使用專業(yè)MCU簡化PI控制運動系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)字運動控制方法可在機器人系統(tǒng)中精確調(diào)節(jié)電動機和執(zhí)行器驅(qū)動末端執(zhí)行器的運動和定位。然而，在實踐中，開發(fā)基于傳統(tǒng)比例積分（PI）控制器的運動控制系統(tǒng)的工程師通常會發(fā)現(xiàn)他們的項目因為難以調(diào)整敏感的控制器參數(shù)而停滯不前。更有效的方法可降低調(diào)諧復(fù)雜度，同時在各種工作條件下提供穩(wěn)定的性能。

低成本，高性能微控制器推動了數(shù)字電機控制的迅速發(fā)展，能夠廣泛應(yīng)對通過軟件控制的操作條件。通過在軟件中設(shè)計PI控制器，工程師可以創(chuàng)建具有最少數(shù)量組件的高響應(yīng)電機控制系統(tǒng)。然而，在實踐中，找到最佳的PI控制器參數(shù)集給開發(fā)人員帶來了重大挑戰(zhàn)。很多時候，工程師發(fā)現(xiàn)每個電機的獨特特性（以及相關(guān)的電機控制系統(tǒng)實現(xiàn)）使確保電機在不同速度和負載下穩(wěn)定運行的任務(wù)變得非常復(fù)雜。因此，電機控制開發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)自己被迫擴展項目進度并解決微妙的調(diào)整問題。

PI控制器挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)PI控制器使用生成的控制回路用于減少某些過程中預(yù)期值和測量值之間誤差的輸出。在控制回路的串行形式（圖1）中，Kb設(shè)置PI控制器的零點，而Ka設(shè)置閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的帶寬。

圖1：在傳統(tǒng)PI控制器的串行形式中，工程師必須找到其零（Kb）和帶寬（Ka）的最佳設(shè)置 - 經(jīng)常延遲運動控制項目的過程。 （圖像來源：德州儀器）

在電機控制應(yīng)用中，PI控制器優(yōu)化的復(fù)雜性變得更加復(fù)雜，因為工程師需要控制電流來控制速度。在典型的電機速度控制回路中，工程師將使用兩個PI控制器 - 一個在內(nèi)環(huán)中控制電機電流，另一個在外環(huán)中控制電機速度（圖2）。當(dāng)電機速度低于指令值時，外環(huán)需要更多電流;內(nèi)環(huán)糾正電機電流以匹配所需的值。

圖2：典型的速度控制回路使用兩個PI控制器來控制電機電流和速度本身，從而使尋找最佳控制器參數(shù)的任務(wù)更加復(fù)雜。 （圖像來源：德州儀器）

實際上，在整個運行條件下實現(xiàn)穩(wěn)定的性能變成了一項復(fù)雜，耗時的任務(wù)。工程師需要調(diào)整多個參數(shù)以針對特定速度和負載工作點調(diào)整控制器。然而，特定的調(diào)整解決方案可能只能解決非常小的速度和負載范圍。因此，工程師可能會發(fā)現(xiàn)具有不同速度和負載點的高動態(tài)系統(tǒng)可能需要為每個點調(diào)整PI控制器，從而進一步延遲項目進度。

高級控制算法

TI InstaSPIN-MOTION解決方案為數(shù)字電機控制設(shè)計提供了一種簡單明了的方法。作為InstaSPIN-MOTION的核心，LineStream Technologies的SpinTAC可在系統(tǒng)的動態(tài)速度，位置和負載范圍內(nèi)提供強大的控制。這種專有方法提供先進的速度和位置控制，并具有主動干擾抑制控制（ADRC）。

ADRC適應(yīng)電機模型的高度不確定性。它將未建模的電機動力學(xué)和系統(tǒng)的不良行為視為可以估計，拒絕或糾正的干擾。這允許SpinTAC控制器通過一個調(diào)整參數(shù)（稱為帶寬）控制各種位置，速度和負載，這些參數(shù)決定了系統(tǒng)的剛度，并決定了系統(tǒng)拒絕干擾的積極程度。

當(dāng)設(shè)計人員通過這種調(diào)諧方法增加控制器的帶寬時，對扭矩干擾的響應(yīng)變得更快并且具有更小的過沖（圖3）。如果帶寬設(shè)置得太高，則當(dāng)從系統(tǒng)中消除扭矩干擾時，系統(tǒng)開始圍繞目標速度振蕩。設(shè)計者只需找到帶寬，當(dāng)扭矩消除時，該帶寬導(dǎo)致目標速度值附近的最小振蕩。

圖3：SpinTAC調(diào)整只需要設(shè)置一個參數(shù) - 帶寬。在該示例中，理想帶寬是40rad/s。在該帶寬處，當(dāng)扭矩被移除時，響應(yīng)在目標速度附近表現(xiàn)出最小的振蕩。 （圖片來源：德州儀器公司）

簡化開發(fā)

InstaSPIN-MOTION不是處理傳統(tǒng)PI控制器中優(yōu)化多個參數(shù)的復(fù)雜性，而是讓工程師只需設(shè)置單帶寬參數(shù)。與使用傳統(tǒng)PI控制器的設(shè)計相比，這種簡單而強大的方法可以顯著縮短開發(fā)時間。同時，這種方法提供的解決方案具有更少的過沖和更快的建立時間，從而最終降低了最終應(yīng)用的功耗（圖4）。

圖4：響應(yīng)應(yīng)用的扭矩干擾，InstaSPIN比傳統(tǒng)的PI控制器回路明顯更快地恢復(fù)。 （圖片來源：德州儀器）

TI進一步提供了一個結(jié)合了軟件和硬件的廣泛的開發(fā)和部署平臺。 TI的MotorWare產(chǎn)品包括特定于器件的驅(qū)動器和支持軟件，以及完整的系統(tǒng)示例和技術(shù)培訓(xùn)。

為了更快地部署這些設(shè)計，TI提供了包含InstaSPIN-MOTION庫的C2000 Piccolo MCU的專用版本在片上ROM和Flash中，無需額外電荷（圖5）?；?0 MIPS C28x處理內(nèi)核，C2000 InstaSPIN TMS320F28069M MCU將片上InstaSPIN-MOTION電機控制軟件與完整的片上外設(shè)相結(jié)合，包括一個16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），用于采集電機控制算法中使用的數(shù)據(jù)（例如，參見圖5右側(cè)的ADC輸入）。

圖5：德州儀器（TI）的TMS320F28069M MCU采用片上InstaSPIN-MOTION軟件庫，進一步簡化了運動控制系統(tǒng)的開發(fā)。 （圖像來源：德州儀器）

TMS320F28069M還具有8個片上增強型脈沖寬度調(diào)制器（ePWM）模塊，提供16個PWM通道。因此，工程師可以使用最少的附加組件快速設(shè)計完整的電機控制系統(tǒng)。 MCU的PWM可以直接驅(qū)動專用隔離柵極驅(qū)動器，如TI ISO5851（圖6）。 ISO5851具有CMOS輸入，使微控制器能夠直接驅(qū)動它們 - 與典型的基于光耦合器的柵極驅(qū)動器不同，后者需要外部電流驅(qū)動器和偏置電路來提供輸入控制信號。

圖6：與高度集成的微控制器（如TI TMS320F28069M）配合使用，CMOS隔離柵極驅(qū)動器（如TI ISO5851）使設(shè)計人員能夠創(chuàng)建具有最少數(shù)量附加組件的復(fù)雜電機控制系統(tǒng)。 （圖像來源：德州儀器）

在軟件方面，由于SpinTAC控制器算法，電機控制實現(xiàn)同樣簡單明了。工程師以最少的步驟配置SpinTAC速度控制，包括適當(dāng)?shù)念^文件（例如，spintac_velocity.h）以將SpinTAC軟件組件帶入應(yīng)用程序。 （此示例解決了SpinTAC速度控制，但SpinTAC位置控制配置遵循類似的方法。）

然后開發(fā)人員在主源文件中聲明全局結(jié)構(gòu)：

ST_VelCtl_t stVelCtl;//SpinTAC速度控制器對象

ST_VELCTL_Handle stVelCtlHandle;//SpinTAC速度控制器句柄

在應(yīng)用程序的主要功能中，開發(fā)人員會將配置變量初始化為其默認值。對于許多電機，此配置通常包括以下變量：

復(fù)制

ST_VelCtl_t stVelCtl;//SpinTAC速度控制器對象

ST_VELCTL_Handle stVelCtlHandle;//SpinTAC速度控制器句柄

在應(yīng)用程序的主要功能中，開發(fā)人員會將配置變量初始化為其默認值。對于許多電機，此配置通常包括以下變量：

//初始化SpinTAC速度控制器組件stVelCtlHandle = STVELCTL_init（＆amp; stVelCtl，sizeof（stVelCtl））;

//設(shè)置PU中的最大電流

_iq maxCurrent_PU = _IQ（USER_MOTOR_MAX_CURRENT/USER_IQ_FULL_SCALE_CURRENT_A）;

//速度控制器的實例

STVELCTL_setAxis（stVelCtlHandle，ST_AXIS0）;

//采樣時間[s]，（0,1）

STVELCTL_setSampleTime_sec（stVelCtlHandle，_IQ（ST_SPEED_SAMPLE_TIME））;

//系統(tǒng)慣性上限（0,127.9999）和下限（0，SgiMax）限制[PU/（pu/s ^ 2）] STVELCTL_setInertiaMaximums（stVelCtlHandle，_IQ（10.0），_IQ（0.001））;

//系統(tǒng)控制信號高（0，OutMax）和低[OutMin，0]限制[PU] STVELCTL_setOutputMaximums（stVelCtlHandle，maxCurrent_PU，-maxCurrent_PU）;

//系統(tǒng)最大值（ 0,1.0]和最小[-1.0,0]速度[pu/s] STVELCTL_setVelocityMaximums（stVelCtlHandle，_IQ（1.0），_ IQ（-1.0））;

//系統(tǒng)上限（0,0.2/（T * 20）]和帶寬標度的下限[0，BwScaleMax]限制STVELCTL_setBandwidthScaleMaximums（stVelCtlHandle，

_IQ24（（0.2）/（ST_SPEED_SAMPLE_TIME * 20.0）），_ IQ24（0.01））;

//系統(tǒng)慣性[PU/（pu/s ^ 2）]，[SgiMin，SgiMax]

STVELCTL_setInertia（stVelCtlHandle，_IQ（USER_SYSTEM_INERTIA））;

//控制器帶寬比例[BwMin，BwMax]

ST VELCTL_setBandwidthScale（stVelCtlHandle，_IQ24（USER_SYSTEM_BANDWIDTH_SCALE））;

//最初未啟用ST_VelCtl

STVELCTL_setEnable（stVelCtlHandle，false）;

//最初ST_VelCtl未重置

STVELCTL_setReset（stVelCtlHandle，false）;

在運行期間，主中斷服務(wù)程序?qū)⒏滤俣葏⒖?，加速度參考和速度反饋，然后以適合該部件的抽取率（在ISR_TICKS_PER_SPINTAC_TICK中指定）調(diào)用SpinTAC速度控制功能。

< p> 復(fù)制

CTRL_Obj * obj =（CTRL_Obj *）ctrlHandle;//獲取指向CTRL對象的指針

//獲取pu/s中的機械速度

_iq speedFeedback = EST_getFm_pu（obj-> estHandle）;//獲取pu/s中的機械速度//更新速度參考

STVELCTL_setVelocityReference（stVelCtlHandle，

STVELMOVE_getVelocityReference（stVelMoveHandle））;

//更新加速參考

STVELCTL_setAccelerationReference（stVelCtlHandle，

STVELMOVE_getAccelerationReference（stVelMoveHandle））;

//更新速度反饋STVELCTL_setVelocityFeedback（stVelCtlHandle，speedFeedback）;//運行SpinTAC速度控制器STVELCTL_run（stVelCtlHandle）;

//從SpinTAC速度控制器獲取扭矩參考

iqReference = STVELCTL_getTorqueReference（stVelCtlHandle）;

//設(shè)置來自SpinTAC速度控制的Iq參考

CTRL_setIq_ref_pu（ctrlHandle，iqReference）;

開發(fā)人員可以使用TI C2000 Piccolo F28069M LaunchPad快速啟動電機控制開發(fā)，該產(chǎn)品具有所有硬件和功能。基于F2806x微處理器開發(fā)應(yīng)用程序所需的軟件。 TI還提供完整的電機控制解決方案套件，如高壓電機控制套件，該套件全面介紹了對最常見類型的高壓三相電機的控制，包括交流感應(yīng)（ACI），無刷直流（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）。 TI還提供補充套件，如BLDC電機套件，其中包括帶內(nèi)置霍爾效應(yīng)傳感器的無刷直流電機，可直接與電機控制套件軟件配合使用。

結(jié)論

使用傳統(tǒng)PI控制器的傳統(tǒng)電機控制設(shè)計由于調(diào)整這些控制器的復(fù)雜過程而可能面臨嚴重的延遲。 TI的InstaSPIN-MOTION內(nèi)置于專用微控制器中，可將調(diào)諧功能簡化為單一參數(shù)，為設(shè)計人員提供簡單性和穩(wěn)定性的組合，使其成為機器人系統(tǒng)等多種狀態(tài)轉(zhuǎn)換或體驗動態(tài)變化等應(yīng)用的理想選擇。