電流環相應的偏差e、偏差變化率忍在運行中通過不斷檢測e和忍根據模糊控制原理來對PI參數進行在線修改，以滿足不同e和名時對控制參數的不同要求，從而使電機有良好的靜、動態性能。PID參數模糊自整定是在PID算法的基礎上，通過計算當前系統偏差e和偏差變化率 < 利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊規則進行參數調整。定義系統偏差e和偏差變化率成變化范圍的模糊子集為
e,Ss= {NB, NM, NS, O, PS, PM, PB}定義PID參數的修正量的模糊子也為Δ Kp, AKi = {NB, NM，NS, O, PS, PM, PB}子集中的元素分表代表負大,負中，負小,零,正小,正中，正大。模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表，得到針對Kp、K1、Kd三個參數分別整定的模糊控制表。電流控制環采用PI控制規律，本方案中Kd為零，同樣控制參數調整方法同樣運用于Kd不等于O的情形。通過實驗調整和驗證，針對本系統建立了下面的模糊規則表。Δ Kp的模糊控制規則表如圖7所示: Δ Ki的模糊控制規則如圖8所示:Δ Kp, AKi的控制規則表建立好后，可根據如下方法進行ΛΚρ、AKi的自適應校正。應用設計的PID參數模糊矩陣表，查出修正參數，即可以得到PI參數調整的算式:
_] Kp = Kp0+Δ Kp
Ki = Ki0+ A Ki
其中KpQ、Ki0為Kp、Ki的初始值
把經過修正的KpKi參數，輸入到PI控制器，即可實現PI參數的在線調整，從而能夠產生更好的控制效果。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種伺服直流電機驅動控制裝置，其特征在于:其包括=DSP模塊、全橋驅動模塊、電流傳感器模塊、電源模塊、通訊模塊及光編信號處理電路，所述的電源模塊為所述的DSP模塊、電流傳感器模塊、全橋驅動模塊提供電能； DSP模塊，通過脈寬調制技術發出脈寬調制信號，通過所述的全橋驅動模塊將信號放大至直流電機的額定電壓，控制直流電機； 所述的電流傳感器模塊串聯在所述的全橋驅動模塊與直流電機之間，用于讀取直流電機的電流值，并將其傳輸給所述的DSP模塊； 所述的通訊模塊與DSP模塊相連接，用于直流電機與其他設備的通訊。
2.根據權利要求1所述的伺服直流電機驅動控制裝置，其特征在于:所述的通訊模塊包括232通訊模塊及CAN通訊模塊。
3.根據權利要求1或2所述的伺服直流電機驅動控制裝置，其特征在于:所述的DSP模塊，包括通信模塊、數據采集模塊、PWM全橋控制模塊和模糊PID控制模塊，所述的模糊PID控制模塊對PWM全橋控制模塊的參數進行調整，所述的PWM全橋控制模塊對全橋驅動模塊進行控制實現對直流電機的運動控制；所述的數據采集模塊為所述的模糊PID控制模塊和PWM全橋控制模塊提供碼盤、電流等反饋信息。
4.一種伺服直流電機驅動的控制方法，其特征在于:其包括以下步驟: a.通過所述的光編信號處理電路，采集直流電機的速度，并將該速度輸入DSP模塊進行處理； b.通過電流傳感器模塊,采集直流電機的電流,并將該電流信息傳輸給DSP模塊進行處理，實現對直流電機的控制。
5.根據權利要求4所述的伺服直流電機驅動的控制方法，其特征在于:在步驟a中，由所述的DSP模塊的通信模塊接收直流電機的速度，然后將該信息發送給所述的數據采集模塊，然后通過所述的模糊PID控制模塊進行參數調整，調整后的參數，通過所述的PWM全橋控制模塊實現對直流電機進行控制。
6.根據權利要求5所述的伺服直流電機驅動的控制方法，其特征在于:在所述的模糊PID控制模塊中，輸入其中的速度參量，有給定值和速度的實際值，這兩個參數經比較器相減，得到速度偏差ev，并把速度偏差ev作為速度PI調節器的輸入，經過PI計算，產生速度環PI調節器的輸出。
7.根據權利要求4或5所述的伺服直流電機驅動的控制方法，其特征在于:步驟b中，由所述的DSP模塊的通信模塊接收直流電機的電流，然后將該信息發送給所述的數據采集模塊，然后通過所述的模糊PID控制模塊進行參數調整，調整后的參數，通過所述的PWM全橋控制模塊對直流電機進行控制。
8.根據權利要求7所述的伺服直流電機驅動的控制方法，其特征在于:輸入所述的模糊PID控制模塊的參量，有速度環PI調節器的輸出值、電流的實際值，這兩個參數經比較器相減，得到電流偏差ei;并把電流偏差ei作為電流PI調節器的輸入，經過PI計算，產生電流環PI調節器的輸出，用于設置PWM的占空比。
全文摘要
本發明公開了一種伺服直流電機驅動控制裝置，其包括DSP模塊、全橋驅動模塊、電流傳感器模塊、電源模塊、通訊模塊及光編信號處理電路，所述的電源模塊為所述的DSP模塊、電流傳感器模塊、全橋驅動模塊提供電能；DSP模塊，通過脈寬調制技術發出脈寬調制信號，通過所述的全橋驅動模塊將信號放大至直流電機的額定電壓，控制直流電機；所述的電流傳感器模塊串聯在所述的全橋驅動模塊與直流電機之間，用于讀取直流電機的電流值，并將其傳輸給所述的DSP模塊；所述的通訊模塊與DSP模塊相連接，用于直流電機與其他設備的通訊。本發明，控制性能好，精度高，使直流電機的運行具有更高的穩定性和魯棒性。
文檔編號H02P6/06GK103199774SQ20121000370
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者宋吉來, 徐方, 鄒風山, 李崇, 劉曉帆, 董狀, 陳守良, 甘戈 申請人:沈陽新松機器人自動化股份有限公司