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译文
直流电动机双闭环调速系统的动态性能调节控制
生梦端.1，牛王1,2
文摘：针对直流电机调速系统的动态性能控制问题，分析了直流电机双闭环调速系统的特点，通过控制电枢电流，可以调节直流电机双闭环调速系统的动态性能。 介绍了调整系统动态性能的方法。该方法引入直流电机双闭环调速系统中的电流动态控制调节环节，调节电流反馈系数，使电流按给定值输出，从而调节电机加速过程动态性能调谐的目的。 实验表明，该控制方法是有效的。
关键词：双闭环调速系统，可调动态性能，电流动态控制
1.导言
在直流电机的实际应用中，为了获得更好的静态和动态性能，往往需要建立电流、速度双闭环调速系统来控制直流电机[1].
在直流电机控制过程中，电流控制策略越来越普遍，也体现了电流控制对整个系统控制的重要作用。 在[2]中，本文提出了一种低成本四开关三相(FSTP)逆变器无刷直流(BLDC)电机的双有效矢量调制(TEVM)电流控制方案。 [3]，为了抑制换向转矩脉动，提出了一种双电流调节器无刷直流电机（无刷直流电机）控制方案。 [4]，开关磁阻电机(SR M)的双凸极结构及其易磁饱和特性引起非线性电感profilesˈand输出转矩随电流和转子positionˊIn[5]的变化而变化，在传统的双闭环调速系统中，由于非理想梯形波反电势和非理想方波相位电流的存在，具有未转换相位电流反馈的无刷直流电机具有较大的转矩脉动。 在[6]中，当无刷直流的通电相位变成浮动相位时，在非交换持续时间是否有电流对电机的工作性能有很大的影响。 [7]调节电流反馈系数，间接控制电流大小。 为了更好地设计和研究整个系统，我们需要建立双的动态模型。 闭环速度控制系统[8] 。 [8]，直流电机双闭环系统通过特征分析和“类等效”建模，相当于一个具有非线性特性的简单状态空间模型[9]。 [10]，考虑负荷变化，改进了双闭环调速系统模型。
直流电动机双闭环调速系统(DLDMCS)由于其良好的动态性能，是直流电动机调速系统中应用最广泛的一种.[1] 。 DLDMCS具有饱和非线性。 在控制过程中，通常希望电机以其允许的最大加速电流加速到目标速度。 [11]提出了模糊控制，神经网络控制和遗传算法控制在直流电机双闭环调速系统中的应用，均进行了仿真，重点研究了系统的快速和稳定性。 在实际应用中，往往不可能忽视电机转速的动态变化，即变化的过程，特别是需要协调一些电机系统与
通过分析典型DLDMCS的动态特性，本文介绍了直流电机双闭环调速系统中电流调节部分，实现了对系统动态性能的调节控制。
2.系统特性分析
2.1.系统整体性能分析
电流可调直流电机双闭环调速系统由直流电机环节；动力驱动环节；速度电流检测环节；电流，速度控制环节组成. [1]如图1所示。
从而实现负反馈的功能.速度和电流，系统的速度调节器W Asr和电流调节器W acr分别设置。 w Asr 存在在饱和状态和非饱和状态下，不能简单地用线性控制理论来分析。
图1 DLDMCS动态结构图
图2是双闭环调速系统在零初始条件下的速度和电流特性曲线。 根据特征曲线的特点，将整个过程分为电流上升段，恒流升速段和调速段三个阶段。
图2 恒载DLDMCS启动过程中电流和速度的动态行为
2.2.系统各阶段性能分析
第一阶段(0~t.1)是目前的上升阶段。突然给出电压U*n在调整了两个监管机构的作用后，美国ct，Ud0Id跟着上升，但马达不能转动，直到我d没有达到负载电流Idl。 当我 dıIdl 马达开始运转。 作为电机的惯性， 速度增长不太快，所以速度调节器wAsr输入偏差的值U=U*n-un 仍然是 相对较大，输出电压保持不变振幅极限U*我强迫电枢电流I d迅速上升。 直到我 d 一dm，U* ii u*我电流调节器很快就会抑制I的生长d，标志着这一阶段的结束。 在这个阶段，W Asr迅速进入并保持饱和，而Wacr一般不饱和。
第二阶段(t. 1~t2 )是恒流速度上升段，是启动过程中的主要阶段。 在这里舞台，W Asr总是饱和的，速度环是 相当于开环，系统变得恒定目前的美国*我在目前的监管制度下，基本上保持当前的I d 常数，从而系统常数 加速度，速度是线性增长。 同时，直流电机的反电动势E也线性增加，E是对电流调节系统的线性增加的扰动量。 敬克服这个扰动，U d0和U c为了保持I，也必须线性增加 d不变。 当W acr 使用 PI调节器，使其输出线性增长，输入偏置电压aU i=你*我-u i必须保持一个恒定的值，即I d应该略低于Idm 如图所示图2.
第三阶段(t后).2)是速度调整阶段。 当速度增加到n时.* =n0速度调节器W的输入偏差 Asr被减少到零，但它的输出仍然保持在极限值U* 我 因为 整体作用，因此电机仍在加速。 在那之后速度超调，W Asr 输入偏置电压变为负，导致它开始退出饱和状态，并且u* i和我 d迅速倒下。 然而，只要我 d仍然大于负载电流Idl 速度继续上升。 当我d=一dl 速度n达到峰值。 此后，马达 在负载的阻力下开始减速，并且因此，一dlt;一dl保持一段时间(t)3t4)直到稳定为止。 在这个阶段，W Asr和W acr 不是饱和，并发挥调节作用，系统呈现线性系统。
2.3.系统中的非线性环节
直流电动机双闭环调速系统驱动作为驱动装置，不仅起到功率放大的作用，而且以速度负反馈构成速度回路，电流负反馈构成电流回路，与电流回路控制器，速度回路控制.用于PI控制。 w Asr和W acr 形成一个比例 积分形式，可视为比例恒定的形式是因为W Asr以及速度反馈回路和W的组成 acr 以及它的组成 当前循环反馈链接。 对于运放本身有电压输出范围等限制，原则上在实际系统工作过程中存在饱和非线性，工作的非线性特性，或不工作（或在系统运行过程中这两个环节工作在线性状态下）成为系统模型建立的关键因素。 这就需要对整个系统的动态性能进行深入的研究。 考虑系统在恒定负载下的阶跃响应。 在初始阶段，由于车轮速度偏差很大，电机系统的车轮速度需要增加AS尽快。 此时速度控制器W. ASR快速饱和以获得最大输出，这使得电流调节器W acr也是饱和的。 当前的I达到最大，电机以最大扭矩最快的速度增加，由于转矩和负载恒定，所以加速度恒定，直线速度增长。 现阶段系统处于饱和运行状态。 当车轮的速度达到给定的车轮速度W Asr和W acr已经出局了饱和，系统进入非饱和调节状态，应注意的是，系统饱和的设计不能超过上限（即运放电源电压），因此不存在过饱和的问题，系统可以在饱和状态下迅速退出饱和，大大有利于双环调节性能。
从以上分析可以看出，调速过程在很大程度上受速度环饱和上限的影响。 转速环的输出是电流环的输入，电流环的输出最终决定了电机系统的输出转矩，因此，对电流的有效控制，特别是电流的动态控制，可以实现电机调速过程的动态控制。
3.系统动态性能调整控制方法
3.1.速度检测方法
根据脉冲计数测量下列三种方法的速度：（1）在规定的时间内测量产生的脉冲数以获得被测速度，称为M法速度；（2)测量相邻两个脉冲的时间(3）同时测量检测时间和脉冲发生器在此期间产生的脉冲数以测量速度，称为M/T法速度。在上述三种方法中，M法适用于测量高速，可获得较高的分辨率；T法适用于测量较低的速度，则可获得较高的分辨率；M/T法高速低速适用于测量。 采用M/T方法工作，T0定时器控制采样时间；在每个采样周期内，分别用M1计数器记录编码器输出脉冲；M2计数器记录时钟脉冲。 图3所示的M/T法测速波形。
图3M/T测量速度的波形图
检测精度：M/T法在低速时趋于T法，高速段时的M/T法对应T法的M1时间平均值，在此M1次中，最多产生高频时钟脉冲的误差。 因此，M/T速度测量在较宽的速度范围内，具有较高的精度。由于计数M1和M2值的M/T方法随速度、高速、等效M方法的速度、最低速度、M1=1自动进入T方法速度而变化。所以M/T法可应用于速度范围明显大于前两种。是一种广泛应用的速度测量方法。
综上，实际系统中，我们采用M/T方法采集速度信息。主要步骤如下：A，B两个脉冲进入DSP2812QEP电路和CAP口，使用QEP电路检测M1值，使用CAP口记录M2值，最后通过上述算法定期更新速度n。软件算法采用三个定时器T0、T2和T4。 采用32位CPU定时器T0作为采样时间T的缩放。在实际伺服系统中，考虑到速度环快速响应的需要，取T=5ms，即T0每5ms产生一个周期中断CAP端口进行速度采样。 定时器T2采用定向上下计数方式，并采用正交编码脉冲电路产生4倍频率信号作为时钟源，故A，B两个信号的计数值经过4倍的脉冲个数.(m)1 )。 电机正向T2增加计数，反向.倒计时。 定时器T4作为测量时间TD的参考，即作为CAP4的时间基和CAP5，其计数值为m2 。 T4用途连续计数，CAP4和CAP5用于捕获固定采样时间T结束后的第一反馈脉冲，并将相应的T4计数值保存在CAP4FIFO或CAP5FIFO堆栈中。
3.2.动态性能控制的推导
当速度环W.Asr和当前循环W acr 是 不饱和，系统可以直接应用线性分析；在速度环W中Asr饱和，速度环输出常数U*我 速度反馈在速度回路上输出可以忽略，在不考虑负载变化的情况下，即忽略负载电流的变化，我们可以将双闭环简化为单个闭环分析，如图4所示。
图4 DLM的简化图
由上图可导出公式（1)和(2）
Ui 一Id（1）
e U*im Ui（2）
I d 是检测到的电机电枢电流，是电流环反馈系数，e是差异在当前循环输入U之间U* im以及当前反馈值Ui。当e为0时，即恒流加速相位。
Ui U* im（3）
（3)加入(1)、(2）解决方案：
id U*im /（4）
方程（4）为电流输出调节公式。 从方程（4）可以看出：当速度环输出时.饱和振幅U* 我是恒定的，加速度电流I d 可以通过改变反馈来改变系数u，使电机能够在所需的加速电流下加速。
根据上述推导，将反馈系数u替换为可调参数，从而通过所需电流I的值来控制输出电流Id*最后达到控制直流电机双闭环调速系统动态性能的目的，如图5所示。
图5 介绍了目前的动态控制调整环节，系统简化了结构图
在哪里电压限值为U*我I* 是给定的所需的电流。
用上述推导，当电流调节回路达到稳态时，输出电流I.d 一*以及预期的当前I *可以给出根据控制需要，为了达到控制直流电机双闭环调速系统动态性能的目的。
4.物理平台实验
由于非线性环节有多种形式，有必要针对具体问题分析实际系统非线性环节的形式。 为了验证该方法的可行性，实验平台采用MAXONRE36直流电机，功率放大器，HEDL5500编码器和电流检测模块组成电机驱动系统。它是一个具有电流，速度双闭环驱动的系统。硬件结构和系统物理图分别如图6所示。
图 6实验平台
在没有电流调整环节的情况下，电机转速给出了不同的响应曲线，如图7所示。
图 7无电流限制电机转速响应曲线
加入电流控制环节后，给定1500rpm和2000rpm的实际转速曲线，将所需电流分别控制在2A和1.5A，如图8所示。
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