[发明专利]基于ADRC的无刷直流电机伺服系统软件设计方法

权利要求书

1.基于ADRC的无刷直流电机伺服系统软件设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、软件总体设计：DSP通过eCAP接口捕捉霍尔传感器信号的高低变化，根据信号改变逆变桥路的输出，驱动电动机设计要求运转，12次eCAP中断时，磁极对数为2的电动机转子转动了一圈，此时配合10us计时器的中断次数，就可以计算出电动机的转速；

ADRC控制器将PWM占空比作为控制系统的输出，把电动机转速当作控制对象的反馈，与设定转速一起进行控制运算，运算过程是设定转速经过跟踪微分器(TD)计算出输入的一阶跟踪和二阶微分V₁、V₂，扩张状态观测器通过被控对象的反馈(电动机转速)和控制系统的输出(PWM占空比)得到系统状态的一阶输出跟踪、二阶输出微分和系统干扰，然后通过非线性组合(NLSEF)更新PWM占空比输出；

S2、系统初始化：初始化包括两部分，一是DSP芯片初始化，二是电动机主动模块初始化；

a、DSP芯片初始化：这段程序是TI公司提供的初始化例程，用作初始化内部模块和器件到默认状态

1.initsysctrl()；

初始化系统控制：PLL，看门狗，使能外围时钟，这个功能在dsp2833x_sysctrl.C文件中实现；

2.initgpio()；initxintf16gpio()；

初始化GPI0(通用输入输出接口)，这个功能在dsp2833x_gpio.C文件中实现，目的是设置GPI0为默认状态；

3.initpiectrl()；

清除中断向量表，初始化PIE：禁用CPU的中断，初始化PIE控制寄存器为系统默认状态；

默认状态是所有PIE中断和标志都清除，该函数是在dsp2833x_piectrl.c中实现；

禁用CPU的中断和清除所有的CPU中断标志：

IER=0x0000；

IFR=0x0000；

initpievecttable()；

功能在dsp2833x_pievect.C中实现；

初始化PIE矢量表中断指针和中断服务程序(ISR)；

程序将覆盖整个表，有利于程序调试；

b、电动机驱动模块初始化

初始化定时器，以10us为周期定时中断，之后以该时钟计算电动机转速；

InitCpuTimers()；

//此例中仅初始化CPU时钟

ConfigCpuTimer(CpuTimer0，150，10)；

//150MHZ CPU，定时周期10us，此中断用于判断电动机的转速，为了保证计时的准确性，中断服务程序要尽可能简化，只有一个时钟计数功能

StartCpuTimerO()；

//初始化Cap接口，用来捕捉霍尔传感器信号，当电动机的三个霍尔传感器任//意一个发生变化时，进入中断程序改变开关管状态

InitCapl()；

//初始化PWM生成器，设定载波频率和PWM工作方式

EPwmSetup()；

//初始化AD采样模块

InitAdc()；

//设置中断

IER|=M_INT4；

IER|=M_INT1；

PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx1=1；

PieCtr1Regs.PIEIER4.bit.INTx2=1；

PieCtr1Regs.PIEIER4.bit.INTx3=1；

PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx6=1；

PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx7=1；

//打开全局中断和实时调试中断

EINT；//允许全局中断

ERTM；//允许实时调试中断

c、ADRC参数设置

(1)、跟踪微分器(TD)参数

r为速度因子，决定跟踪速度；h0为滤波因子，对噪声进行滤波；h为ADRC系统离散化的计算步进，在扩张状态观测器(ES0)跟跟踪微分器(TD)中使用同一个离散化后的步进值；为了方便调试中修改控制器参数，实际数值在文件中先直接定义；

#define tdh 0.5；

#define tdh0 0.5；

#define tdr 1；

然后在程序中引用，如：

fst1.h=tdh；

fst1.h0=tdh0；

fst1.r=tdr；

(2)扩张状态观测器(ESO)参数

ESO中采用fal()函数，对一二三阶状态进行修正，d为fal函数误差上下限，fal函数实现大于d的误差小增益，小于d的误差大增益；a1，b1；a2，b2.是fal函数参数，决定fal函数的曲线形状和增益系数；

b是扰动参数，决定抗扰动的增益大小，根据控制对象的模型来决定；b1和b2基本上决定了ESO的性能；基本规律为：b1较小时，z1跟踪输出y较慢，但较大时可能出现振荡；b2一般比b1大，但过大时会引起z1的超调过大；a1越大，a2越小时，反应越快，超调越大；

esol.al=esoal；

esol.a2=esoa2；

eso1.b1=esobl；

esol.b2=esob2；

esol.b3=esob3；

esol.b=esob；

esol.d=esob；

(3)非线性组合

PID通过线性累加P、I、D各自输出得到控制量u，ADRC中采用非线性组合(NLSEF)对一阶误差、二阶误差，和扰动误差进行计算得到控制量u；一阶误差、二阶误差通过fal函数实现“大误差小增益，小误差大增益”，扰动误差则单独通过参数b进行设置；a1，a2，b1，b2调节fal函数的响应曲线；非线性组合的误差参数d采用eso的d；

ctrl.b=esob；

ctr1.a1=ctra1；

ctr1.a2=ctra2；

ctr1.b1=ctrb1；

ctr1.b2=ctrb2；

S3、定时中断及AD转换算法：

定时器中断设置为10us一次，主要提供计时功能；如电动机转动1圈时，计算10us中断的次数就可以得到电动机的转速；软件中Count为中断次数，转速公式为:Speed(转/分)=60×105/count；

TMS320F28335的ADC模块是12位带流水线的模数转换器，具有有16个输入通道，既可以配置成两个eCAP模块所需的独立8个通道，也可以级联成一个16通道模块；ADC时钟频率12.5MHz，转换速度快；ADC模块包含12位的ADC转换核心，内含采样/保持电路；ADC模块可以转换的电压为0-3V，采样结果与输入电压的关系为：转换的数字值=4095*(输入模拟电压-ADC)/3；

S4、转子位置计算及开关管状态：

系统采用霍尔元件确定当前转子的位置；在直流无刷电动机的定子上有3个霍尔位置传感器，它们相隔120度分布在定子圆周上；电动机的永磁体转子转动的时候，产生的磁场也随之转动，转动的磁场磁极变化会在霍尔元件上会产生宽180度的输出信号，如图2所示；

DSP通过经过eCAP接口捕捉霍尔元件输出信号，并转化成逆变器的开关管状态表，如图3所示；

S5、速度环自抗扰控制算法：

速度环自抗扰控制是先将输入设定值进行跟踪微分，得到设定速度跟踪值V₁和二阶微分值V₂，然后将电动机转速和控制量输出反馈到控制器的扩张状态观测器，得到当前输出的跟踪Z₁、微分Z₂和扰动分量Z₃；

在非线性组合(NLSEF)中输出跟踪Z₁与设定转速的跟踪V₁进行比较，微分Z₂和输入微分Z₂进行比较，分别获取误差e₁和e₂，通过非线性组合e₁、e₂和Z₃得到控制量输出，完成一次闭环控制；

ADRC simulink结构图如图4所示；

ADRC 算法框图如图5所示。