第三篇 使用eQEP模塊的電機速度環(huán)與位置環(huán)調(diào)試

伺服系統(tǒng)中速度環(huán)控制為整個閉環(huán)控制系統(tǒng)中的中間環(huán)，位置環(huán)控制為最外環(huán)。速度環(huán)在伺服系統(tǒng)中主要起到控制轉(zhuǎn)速的作用。位置環(huán)是伺服系統(tǒng)的位置控制單元。

速度環(huán)的反饋元件一般為模擬測速機或編碼器，位置環(huán)的反饋元件一般為編碼器、光柵尺、感應同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器等，根據(jù)不同的工作場合而決定。多數(shù)場合下都使用編碼器作為速度環(huán)與位置環(huán)的反饋元件。編碼器根據(jù)工作原理分為絕對值編碼器和增量式編碼器。我們在項目中使用2500線增量式光電編碼器，其輸出為正交脈沖A/B信號與原點脈沖Z信號。

TMS320F28377D集成了增強型正交編碼脈沖(eQEP)模塊，該模塊通過和增量式光電編碼器的A/B/Z信號相連，獲取高性能的運動和位置控制系統(tǒng)中電機的位置、方向和速度信息。TMS320F28377D有3個eQEP模塊，包含如下功能單元：

● 每個引腳的可編程輸入限制(GPIO MUX的一部分)

● 正交解碼器單元(QDU)

● 位置計數(shù)器和位置測量控制單元(PCCU)

● 用于低速測量的正交邊緣捕獲單元(QCAP)

● 速度/頻率測量的單位時基(UTIME)

● 用于檢測失速的看門狗定時器(QWDOG)

圖1展示包括電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的全閉環(huán)框架。項目調(diào)試中，一般遵循先調(diào)試電流環(huán)，再調(diào)試速度環(huán)，最后調(diào)試位置環(huán)的步驟。依次確認各個環(huán)路的硬件與軟件正確工作。圖中速度環(huán)的輸出Spd_out、位置環(huán)的輸出SpeedRef、位置給定參考值PositionRef，與ADC模塊采集的實時電流Ds、eQEP模塊采集編碼器的實時速度Speed與位置MechTheta通過PID調(diào)節(jié)器實時調(diào)節(jié)誤差，增強系統(tǒng)的準確性與穩(wěn)定性。

圖1 全閉環(huán)框架

TI提供了數(shù)字電機控制軟件庫( Digital Motor Control)，由為C2000電機控制而開發(fā)的C函數(shù)(或宏)組成。DMC庫幾乎覆蓋了所有與FOC電機控制相關模塊化的數(shù)學計算函數(shù)，以及這些模塊的初始化函數(shù)。例如，圖1所示速度環(huán)中的速度計算函數(shù)SPEED_FR()。軟件設置中使用DMC庫可以很方便的調(diào)用這些函數(shù)，使軟件控制流程更加清晰。

eQEP模塊在實際使用中應根據(jù)電機的具體參數(shù)進行初始化工作。例如我們項目使用8轉(zhuǎn)子極數(shù)與2500線制編碼器一體的電機，軟件初始化eQEP過程如下：

// Init QEP parameters

qep1.LineEncoder = 2500; // these are the number of slots in the QEP encoder

qep1.MechScaler = _IQ30(0.25/qep1.LineEncoder);

qep1.PolePairs = POLES/2; // POLES = 8

qep1.CalibratedAngle = 0;

QEP_INIT_MACRO(1,qep1)

其中QEP_INIT_MACRO函數(shù)中配置eQEP的QPOSMAX寄存器為4* qep1.LineEncoder，即eQEP采集編碼器輸出的正交脈沖信號最大計數(shù)值為10000。在FOC算法中位置計數(shù)(eQEP模塊的QPOSCNT寄存器)需要經(jīng)過如下?lián)Q算為機械角度。為適應不同的啟動位置，用CalibratedAngle表示首次檢測到編碼器原點信號時位置的計數(shù)鎖存值。

/* Compute the mechanical angle */

qep1.RawTheta = (*eQEP[1]).QPOSCNT + qep1.CalibratedAngle;

qep1.MechTheta = qep1.MechScaler * qep1.RawTheta;

PolePairs是電角度(ElecTheta)與機械角度(MechTheta)的倍數(shù)。在FOC算法中重要的PARK、IPARK及速度的計算需要電角度(ElecTheta)參數(shù)。其軟件實現(xiàn)如下：

/* Compute the electrical angle */

qep1.ElecTheta = (qep1.PolePairs*qep1.MechTheta) -floor(qep1.PolePairs*qep1.MechTheta);

速度環(huán)與位置環(huán)的PID調(diào)節(jié)使用了DMC庫標準函數(shù)，如下所示。

// position PI regulator

pi_pos.Ref = rc1.SetpointValue;

pi_pos.Fbk = posEncMechTheta;

PI_POS_MACRO(pi_pos);

// speed PID regulator

pid_spd.term.Ref = pi_pos.Out;

pid_spd.term.Fbk = speed1.Speed;

PID_MACRO(pid_spd);

位置環(huán)的工作需要eQEP模塊進行位置信息的讀取，而速度環(huán)的工作需要根據(jù)eQEP模塊讀取的位置計算速度。在整個軟件控制中如僅有速度環(huán)，則只能控制電機按照一定速度旋轉(zhuǎn)。增加位置環(huán)不僅可以控制電機旋轉(zhuǎn)，更可控制電機按照既定位置旋轉(zhuǎn)，達到伺服控制系統(tǒng)中對精確位置控制的要求。

在項目調(diào)試過程中，筆者遇到當電機轉(zhuǎn)子第一次旋轉(zhuǎn)至編碼器原點時，電機會出現(xiàn)輕微抖動伴有異常聲音，嚴重時會導致超調(diào)出現(xiàn)過流保護現(xiàn)象。判斷與轉(zhuǎn)子原始角度RawTheta = (*eQEP[1]).QPOSCNT + CalibratedAngle公式的計算有關系。圖2表示電機抖動時刻RawTheta的變化。

圖2 RawTheta異常情況

這個問題屬于軟件問題，是在原點信號到來時軟件沒有處理好QPOSCNT與CalibratedAngle的關系，導致CalibratedAngle存儲了原點位置，而QPOSCNT尚未清零出現(xiàn)位置數(shù)據(jù)疊加情況，進而導致后續(xù)的速度與電流同時進行調(diào)節(jié)而出現(xiàn)轉(zhuǎn)子抖動。

軟件問題的發(fā)現(xiàn)與處理較硬件問題容易解決。若編碼器脈沖信號上存在電磁干擾會直接導致電機運轉(zhuǎn)過程頻繁抖動或直接超調(diào)而進行保護動作。如圖3右圖所示，一個異常的原點信號使轉(zhuǎn)子位置突然初始化為0。如圖3左圖所示，軟件中的各PID模塊因調(diào)整誤差而超調(diào)，最后導致實際電流過大。信號的電磁干擾是實際調(diào)試中對增量式編碼器脈沖信號影響較大的因素。需要在硬件設計上做更多對電磁干擾的考慮。

圖3 左圖為電流情況 / 右圖為轉(zhuǎn)子位置(RawTheta)