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數(shù)字馬達(dá)控制系統(tǒng)的量化誤差分析與設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2012-01-20 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

的產(chǎn)生

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/161187.htm

能夠?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)人員提供多種優(yōu)勢(shì),如更易于實(shí)現(xiàn)高級(jí)算法功能、成本更低且性能更穩(wěn)定等。控制器避免了模擬控制中存在的漂移、噪聲敏感性以及組件老化等問(wèn)題。時(shí)需要考慮的主要問(wèn)題是選擇合適的處理器,同時(shí),處理器字長(zhǎng)也至關(guān)重要。人員需要關(guān)注定點(diǎn)處理器中定點(diǎn)數(shù)表示法引起的問(wèn)題。這些將會(huì)降低的性能,使設(shè)計(jì)人員無(wú)法最大限度地發(fā)揮出高級(jí)算法的優(yōu)勢(shì)。

圖 1 通用數(shù)字控制系統(tǒng)

圖 1 是通用數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。算法可在數(shù)字控制器上實(shí)現(xiàn),數(shù)字控制器生成的控制輸出信號(hào)可通過(guò)逆變器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。電流及電壓測(cè)量等反饋信號(hào)通過(guò)ADC反饋至該算法。

效應(yīng)產(chǎn)生誤差

數(shù)字信號(hào)與其表示的信號(hào)相近?,F(xiàn)實(shí)世界中的信號(hào)在幅度和時(shí)間上是連續(xù)的,而數(shù)字信號(hào)的精度有限且在采樣時(shí)間上不連續(xù)。也就是說(shuō),在不考慮縮放比例的情況下,盡管數(shù)字信號(hào)與其真實(shí)的模擬量不同,但卻可以接受。圖1顯示了系統(tǒng)中不同的量化源 (quantization source)。比較明顯的量化源是:具有量化誤差、孔徑抖動(dòng)、采樣與保持誤差特性的 ADC;具有截位、舍入、溢出誤差特性的計(jì)算引擎,具有時(shí)鐘驅(qū)動(dòng) PWM 生成功能的有限量化PWM發(fā)生器。

ADC 量化

對(duì)于所有采樣信號(hào)而言,控制系統(tǒng)信號(hào)的真實(shí)值與 ADC 代碼所代表的數(shù)值之間的差值即為系統(tǒng)的采樣誤差。主要是通過(guò)使用更長(zhǎng)字長(zhǎng)的 ADC 來(lái)最小化采樣誤差(在嵌入式控制器中通常采用 12 位ADC)。當(dāng)采樣孔徑正在進(jìn)行開關(guān)操作時(shí),真實(shí)時(shí)間點(diǎn)的不確定性會(huì)造成孔徑抖動(dòng)或不穩(wěn)定現(xiàn)象,必須通過(guò)將采樣時(shí)間點(diǎn)與 PWM 處理相結(jié)合的方法來(lái)控制這種現(xiàn)象,尤其是在具有最小抖動(dòng)電流的采樣中。在 ADC 運(yùn)行過(guò)程中,使用硬件觸發(fā)器可以消除由軟件運(yùn)行引起的抖動(dòng)。

特別要注意的是對(duì)多個(gè)電流測(cè)量值順序采樣時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差。通常情況下,設(shè)計(jì)人員希望及時(shí)得到馬達(dá)電流在某個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)的瞬態(tài)圖,如果使用單個(gè)ADC對(duì)兩股電流進(jìn)行順序采樣,則會(huì)產(chǎn)生有限誤差。使用具有雙采樣和保持電路(可同時(shí)對(duì)雙通道進(jìn)行采樣)的ADC可以使此類誤差最小化,另一個(gè)誤差源是流入高速 ADC 輸入端的信號(hào)加載所引起的信號(hào)干擾。精心設(shè)計(jì)電路將有助于降低可能導(dǎo)致逆變器驅(qū)動(dòng)級(jí)產(chǎn)生電壓干擾的電流峰值。


圖2 所選擇比較方法的概述

算法計(jì)算中的量化

算法的數(shù)值表示是量化效應(yīng)最關(guān)鍵的地方。算法表示的精度由字長(zhǎng)決定??刂乒こ萄芯繉W(xué)深入研究了字長(zhǎng)的選擇對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響,然而,在將理論應(yīng)用于特定系統(tǒng)時(shí)會(huì)遇到兩個(gè)問(wèn)題。實(shí)際上,對(duì)于三相 AC 感應(yīng)馬達(dá)中的磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 等復(fù)雜馬達(dá)控制系統(tǒng)而言,量化效應(yīng)難以通過(guò)得出,原因是整個(gè)數(shù)字反饋系統(tǒng)是耦合、非線性、復(fù)雜和多輸入/多輸出的。其次,由于每個(gè)系統(tǒng)都具有獨(dú)特的設(shè)計(jì),因此,單一的標(biāo)準(zhǔn)解決方案并不能完全適用于所有情況。因數(shù)值表示而引起的量化誤差的一個(gè)實(shí)用而高效的方法是:通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)來(lái)研究實(shí)際的數(shù)字控制器和控制方法。

三相 AC 感應(yīng)馬達(dá)的無(wú)傳感直接磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)顯示出了量化誤差的影響。圖2所示的系統(tǒng)已應(yīng)用于仿真與真實(shí)應(yīng)用中(需配備適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)驅(qū)動(dòng)器)。該算法采用 16 位、32 位定點(diǎn)及 32 位 IEEE-754 單精度浮點(diǎn)三種格式,這三種格式均采用基于 32 位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的 TMS320F2812 數(shù)字信號(hào)控制器與 TI 針對(duì) 32 位定點(diǎn)編程的IQmath庫(kù)。IQmath 庫(kù)使設(shè)計(jì)人員能夠簡(jiǎn)便快捷地將以浮點(diǎn)格式編寫的 C 語(yǔ)言代碼轉(zhuǎn)換為 32 位定點(diǎn)格式。代碼完全以 C 語(yǔ)言編寫,并具有IQMath庫(kù)提供的數(shù)學(xué)函數(shù)。

仿真系統(tǒng)能夠以 16 位、32 位定點(diǎn)及 IEEE754 單精度浮點(diǎn)三種格式表示,這里顯示的僅是其中一種選擇結(jié)果。由于定點(diǎn)處理器上的浮點(diǎn)運(yùn)算是通過(guò)運(yùn)行時(shí)間支持庫(kù) (rts2800_ml.lib) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的,本身效率不高,所以浮點(diǎn)版本的實(shí)現(xiàn)需要較長(zhǎng)的采樣時(shí)間以便計(jì)算所有浮點(diǎn)模塊。由于不同的采樣時(shí)間將影響系統(tǒng)性能,為了便于比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果將只側(cè)重于 16位~32位之間的定點(diǎn)版本。

圖3 16 位定點(diǎn)、32 位定點(diǎn)及浮點(diǎn)仿真結(jié)果


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