Lösungsdesign und Auswahlvorbereitung
In der industriellen Steuerung sind Servoregler von entscheidender Bedeutung für den Antrieb von Motoren in Anwendungen, die eine präzise Positionierung und Steuerung erfordern. Dieser Ansatz eignet sich besonders für Anwendungen, die eine präzise Steuerung der Motordrehung oder der Bewegung von Geräten an bestimmte Positionen erfordern. Bevor Sie mit dem Auswahlprozess beginnen, ist ein umfassendes Verständnis der Prinzipien der Antriebssteuerung unerlässlich.
Wir müssen eine PWM-Wellenform erzeugen und ein DIR-Signal ausgeben. Die Wahl eines geeigneten Servotreibermodells wie der T3a/T3L-Serie bietet einen erheblichen Kosten-{3}Leistungsvorteil. Die PWM-Wellenform kann mit fortschrittlichen Timern (wie TIM1/TIM8) implementiert werden, die komplementäre Ausgabe und Totzeitsteuerung unterstützen, was sie ideal für die Ansteuerung von H-Brücken macht. Darüber hinaus kann das Encoder-Feedbacksignal erhalten werden, indem TIM2/TIM3/TIM4/TIM5 zum Lesen des ABZ-Signals des Inkrementalgebers verwendet wird.
Erzeugung von PWM-Wellenformen und Implementierung des Servoantriebsalgorithmus
Die PWM-Frequenz wird typischerweise zwischen 10 und 20 kHz gewählt, um hörbare Geräusche zu vermeiden und Schaltverluste zu reduzieren. Für die Erzeugung von PWM-Wellenformen können wir den TIM-Timer einfach mit dem Cubemx-Tool initialisieren. Nachfolgend finden Sie ein Beispiel für einen Codeausschnitt für die PWM-Initialisierung, am Beispiel von TIM1-Kanal 1:
htim1.Instance=TIM1;
htim1.Init.Prescaler=0;
htim1.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;
htim1.Init.Period=8399; // Stellen Sie die PWM-Frequenz auf 20 kHz ein.
htim1.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
sConfigOC.OCMode=TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse=0; // Der anfängliche Arbeitszyklus ist auf 0 % eingestellt
sConfigOC.OCPolarity=TIM_OCPOLARITY_HIGH;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
Wir werden die Implementierung des Servosteuerungsalgorithmus diskutieren. Die Servosteuerung basiert typischerweise auf einer Drei-{1}Regelungsstrategie für Position, Geschwindigkeit und Strom. Diese Strategie stellt sicher, dass das System den Servomotor basierend auf der Rückmeldung von Position, Geschwindigkeit und Strom präzise steuern kann.
Der PID-Regler führt eine Proportional-, Integral- und Differentialregelung durch Fehlerberechnung durch, um ein PWM-Signal zu erzeugen. In einem Timer-Interrupt lesen wir die Encoderposition, berechnen den Fehler und rufen die Funktion PID_Update auf, um die Positions- und Geschwindigkeitsregler zu aktualisieren. Basierend auf dem Strombefehl wird schließlich das Tastverhältnis des PWM-Signals angepasst, um eine präzise Steuerung des Servomotors zu erreichen.
Bei der Anpassung wichtiger Parameter müssen die dynamischen Eigenschaften, die Stabilität und die Anforderungen an die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems umfassend berücksichtigt werden:
- Anpassung der Positionsregelkreisparameter: Passen Sie zunächst Kp schrittweise an, bis das System leichte Schwingungen zeigt, und stellen Sie ihn dann auf 60 % des kritischen Werts ein, um Systemstabilität und Reaktionsgeschwindigkeit sicherzustellen.
- Überlegungen zum Design des Geschwindigkeitsregelkreises: Die Bandbreite des Geschwindigkeitsregelkreises wird normalerweise auf das 5- bis 10-fache der Bandbreite des Positionsregelkreises eingestellt, um eine schnelle und genaue Geschwindigkeitsregelung zu gewährleisten.
- Stromschleifenverarbeitung: Die Stromschleife hat normalerweise die schnellste Reaktionsgeschwindigkeit und in den meisten Fällen wird diese Verarbeitung intern automatisch vom Servocontroller durchgeführt.
Während des Hardware- und Software-Designprozesses ist es wichtig, Maßnahmen zur Beseitigung verschiedener potenzieller Störfaktoren vollständig zu berücksichtigen und umzusetzen, um die Systemstabilität und -zuverlässigkeit sicherzustellen. In der PCB-Designphase ist es von entscheidender Bedeutung, eine wirksame Trennung der Motorstromversorgung und der Signalerde sicherzustellen, indem eine Einpunkt-Erdungsmethode verwendet wird. Darüber hinaus sollten für PWM-Signalleitungen verdrillte oder abgeschirmte Kabel verwendet werden, um die Anti-Interferenzfähigkeit des Signals zu verbessern. Für den Encoder-Signaleingang wird eine RC-Filterschaltung (z. B. eine Kombination aus einem 100-Ω-Widerstand und einem 100-pF-Kondensator) empfohlen, um Rauschen herauszufiltern.
Beim Softwaredesign sollte besonderes Augenmerk auf die Rauschunterdrückung von Encoder-Messwerten gelegt werden. Um die Auswirkungen von Rauschen auf die Systemleistung zu minimieren, wird ein Filteralgorithmus mit gleitendem Durchschnitt empfohlen.
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