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图4-1 无刷直流电机双闭环控制系统原理图
要在允许的条件下使电机启动时间最短，关键是要使电机在启动过程中保持最大允许加速度即电机的允许电流。在速度达到设定值之前使输出电流保持最大值，要使电流环输出值恒定即电流环的输入要保持不变，因此电压环控制器输出限幅值应恒定，此时转速环不起作用相当于开环。当速度达到设定值时，转速控制器重新工作，控制电机转速。
在图4-2中给出了电机双闭环控制系统稳态结构图，转速调节器和电流调节器都采用限幅PI控制器。转速控制器输出限幅值取决于电机的最大允许电流。电流控制器输出限幅值取决于三相换向电桥电路输出最高电压。根据在单位阶跃信号下由PI调节器组成的系统无静差，可以得出转速与电压关系n?Un*?，Ui??Id。
图4-2双闭环稳态结构图
根据双闭环控制结构得到如图4-3所示的电机动态结构图。
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图4-3双闭环动态结构图
4.4 控制器参数的设计
屏蔽门的运动控制器设计采用工程设计方法[16]。被控对象电机传递函数理想化后是二阶系统，采用PI控制器就能很好的矫正系统。电流调节器传递函数
WACR(s)?Ki(?is?1)?i。利用调节器的零点消除被控对象的最大时间常数极点。在电流环
节最大的惯性环节是电感。电力电子电桥失控时间等于PWM信号的周期0.001秒，所以Ts=0.001。忽略其他时延环节，电流环的开环传递函数为
Wopi?Ki(?i?1)??Ks/R(Tl?1)(Ts?1)?i。在?i?Tl时，电流环的传递函数为Wopi?Ki?Ks/R，是
s(Ts?1)Ⅰ型系统，KI?KiKs?,当KITs?0.25时，电流无超调。电流的测量是通过串接在电?iR路上的阻值为0.1Ω的5WR1J水泥电阻，根据U?IR知道??0.1。在控制器中设定0-1V对应PWM信号占空比为0-1，而PWM信号占空比0-1对应输出电压为0-48V，所以电力电子变换器的放大倍数Ks=48。电流环控制器pi_acr?速度调节器传递函数WASR(s)?0.0004689s?0.134。
0.0035sKn(?ns?1)，转速反馈通过霍尔传感器测量得到的是?ns数字量，测量到的速度值是跟实际值成线性的关系，整个速度计算模块相当于一个测速电机，反馈系数α=1。速度环是一个Ⅱ型系统，?n?hT总，h是中频宽，为了减小超调量，这里选取中频宽h=2000。速度环控制器pi_asr?0.03299s?0.0165 。
2s数字PI包括位置式和增量式。位置式输出跟所有过去量有关，而增量式跟前两个输入和前一个输出有关。在软件中不宜存储大量的动态数据，我们采用增量式数字PI。将模拟PI控制器传递函数进行Z变换，最后化成差分方程，获得增量式数字PI。
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速度环PI控制器
void PI_ASR(float asr_ei) //ei为当前误差 {
asr_ei=asr_ei*48/3000; if(asr_out<1000)//限制输出电流 { float q0=0; float q1=0;
//比例增量 //积分增量
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q0=asr_kp*(asr_ei-asr_ex); //比例项 if (asr_ki==0) q1=0; else
q1=asr_kp*Ts*asr_ei/asr_ki; //当前积分项 asr_out+=q0+q1+q2; //当前控制器的输出等于前一次值加上增量 }
if(asr_out>0.7) {
asr_out=0.7;//这个值是限流对应的采样电压 } };
电流环PI控制器
void PID_ACR(float acr_ei) {
float q0=0; float q1=0;
//比例增量 //积分增量
q0=acr_kp*(acr_ei-acr_ex); //比例项 if (acr_ki==0) q1=0; else
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acr_ey=acr_ex; acr_ex=acr_ei; acr_out+=q0+q1; }
if(acr_out>1)
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q1=acr_kp*Ts*acr_ei/acr_ki ; //当前积分项
acr_out=1;//限制acr输出，这个是由于硬件限制最大电压为48 };
4.5 SPI通信协议
为控制器输出到驱动器的16位和控制器从驱动器输入的32位数据定义他们的意义。根据功能需要为每一位通信数据位定义作用。
在表4-5-1中输出数据O表示输出口，连接指示灯用于人机接口显示。s_c是控制命令，表示的是控制器的控制命令，其中s_c3控制电机运转方向，s_c4电机运转的使能控制，s_c5控制电机刹车，s_c6选择过六保护方式（硬件或者软件），过流信号直接控制电桥关闭，使电机无输入电压而减速。
表4-5-1 SPI输出字段
7
output[7-0]
保留 15
output[15-8]
s_c7
s_c6
s_c5
s_c4
s_c3
s_c2
s_c1
s_c0
保留 14
保留 13
保留 12
O3 11
O2 10
O1 9
O0 8
6
5
4
3
2
1
0
在表4-5-2中，HEZ是位置和运行方向、运行速度。HZ1、HZ2、HZ3霍尔传感器的值，HZ3电机过流标志、HZ4电机使能状态，HZ5刹车标志，HZ6电机运行方向，HZ7门位置计数信号。S7在硬件上控制电机运行方向，P4在硬件上控制电机运行使能，为了在控制器运行出错或者其他故障时可以由管理人员操作电机使之恢复正常。其他端口根据需要被定义为开门信号，关门信号，故障清除复位信号和保留。
表4-5-2 SPI输入数据字段
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7
input[7-0]
S7
S6
S5
S4
S3
S2
6
5
4
3
2
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1 0
S1 S0
15
input[15-8]
P7
14 13 12 11 10 9 8
P6 P5 P4 P3 P2 P1 P0
23
input[23-16]
P15
22 21 20 19 18 17 16
P14 P13 P12 P11 P10 P9 P8
31
input[31-24]
HEZ7
30 29 28 27 26 25 24
HEZ6 HEZ5 HEZ4 HEZ3 HEZ2 HEZ1 HEZ0
4.6 位置和速度测量
无刷直流电机运行时霍尔传感器会根据位置变化，变化情况在软件运行环境无刷直流电机中已经介绍，根据前面可知三个霍尔传感器输出都是占π/3的周期信号，相差为2π/3。电机转动一圈，三个霍尔传感器产生6种状态，而经过减速装置屏蔽门运动18mm。传感器的精度直接决定控制系统的控制精度，如果直接选用某一个霍尔信号作为反馈则系统的精度只有18mm，这个达不到屏蔽门系统的性能要求，会造成夹到物体和关门精度。所以将三个信号细分进行异或，当其中任何一个值改变时产生一个输出脉冲，此时每个脉冲对应的屏蔽门运行距离为18mm/6等于3mm。能够满足系统的要求。
速度计算两种方法。1，固定时间，测量距离，误差=距离的步长/测量时间。误差固定。2，固定距离，测量时间，误差=距离/时间-距离/时间+时间步长。:速度越慢误差越小。
本次实验采用第二种固定距离测量时间的方法。距离的输入通过外部中断，当电