數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制方法可精確調(diào)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器的電動(dòng)機(jī)和執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)和定位。然而，在實(shí)踐中，開發(fā)基于傳統(tǒng)比例積分（PI）控制器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工程師通常會(huì)發(fā)現(xiàn)他們的項(xiàng)目停滯不前，因?yàn)樗麄冸y以調(diào)整敏感的控制器參數(shù)。更有效的方法可降低調(diào)諧復(fù)雜性，同時(shí)在各種操作條件下提供穩(wěn)定的性能。

低成本、高性能的微控制器推動(dòng)了數(shù)字電機(jī)控制的快速出現(xiàn)，該控制能夠通過軟件控制響應(yīng)各種工作條件。通過在軟件中設(shè)計(jì)PI控制器，工程師可以使用最少數(shù)量的組件創(chuàng)建響應(yīng)迅速的電機(jī)控制系統(tǒng)。然而，在實(shí)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(shí)候，工程師發(fā)現(xiàn)每個(gè)電機(jī)的獨(dú)特特性（以及相關(guān)的電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)）使確保電機(jī)在不同速度和負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行的任務(wù)變得非常復(fù)雜。結(jié)果，電機(jī)控制開發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)自己被迫延長項(xiàng)目進(jìn)度并解決細(xì)微的調(diào)諧問題。

PI 控制器面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的PI控制器使用控制環(huán)路，該環(huán)路產(chǎn)生輸出，旨在減少某些過程中預(yù)期值和測量值之間的誤差。在控制環(huán)路的串行形式中（圖1），Kb設(shè)置PI控制器的零點(diǎn)，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，工程師必須為其零點(diǎn) （Kb） 和帶寬 （Ka） 找到最佳設(shè)置，這一過程往往會(huì)延遲運(yùn)動(dòng)控制項(xiàng)目。（圖片來源： 德州儀器)

在電機(jī)控制應(yīng)用中，由于工程師需要控制電流來控制速度，PI控制器優(yōu)化的復(fù)雜性變得更加復(fù)雜。在典型的電機(jī)速度控制回路中，工程師將使用兩個(gè)PI控制器 - 一個(gè)在內(nèi)環(huán)路中控制電機(jī)電流，另一個(gè)在外環(huán)路中控制電機(jī)速度（圖2）。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于命令值時(shí)，外環(huán)路需要更多電流;內(nèi)環(huán)路校正電機(jī)電流以匹配所需值。

圖 2：典型的速度控制環(huán)路使用兩個(gè) PI 控制器來控制電機(jī)電流和速度本身，從而增加了尋找最佳控制器參數(shù)的任務(wù)。（圖片來源：德州儀器）

在實(shí)踐中，在各種運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能成為一項(xiàng)復(fù)雜而耗時(shí)的任務(wù)。工程師需要調(diào)整多個(gè)參數(shù)，以針對(duì)特定的速度和負(fù)載工作點(diǎn)調(diào)整控制器。然而，特定的調(diào)諧解決方案可能只解決非常小的速度和負(fù)載范圍。因此，工程師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，具有不同速度和負(fù)載點(diǎn)的高動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可能需要為每個(gè)點(diǎn)調(diào)整PI控制器，從而進(jìn)一步延遲項(xiàng)目進(jìn)度。

先進(jìn)的控制算法

TI 運(yùn)動(dòng)解決方案為數(shù)字電機(jī)控制設(shè)計(jì)提供了一種簡單得多的方法。作為思達(dá)紡運(yùn)動(dòng)的核心，線流科技的SpinTAC在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)速度、位置和負(fù)載范圍內(nèi)提供強(qiáng)大的控制。這種專有方法提供先進(jìn)的速度和位置控制，并具有主動(dòng)抗擾控制（ADRC）功能。

ADRC在電機(jī)模型中具有高度的不確定性。它將未建模的電機(jī)動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)的不良行為視為可以估計(jì)、拒絕或糾正的干擾。這使得SpinTAC控制器可以使用單個(gè)調(diào)諧參數(shù)（稱為帶寬）控制各種位置，速度和負(fù)載，該參數(shù)確定系統(tǒng)的剛度并指示系統(tǒng)抑制干擾的強(qiáng)度。

當(dāng)設(shè)計(jì)人員使用這種調(diào)諧方法增加控制器的帶寬時(shí)，對(duì)扭矩干擾的響應(yīng)速度會(huì)更快，并且過沖更少（圖 3）。如果帶寬設(shè)置得太高，當(dāng)扭矩干擾從系統(tǒng)中消除時(shí)，系統(tǒng)開始圍繞目標(biāo)速度振蕩。設(shè)計(jì)人員只需找到帶寬，以便在消除扭矩時(shí)圍繞目標(biāo)速度值產(chǎn)生最小的振蕩。

圖 3：SpinTAC 調(diào)諧只需要設(shè)置一個(gè)參數(shù) – 帶寬。在此示例中，理想帶寬為 40 rad/s。在該帶寬下，當(dāng)扭矩被移除時(shí)，響應(yīng)在目標(biāo)速度周圍表現(xiàn)出最小的振蕩。（圖片來源：德州儀器）

簡化開發(fā)

InstaSPIN-MOTION無需處理傳統(tǒng)PI控制器中優(yōu)化多個(gè)參數(shù)的復(fù)雜性，而是讓工程師只需設(shè)置單個(gè)帶寬參數(shù)即可調(diào)整其系統(tǒng)。與使用傳統(tǒng)PI控制器的設(shè)計(jì)相比，這種簡單而強(qiáng)大的方法可以大大縮短開發(fā)時(shí)間。同時(shí)，這種方法提供了一種具有更少過沖和更快建立時(shí)間的解決方案，從而降低了最終應(yīng)用的整體功耗（圖4）。

圖 4：為了響應(yīng)施加的扭矩干擾，InstaSPIN 的恢復(fù)速度明顯快于傳統(tǒng)的 PI 控制器環(huán)路。（圖片來源：德州儀器）

TI 進(jìn)一步提供了一個(gè)廣泛的開發(fā)和部署平臺(tái)，將軟件和硬件相結(jié)合。TI 的 MotorWare 產(chǎn)品包括特定于設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和支持軟件，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(jì)，TI 提供了其 C2000 短笛 MCU 的專用版本，這些 MCU 在片上 ROM 和閃存中包括 InstaSPIN-MOTION 庫，無需額外付費(fèi)（圖 5）。C2000 InstaSPIN TMS320F28069M MCU 基于 90 MIPS C28x 處理內(nèi)核，將片上 InstaSPIN-MOTION 電機(jī)控制軟件與完整的片上外設(shè)相結(jié)合，包括一個(gè) 16 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），用于采集電機(jī)控制算法中使用的數(shù)據(jù)（例如，參見圖 5 右側(cè)所示的 ADC 輸入）。

圖 5：德州儀器 （TI） 的 TMS320F28069M MCU 在片上集成了 InstaSPIN-MOTION 軟件庫，進(jìn)一步簡化了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)。（圖片來源：德州儀器）

TMS320F28069M 還具有 8 個(gè)片上增強(qiáng)型脈寬調(diào)制器 （ePWM） 模塊，提供 16 個(gè) PWM 通道。因此，工程師可以用最少的額外組件快速設(shè)計(jì)完整的電機(jī)控制系統(tǒng)。MCU 的 PWM 可以直接驅(qū)動(dòng)專用的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，如 TI ISO5851（圖 6）。ISO5851 具有 CMOS 輸入，使微控制器能夠直接驅(qū)動(dòng)它們，這與典型的基于光耦合器的柵極驅(qū)動(dòng)器不同，后者需要外部電流驅(qū)動(dòng)器和偏置電路來提供輸入控制信號(hào)。

圖 6：CMOS 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器（如 TI ISO5851）與高度集成的微控制器（如 TI TMS320F28069M）配合使用，使設(shè)計(jì)人員能夠以最少的額外組件創(chuàng)建復(fù)雜的電機(jī)控制系統(tǒng)。（圖片來源：德州儀器）

在軟件方面，由于采用了 SpinTAC 控制器算法，電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)也同樣簡單。工程師使用最少的步驟配置SpinTAC速度控制，從包含適當(dāng)?shù)念^文件（例如，spintac_velocity.h）開始，將SpinTAC軟件組件引入應(yīng)用程序。（此示例涉及自旋TAC速度控制，但自旋TAC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; // The SpinTAC Speed Controller object

ST_VELCTL_Handle stVelCtlHandle; // The SpinTAC Speed Controller Handle

在應(yīng)用程序的 main 函數(shù)中，開發(fā)人員隨后會(huì)將配置變量初始化為其默認(rèn)值。對(duì)于許多電機(jī)，此配置通常包括以下變量：

Copy

ST_VelCtl_t斯特維爾特爾;斯賓塔克速度控制器對(duì)象

ST_VELCTL_Handle斯特維爾特漢德爾;斯賓達(dá)克速度控制器手柄

在應(yīng)用程序的 main 函數(shù)中，開發(fā)人員隨后會(huì)將配置變量初始化為其默認(rèn)值。對(duì)于許多電機(jī)，此配置通常包括以下變量：

初始化自旋交車速度控制器組件 stVelCtlHandle = STVELCTL_init（&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(shí)例

STVELCTL_setAxis（ST_AXIS0年）;

采樣時(shí)間 [s]， （0， 1）

STVELCTL_setSampleTime_sec（ST_SPEED_SAMPLE_TIME年）_IQ州州長）;

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

系統(tǒng)控制信號(hào)高 （0， 輸出最大] & 低 [輸出敏， 0） 限制 [PU] STVELCTL_setOutputMaximums（stvelctlHandle， maxCurrent_PU， -maxCurrent_PU）;

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

帶寬規(guī)模STVELCTL_setBandwidthScaleMaximums的系統(tǒng)上限 （0， 0.2/（T*20）] 和下限 [0， BwScaleMax] 限制（stVelCtlHandle，

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

系統(tǒng)慣性 [聚氨酯/（蒲/秒^2）]， [西敏， 西美斯]

STVELCTL_setInertia（USER_SYSTEM_INERTIA）_IQ（ USER_SYSTEM_INERTIA）

控制器帶寬標(biāo)度 [帶寬最小值、帶寬最大值]

STVELCTL_setBandwidthScale（_IQ24 USER_SYSTEM_BANDWIDTH_SCALE））;

最初未啟用ST_VelCtl

STVELCTL_setEnable（假）;

最初ST_VelCtl未處于重置狀態(tài)

STVELCTL_setReset（假）;

在操作期間，主中斷服務(wù)例程將更新速度參考、加速度參考和速度反饋，然后以適合該部件的抽取率（ISR_TICKS_PER_SPINTAC_TICK中指定）調(diào)用SpinTAC速度控制函數(shù)。

Copy

CTRL_Obj *obj = （CTRL_Obj *）ctrlhandle;獲取指向 CTRL 對(duì)象的指針

以 pu/s 為單位獲得機(jī)械速度

_iq速度反饋 = EST_getFm_pu（obj->estHandle）;以 pu/s 為單位獲取機(jī)械速度 // 更新速度參考

STVELCTL_setVelocityReference（圣維斯特蘭德，

STVELMOVE_getVelocityReference（stvelMoveHandle））;

更新加速參考

STVELCTL_setAccelerationReference（圣維斯特蘭德，

STVELMOVE_getAccelerationReference（stvelMoveHandle））;

更新速度反饋STVELCTL_setVelocityFeedback（速度反饋，速度反饋）;運(yùn)行自旋交車速度控制器STVELCTL_run（st垂直手柄）;

從自旋交車速度控制器獲取扭矩參考

iqReference = STVELCTL_getTorqueReference（stVelCtlHandle）;

設(shè)置來自自旋TAC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(dòng)電機(jī)控制開發(fā)，該功能具有開發(fā)基于 F2806x 微處理器的應(yīng)用程序所需的所有硬件和軟件。TI 還提供完整的電機(jī)控制解決方案套件，例如高壓電機(jī)控制套件，該套件全面介紹了對(duì)最常見類型的高壓三相電機(jī)的控制，包括交流感應(yīng) （ACI）、無刷直流 （BLDC） 和永磁同步電機(jī) （PMSM）。TI 還提供補(bǔ)充套件，例如 BLDC 電機(jī)套件，其中包括一個(gè)內(nèi)置霍爾效應(yīng)傳感器的無刷直流電機(jī)，開箱即用，可與電機(jī)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(jī)控制設(shè)計(jì)由于調(diào)整這些控制器的復(fù)雜過程，可能會(huì)面臨明顯的延遲。TI 的 InstaSPIN-MOTION 內(nèi)置于專用微控制器中，可將調(diào)諧減少到單個(gè)參數(shù)，為設(shè)計(jì)人員提供簡單性和穩(wěn)定性的組合，使其成為機(jī)器人系統(tǒng)等具有多種狀態(tài)轉(zhuǎn)換或經(jīng)歷動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)用的理想選擇。

審核編輯 黃昊宇