关键词：
无刷直流电机
矢量控制
电角度偏移量
FPGA
同步控制
摘要：
无刷直流电机凭借其成本低、驱动简单等优点,被广泛应用于汽车工业、自动化设备、电子医疗等领域。为了提高激光雷达扫描的精度和效率,本论文研制了一套高精度无刷直流电机控制系统,通过改善电机的控制效果来提升激光雷达系统性能。
首先,选择矢量控制策略作为整个系统的主要控制方式,通过不同坐标系之间的变换,不仅简化了无刷直流电机的数学模型,还降低了控制过程的复杂度。使用空间矢量脉宽调制的方法输出近似理想的正弦相电压波形,使得无刷直流电机本应为梯形波的反电势波形近似于正弦波形,从而降低电机转矩脉动,以闭环控制的方式来驱动无刷直流电机转子稳定地转动。
其次,为了提高控制系统的稳定性和准确性,在零阶算法和一阶算法的基础上,提出了一种电角度偏移量自动校准方案来进行电机转子位置的估测以及电角度偏移量的自动校准。利用定时器实现电机各控制状态的自动转换,在校准模式下,使用基于T法测速的一阶算法计算出霍尔信号某一边沿处电角度的实际值,实际值则由霍尔信号本身得出,由此计算出电角度的偏移量。为了进一步减小计算误差,将一个机械周期内的多个电角度偏移量求取平均值,在校准结束后,将这一平均值补偿到矢量控制部分中,得到准确的电角度值。所提出的电角度偏移量自动校准方式具有准确快捷的优点,有利于矢量控制过程的准确性,从而降低电机的转速波动。
接下来,为了进一步提高控制系统的性能和激光雷达扫描系统的效率,提出了双电机同步控制系统的控制思路。在扫描视场内,以无刷直流电机的矢量控制作为主体,进行水平方向上的扫描,同时增加一个控制简单的振镜电机,用于垂直方向上的扫描。通过同步控制的方式,根据两个电机之间的相位偏差对从轴电机的速度量直接进行补偿,纠正同步关系的偏离,达到实时同步地控制两个电机的目的。所提出的双电机同步控制方式具有提高系统的控制效率、保证执行频率的优点。
最后,根据前文所述的控制结构与内容,完成以FPGA芯片为主控芯片的硬件设计,利用模块化的思想进行各部分的软件实现和仿真验证,并搭建系统测试平台进行整体的测试。结果表明,无刷直流电机的实际转速与目标转速的偏差缩小至±0.25rpm内,从轴实际转速与目标转速的偏差不超过±0.03rpm,使用本论文中的控制思路可以有效提高控制的准确性、提升系统的稳定性以及加快整体的动态响应速度。
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