一种交流电机电流环并行数字控制实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于交流电机控制技术领域，更具体地，涉及一种交流电机电流环并行数字控制实现方法。
【背景技术】
[0002]交流电机，尤其是永磁同步电机具有功率密度高、性能好、效率高等优点，在伺服和拖动系统中得到广泛应用。一般的高性能伺服控制系统，由位置、速度、电流三环构成，其中电流环对系统总体性能具有关键影响，因此电流环控制要求具有良好的动态特性。
[0003]在现有的伺服控制系统中，通常采用数字控制方式实现。系统微控制器中运行的任务既包括电流、速度、位置三环控制等核心任务，也包括外部输入、显示处理、外部通信、故障处理等外围任务。根据控制系统性质，前者需要按照严格的时间要求执行，属于实时控制任务，具体包括采集反馈电流信号、执行电机控制算法、输出控制结果等；后者没有严格时间要求，采用轮询式方式执行，属于非实时控制任务。
[0004]在电机电流环实现中，实时控制任务延迟包括采样延时、算法计算延迟、状态更新延迟，构成了电流环控制的主要延时，是影响电流环动态性能的重要因素。通过理论分析可知，减小电流环控制延时可以提高电流环调节器增益范围，因而能够提高电流环闭环带宽，加快电流环动态响应，改善控制系统的整体性能。
[0005]图1所示为现有技术基于微控制器实现的电机控制系统电流环任务时序图，图中电流环控制周期为T。在第k个控制周期开始时刻，系统首先执行优先级较高的实时控制任务，然后执行非实时任务或进入空闲等待状态。实时控制任务处理通过中断触发方式执行，(PU进入中断处理程序后，首先通过软件控制AD模块完成电流采样过程，然后执行电流矢量控制算法计算PWM占空比。CPU把计算出来的占空比更新到PWM信号产生模块，PWM信号产生模块输出PWM脉冲，该模块是在CPU之外的硬件，周期性工作，与CPU是并行关系。在下一次触发之前，将计算结果输出到PWM信号产生模块，使之产生控制逆变器开关、跟踪电流变化的作用。图1所示的电流环任务时序控制延时为Td= 2T。
[0006]在上述实现方式中，每个控制周期只需硬件定时器触发一次中断，简单易于实现，系统具有较强健壮性。但是，在这种方式下，每个周期PWM占空比计算完成后，必须等待至下一个周期开始时，才能更新到PffM信号产生模块，增加了实时控制任务的延迟时间。此夕卜，CPU采用软件方式控制电流采样过程，在AD转换处理过程中，CPU必须不断进行查询和等待，降低了 CPU执行效率。
[0007]采用单开关周期两次更新占空比的方式，可以提高实时控制任务执行频率，有效减小电流环延迟。但这种方式增加了 CPU任务负荷，对微控制器的处理能力也有较高要求。通过FPGA采用硬件并行处理的方式实现实时电机控制算法，可以大大加快电流环实时控制任务执行速度，减小电流环延迟。但该方案不同于传统软件实现方式，复杂程度较高，具有一定实现难度。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种交流电机电流环并行数字控制实现方法，其目的在于减小电流环控制延迟，改善电流环动态性能，同时提高CPU执行效率。
[0009]本发明提供一种交流电机电流环并行数字控制实现方法，包括以下步骤:
[0010]步骤I将系统任务划分为定时实时任务和非实时任务，其中，所述实时任务划分为电流采样部分、实时电机控制算法部分和PWM输出部分，采用第一硬件定时器用于触发所述PWM输出部分，刷新PWM占空比并产生输出PWM脉冲，采用第二硬件定时器用于触发所述电流采样过程，采用第三硬件定时器用于触发所述实时电机控制算法的执行，若控制系统为初次运行，则执行步骤2，否则执行步骤3 ;
[0011]步骤2对所述第二硬件定时器、所述第三硬件定时器的触发时刻进行优化，包括以下子步骤:
[0012](2-1)将所述第二硬件定时器的触发时刻1；初始值设为0，所述第三硬件定时器的触发时刻Tb初始值设为控制周期的一半，同时设置自动测量次数；
[0013](2-2)系统开始运行后，读取所述第二硬件定时器、所述第三硬件定时器的计数值，自动测量并记录所述电流采样过程时间和所述实时电机控制算法执行时间；
[0014](2-3)根据测量结果，计算所述触发时刻TJP所述触发时刻T b的最优值，使控制延时最小；
[0015]步骤3按照优化后的触发时刻，进行任务切换与调度，包括以下子步骤:
[0016](3-1)在控制周期起始时刻，所述第一硬件定时器触发PWM占空比刷新，并产生所述输出PWM脉冲，CPU按照正常程序流程执行所述非实时控制任务；
[0017](3-2)在所述控制周期开始经过所述触发时刻Ta时刻后，所述第二硬件定时器触发所述电流采样过程执行，同时所述CPU继续执行所述非实时控制任务；
[0018](3-3)在所述控制周期开始经过所述触发时刻Tb后，所述第三硬件定时器触发CPU中断，所述CPU开始执行所述实时电机控制算法计算PWM占空比，上述PWM占空比计算完成之后，所述CPU退出中断，返回正常程序流程执行所述非实时控制任务直至本控制周期结束。
[0019]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0020]1、系统在控制周期部分阶段采用软硬件并行方式执行，提高了系统CPU运行效率;
[0021]2、对实时控制任务的调度方案，减小了实时控制任务的延迟时间，可有效提高电流环控制增益，提升系统动态特性；
[0022]3、通过硬件控制电流采样过程，实现多次过采样处理，可抑制单次采样的随机波动影响，提高反馈电流采样精度，实现高精度电流控制。
【附图说明】
[0023]图1为现有技术基于微控制器实现的电机控制系统电流环任务时序图；
[0024]图2为本发明交流电机控制系统结构图；
[0025]图3为本发明交流电机电流环并行数字控制实现方法的原理示意图；
[0026]图4为本发明方法控制任务的时序图；
[0027]图5为本发明硬件定时器的工作模式示意图。
【具体实施方式】
[0028]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029]图2所示为本发明交流电机控制系统结构图，包括以微控制器为核心的控制部分、以逆变桥为核心的功率部分和交流永磁同步电机。控制部分根据外部输入指令，通过片内集成的AD模块检测交流永磁同步电机定子电流，通过位置检测模块接收编码器的反馈信号获取电机转子位置，根据矢量控制算法，计算产生用于空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)的有效占空比时间，最后更新到PWM信号产生模块，输出PWM开关脉冲信号，驱动逆变桥将直流母线电压转换为期望三相交流电压，实现对定子电流的控制，进而实现对电机运行状态的控制。此外，控制部分还具有通信接口、1信号接口、其他接口(例如人机交互接口)等外部接口模块，用于实现非实时控制任务，丰富系统功能。
[0030]图3所示为本发明交流电机电流环并行数字控制实现方法的原理示意图，本发明基于微控制器片上资源，通过软硬件结合实现电流环控制，对传统的电流环实现方式进行改进，具体包括以下步骤:
[0031]步骤I对控制系统进行任务划分。根据控制系统性质，控制系统中的任务可划分为定时完成的实时任务和轮询式非实时任务，实时任务完成电机电流、速度、位置的控制，主要包括电流采样部分、实时电机控制算法部分和PWM输出部分，非实时任务包括外部输入、显示处理、外部通信、故障处理等外围任务。在本发明实施例中，系统采用3个(需要3次触发事件)硬件定时器触发任务切换，实现任务调度:采用硬件定时器Tl触发PWM占空比刷新，并产生输出PWM脉冲；采用硬件定时器T2触发电