数字马达控制系统的量化误差设计方案

  • 文章关键词:
  • 量化误差的产生

          数字控制系统能够为设计人员提供多种优势,如更易于实现高级算法功能、成本更低且性能更稳定等。数字控制器避免了模拟控制中存在的漂移、噪声敏感性以及组件老化等问题。设计数字马达控制系统时需要考虑的主要问题是选择合适的处理器,同时,处理器字长也至关重要。设计人员需要关注定点处理器中定点数表示法引起的量化误差问题。这些误差将会降低控制系统的性能,使设计人员无法最大限度地发挥出高级算法的优势。

                                     图 1 通用数字马达控制系统

    图 1 是通用数字马达控制系统的结构简图。算法可在数字控制器上实现,数字控制器生成的控制输出信号可通过逆变器驱动马达。电流及电压测量等反馈信号通过ADC反馈至该算法。

    量化效应产生误差

    数字信号与其表示的信号相近。现实世界中的信号在幅度和时间上是连续的,而数字信号的精度有限且在采样时间上不连续。也就是说,在不考虑缩放比例的情况下,尽管数字信号与其真实的模拟量不同,但却可以接受。图1显示了系统中不同的量化源 (quantization source)。比较明显的量化源是:具有量化误差、孔径抖动、采样与保持误差特性的 ADC;具有截位、舍入、溢出误差特性的计算引擎,具有时钟驱动 PWM 生成功能的有限量化PWM发生器。

    ADC 量化

    对于所有采样信号而言,控制系统信号的真实值与 ADC 代码所代表的数值之间的差值即为系统的采样误差。主要是通过使用更长字长的 ADC 来最小化采样误差(在嵌入式控制器中通常采用 12 位ADC)。当采样孔径正在进行开关操作时,真实时间点的不确定性会造成孔径抖动或不稳定现象,必须通过将采样时间点与 PWM 处理相结合的方法来控制这种现象,尤其是在具有最小抖动电流的采样中。在 ADC 运行过程中,使用硬件触发器可以消除由软件运行引起的抖动。

    特别要注意的是对多个电流测量值顺序采样时会产生误差。通常情况下,设计人员希望及时得到马达电流在某个特定时间点的瞬态图,如果使用单个ADC对两股电流进行顺序采样,则会产生有限误差。使用具有双采样和保持电路(可同时对双通道进行采样)的ADC可以使此类误差最小化,另一个误差源是流入高速 ADC 输入端的信号加载所引起的信号干扰。精心设计电路将有助于降低可能导致逆变器驱动级产生电压干扰的电流峰值。 

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