數(shù)字運動控制方法可精確調(diào)節(jié)機器人系統(tǒng)中驅(qū)動末端執(zhí)行器的電動機和執(zhí)行器的運動和定位。然而，在實踐中，開發(fā)基于傳統(tǒng)比例積分（PI）控制器的運動控制系統(tǒng)的工程師通常會發(fā)現(xiàn)他們的項目停滯不前，因為他們難以調(diào)整敏感的控制器參數(shù)。更有效的方法可降低調(diào)諧復(fù)雜性，同時在各種操作條件下提供穩(wěn)定的性能。

低成本、高性能的微控制器推動了數(shù)字電機控制的快速出現(xiàn)，該控制能夠通過軟件控制響應(yīng)各種工作條件。通過在軟件中設(shè)計PI控制器，工程師可以使用最少數(shù)量的組件創(chuàng)建響應(yīng)迅速的電機控制系統(tǒng)。然而，在實踐中，找到最佳的PI控制器參數(shù)集給開發(fā)人員帶來了重大挑戰(zhàn)。很多時候，工程師發(fā)現(xiàn)每個電機的獨特特性（以及相關(guān)的電機控制系統(tǒng)實現(xiàn)）使確保電機在不同速度和負載下穩(wěn)定運行的任務(wù)變得非常復(fù)雜。結(jié)果，電機控制開發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)自己被迫延長項目進度并解決細微的調(diào)諧問題。

PI 控制器面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的PI控制器使用控制環(huán)路，該環(huán)路產(chǎn)生輸出，旨在減少某些過程中預(yù)期值和測量值之間的誤差。在控制環(huán)路的串行形式中（圖1），Kb設(shè)置PI控制器的零點，而Ka設(shè)置閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的帶寬。

圖 1：在傳統(tǒng) PI 控制器的串行形式中，工程師必須為其零點 （Kb） 和帶寬 （Ka） 找到最佳設(shè)置，這一過程往往會延遲運動控制項目。（圖片來源： 德州儀器)

在電機控制應(yīng)用中，由于工程師需要控制電流來控制速度，PI控制器優(yōu)化的復(fù)雜性變得更加復(fù)雜。在典型的電機速度控制回路中，工程師將使用兩個PI控制器 - 一個在內(nèi)環(huán)路中控制電機電流，另一個在外環(huán)路中控制電機速度（圖2）。當電機轉(zhuǎn)速低于命令值時，外環(huán)路需要更多電流;內(nèi)環(huán)路校正電機電流以匹配所需值。

圖 2：典型的速度控制環(huán)路使用兩個 PI 控制器來控制電機電流和速度本身，從而增加了尋找最佳控制器參數(shù)的任務(wù)。（圖片來源：德州儀器）

在實踐中，在各種運行條件下實現(xiàn)穩(wěn)定的性能成為一項復(fù)雜而耗時的任務(wù)。工程師需要調(diào)整多個參數(shù)，以針對特定的速度和負載工作點調(diào)整控制器。然而，特定的調(diào)諧解決方案可能只解決非常小的速度和負載范圍。因此，工程師可能會發(fā)現(xiàn)，具有不同速度和負載點的高動態(tài)系統(tǒng)可能需要為每個點調(diào)整PI控制器，從而進一步延遲項目進度。

先進的控制算法

TI 運動解決方案為數(shù)字電機控制設(shè)計提供了一種簡單得多的方法。作為思達紡運動的核心，線流科技的SpinTAC在系統(tǒng)的動態(tài)速度、位置和負載范圍內(nèi)提供強大的控制。這種專有方法提供先進的速度和位置控制，并具有主動抗擾控制（ADRC）功能。

ADRC在電機模型中具有高度的不確定性。它將未建模的電機動力學(xué)和系統(tǒng)的不良行為視為可以估計、拒絕或糾正的干擾。這使得SpinTAC控制器可以使用單個調(diào)諧參數(shù)（稱為帶寬）控制各種位置，速度和負載，該參數(shù)確定系統(tǒng)的剛度并指示系統(tǒng)抑制干擾的強度。

當設(shè)計人員使用這種調(diào)諧方法增加控制器的帶寬時，對扭矩干擾的響應(yīng)速度會更快，并且過沖更少（圖 3）。如果帶寬設(shè)置得太高，當扭矩干擾從系統(tǒng)中消除時，系統(tǒng)開始圍繞目標速度振蕩。設(shè)計人員只需找到帶寬，以便在消除扭矩時圍繞目標速度值產(chǎn)生最小的振蕩。

圖 3：SpinTAC 調(diào)諧只需要設(shè)置一個參數(shù) – 帶寬。在此示例中，理想帶寬為 40 rad/s。在該帶寬下，當扭矩被移除時，響應(yīng)在目標速度周圍表現(xiàn)出最小的振蕩。（圖片來源：德州儀器）

簡化開發(fā)

InstaSPIN-MOTION無需處理傳統(tǒng)PI控制器中優(yōu)化多個參數(shù)的復(fù)雜性，而是讓工程師只需設(shè)置單個帶寬參數(shù)即可調(diào)整其系統(tǒng)。與使用傳統(tǒng)PI控制器的設(shè)計相比，這種簡單而強大的方法可以大大縮短開發(fā)時間。同時，這種方法提供了一種具有更少過沖和更快建立時間的解決方案，從而降低了最終應(yīng)用的整體功耗（圖4）。

圖 4：為了響應(yīng)施加的扭矩干擾，InstaSPIN 的恢復(fù)速度明顯快于傳統(tǒng)的 PI 控制器環(huán)路。（圖片來源：德州儀器）

TI 進一步提供了一個廣泛的開發(fā)和部署平臺，將軟件和硬件相結(jié)合。TI 的 MotorWare 產(chǎn)品包括特定于設(shè)備的驅(qū)動程序和支持軟件，以及完整的系統(tǒng)示例和技術(shù)培訓(xùn)。

為了更快地部署這些設(shè)計，TI 提供了其 C2000 短笛 MCU 的專用版本，這些 MCU 在片上 ROM 和閃存中包括 InstaSPIN-MOTION 庫，無需額外付費（圖 5）。C2000 InstaSPIN TMS320F28069M MCU 基于 90 MIPS C28x 處理內(nèi)核，將片上 InstaSPIN-MOTION 電機控制軟件與完整的片上外設(shè)相結(jié)合，包括一個 16 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），用于采集電機控制算法中使用的數(shù)據(jù)（例如，參見圖 5 右側(cè)所示的 ADC 輸入）。

圖 5：德州儀器 （TI） 的 TMS320F28069M MCU 在片上集成了 InstaSPIN-MOTION 軟件庫，進一步簡化了運動控制系統(tǒng)的開發(fā)。（圖片來源：德州儀器）

TMS320F28069M 還具有 8 個片上增強型脈寬調(diào)制器 （ePWM） 模塊，提供 16 個 PWM 通道。因此，工程師可以用最少的額外組件快速設(shè)計完整的電機控制系統(tǒng)。MCU 的 PWM 可以直接驅(qū)動專用的隔離式柵極驅(qū)動器，如 TI ISO5851（圖 6）。ISO5851 具有 CMOS 輸入，使微控制器能夠直接驅(qū)動它們，這與典型的基于光耦合器的柵極驅(qū)動器不同，后者需要外部電流驅(qū)動器和偏置電路來提供輸入控制信號。

圖 6：CMOS 隔離式柵極驅(qū)動器（如 TI ISO5851）與高度集成的微控制器（如 TI TMS320F28069M）配合使用，使設(shè)計人員能夠以最少的額外組件創(chuàng)建復(fù)雜的電機控制系統(tǒng)。（圖片來源：德州儀器）

在軟件方面，由于采用了 SpinTAC 控制器算法，電機控制實現(xiàn)也同樣簡單。工程師使用最少的步驟配置SpinTAC速度控制，從包含適當?shù)念^文件（例如，spintac_velocity.h）開始，將SpinTAC軟件組件引入應(yīng)用程序。（此示例涉及自旋TAC速度控制，但自旋TAC位置控制配置遵循類似的方法。

然后，開發(fā)人員在主源文件中聲明全局結(jié)構(gòu)：

ST_VelCtl_t stVelCtl; // The SpinTAC Speed Controller object

ST_VELCTL_Handle stVelCtlHandle; // The SpinTAC Speed Controller Handle

在應(yīng)用程序的 main 函數(shù)中，開發(fā)人員隨后會將配置變量初始化為其默認值。對于許多電機，此配置通常包括以下變量：

Copy

ST_VelCtl_t斯特維爾特爾;斯賓塔克速度控制器對象

ST_VELCTL_Handle斯特維爾特漢德爾;斯賓達克速度控制器手柄

在應(yīng)用程序的 main 函數(shù)中，開發(fā)人員隨后會將配置變量初始化為其默認值。對于許多電機，此配置通常包括以下變量：

初始化自旋交車速度控制器組件 stVelCtlHandle = STVELCTL_init（&stVelCtl， sizeof（stVelCtl））;

設(shè)置 PU 中的最大電流

_iq maxCurrent_PU = _IQ（USER_MOTOR_MAX_CURRENT / USER_IQ_FULL_SCALE_CURRENT_A）;

速度控制器的實例

STVELCTL_setAxis（ST_AXIS0年）;

采樣時間 [s]， （0， 1）

STVELCTL_setSampleTime_sec（ST_SPEED_SAMPLE_TIME年）_IQ州州長）;

系統(tǒng)慣性上限 （0， 127.9999] 和下限 （0， SgiMax] 極限 [PU/（pu/s^2）] STVELCTL_setInertiaMaximums（stVelCtl 手柄， _IQ（10.0）， _IQ（0.001））;

系統(tǒng)控制信號高 （0， 輸出最大] & 低 [輸出敏， 0） 限制 [PU] STVELCTL_setOutputMaximums（stvelctlHandle， maxCurrent_PU， -maxCurrent_PU）;

系統(tǒng)最大 （0， 1.0] 和最小 [-1.0， 0） 速度 [pu/s] STVELCTL_setVelocityMaximums（_IQ（1.0）， _IQ（-1.0））;

帶寬規(guī)模STVELCTL_setBandwidthScaleMaximums的系統(tǒng)上限 （0， 0.2/（T*20）] 和下限 [0， BwScaleMax] 限制（stVelCtlHandle，

_IQ24（0.2） / （ST_SPEED_SAMPLE_TIME * 20.0））， _IQ24（0.01））;

系統(tǒng)慣性 [聚氨酯/（蒲/秒^2）]， [西敏， 西美斯]

STVELCTL_setInertia（USER_SYSTEM_INERTIA）_IQ（ USER_SYSTEM_INERTIA）

控制器帶寬標度 [帶寬最小值、帶寬最大值]

STVELCTL_setBandwidthScale（_IQ24 USER_SYSTEM_BANDWIDTH_SCALE））;

最初未啟用ST_VelCtl

STVELCTL_setEnable（假）;

最初ST_VelCtl未處于重置狀態(tài)

STVELCTL_setReset（假）;

在操作期間，主中斷服務(wù)例程將更新速度參考、加速度參考和速度反饋，然后以適合該部件的抽取率（ISR_TICKS_PER_SPINTAC_TICK中指定）調(diào)用SpinTAC速度控制函數(shù)。

Copy

CTRL_Obj *obj = （CTRL_Obj *）ctrlhandle;獲取指向 CTRL 對象的指針

以 pu/s 為單位獲得機械速度

_iq速度反饋 = EST_getFm_pu（obj->estHandle）;以 pu/s 為單位獲取機械速度 // 更新速度參考

STVELCTL_setVelocityReference（圣維斯特蘭德，

STVELMOVE_getVelocityReference（stvelMoveHandle））;

更新加速參考

STVELCTL_setAccelerationReference（圣維斯特蘭德，

STVELMOVE_getAccelerationReference（stvelMoveHandle））;

更新速度反饋STVELCTL_setVelocityFeedback（速度反饋，速度反饋）;運行自旋交車速度控制器STVELCTL_run（st垂直手柄）;

從自旋交車速度控制器獲取扭矩參考

iqReference = STVELCTL_getTorqueReference（stVelCtlHandle）;

設(shè)置來自自旋TAC速度控制的Iq參考

CTRL_setIq_ref_pu（ctrlHandle， iqReference）;

開發(fā)人員可以使用 TI C2000 Piccolo F28069M LaunchPad 快速啟動電機控制開發(fā)，該功能具有開發(fā)基于 F2806x 微處理器的應(yīng)用程序所需的所有硬件和軟件。TI 還提供完整的電機控制解決方案套件，例如高壓電機控制套件，該套件全面介紹了對最常見類型的高壓三相電機的控制，包括交流感應(yīng) （ACI）、無刷直流 （BLDC） 和永磁同步電機 （PMSM）。TI 還提供補充套件，例如 BLDC 電機套件，其中包括一個內(nèi)置霍爾效應(yīng)傳感器的無刷直流電機，開箱即用，可與電機控制套件軟件配合使用。

結(jié)論

使用傳統(tǒng)PI控制器的傳統(tǒng)電機控制設(shè)計由于調(diào)整這些控制器的復(fù)雜過程，可能會面臨明顯的延遲。TI 的 InstaSPIN-MOTION 內(nèi)置于專用微控制器中，可將調(diào)諧減少到單個參數(shù)，為設(shè)計人員提供簡單性和穩(wěn)定性的組合，使其成為機器人系統(tǒng)等具有多種狀態(tài)轉(zhuǎn)換或經(jīng)歷動態(tài)變化的應(yīng)用的理想選擇。

審核編輯 黃昊宇