直流無刷電機(jī)的控制技術(shù)

曹志洪

工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610

0 引言

數(shù)字信號(hào)（Digital Signal Processing ， DSP）是涉及很多學(xué)科，它廣泛被用于很多學(xué)科與技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)處理器稱為DSP芯片，適用在數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，能夠快速的在數(shù)字信號(hào)處理算法上實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)今，DSP芯片用于運(yùn)動(dòng)上的控制、數(shù)控機(jī)床的控制、航天航空的控制、電力系統(tǒng)上的操作、自動(dòng)化儀器的控制等各個(gè)領(lǐng)域[1]，該文主要介紹這種基于DSP芯片控制直流無刷電機(jī)智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成由“PC 上位機(jī)、電源單元、TMS320LF2407 DSP芯片、無刷直流電機(jī)、檢測(cè)單元、功率驅(qū)動(dòng)模塊、通訊接口”等。（見圖1）

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 DSP芯片的選擇

DSP芯片的選擇是很重要的，選對(duì)了DSP芯片才能設(shè)計(jì)出其外圍電路和其他電路。DSP芯片的選擇要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行確定。DSP芯片由于場(chǎng)合不同選擇的也就不同，我們要考慮DSP芯片的運(yùn)算速度、價(jià)格、運(yùn)算精度、功耗、硬件的資源等。我們根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇TI公司TMS320LF2407芯片。

1.2 無刷直流電機(jī)

該電機(jī)采取1500轉(zhuǎn)/分, 無刷直流電機(jī)采用1.78A、27V電壓進(jìn)行供電，電機(jī)換向電路主要是由控制和驅(qū)動(dòng)組成，直流無刷電機(jī)自身屬于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分，該部分由電機(jī)電樞、永磁、傳感器組成。我們把電機(jī)的電軸繞組在定子上、把永磁放在轉(zhuǎn)子上，其目的是為了實(shí)現(xiàn)換向。無刷直流電機(jī)的工作方式是兩相導(dǎo)通的星型3相6狀態(tài)，這樣操作方式是因?yàn)檗D(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)定子電流中進(jìn)行不斷換相來保證兩個(gè)磁場(chǎng)電流方向不發(fā)生改變，控制3相定子電流通電順序與大小控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度。

1.3 功率的驅(qū)動(dòng)模塊

TOSHIBA公司采用IPM系列智能型模塊，IPM主要集成了檢測(cè)、控制、邏輯、保護(hù)電路這樣有效提高了穩(wěn)定性與可靠性。東芝的高速光耦TLP550（F）是為了實(shí)現(xiàn)隔離驅(qū)動(dòng)，控制逆變器的工作狀態(tài)主要用事件管理器EVA的PWM脈沖信號(hào)，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置對(duì)電機(jī)定子電流進(jìn)行實(shí)時(shí)換相采用邏輯控制。

1.4 位置的檢測(cè)及速度的計(jì)算

A與B兩路脈沖信號(hào)在送入DSP正交編碼脈沖接口單元QEP的QEP1和QEP2引腳，經(jīng)過譯碼邏輯單元產(chǎn)生CLK時(shí)鐘與DIR轉(zhuǎn)向信號(hào)，在時(shí)鐘信號(hào)作為定時(shí)器時(shí)，用T1對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),這樣60度的電角度使脈沖信號(hào)中斷。運(yùn)用霍爾位置傳感器狀態(tài)信息與換相邏輯互相結(jié)合，逆變器的導(dǎo)通與停止是由DSP進(jìn)行控制, 可以有效控制電機(jī)定子繞組電流的換相。速度檢測(cè)則采用2000個(gè)脈沖轉(zhuǎn)E6B2光電編碼器,成脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換主要是由電機(jī)角度的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換來的，控制周期與脈沖計(jì)數(shù)是用定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置,從而倍頻、鑒相、轉(zhuǎn)速測(cè)量、閉環(huán)控制的功能實(shí)現(xiàn)。

2 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 直流無刷電機(jī)的系統(tǒng)控制策略

現(xiàn)在對(duì)直流無刷電機(jī)研究主要在電機(jī)的位置與速度的控制上，一般無刷直流電機(jī)的系統(tǒng)采用速度與電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。PI控制電流環(huán)與速度環(huán)，還可以通過電機(jī)的運(yùn)行條件現(xiàn)在適合的控制方法。受到控制件與受控理論的制約，現(xiàn)在直流無刷電機(jī)多采用PD控制，它滿足靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的各種指標(biāo)。采取模糊自整定PID控制計(jì)算方法來控制速度環(huán)控制器。電流跟隨速度控制器輸出可以起到抗干擾的作用,所以電流環(huán)控制器采取PID控制算法,DSP芯片代替單片機(jī)的所有接口，DSP的計(jì)算能力很快，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜和智能化的控制算法，通過系統(tǒng)的不斷升級(jí)擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)速度、位置、電流的數(shù)字化系統(tǒng)控制，進(jìn)而保證速度控制質(zhì)量。

2.2 直流無刷電機(jī)模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)

速度環(huán)模糊控制規(guī)則主要是由條件與結(jié)果形式進(jìn)行表達(dá),根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試得到下面的控制系統(tǒng)的規(guī)則。

2.3 直流無刷電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)

在控制器TMS320LF2407 DSP上, 通過C語言與模塊化的設(shè)計(jì)方法得出速度與電流控制器的應(yīng)用程序，程序包括主程序、模糊自整定PID子程序、中斷子程序、PID程序等從而完成系統(tǒng)的初始化、轉(zhuǎn)換與運(yùn)算、給定的參數(shù)、采集的數(shù)據(jù)、控制算法、邏輯換相、控制量的輸出、ADC與PWM之間的中斷、故障中的檢測(cè)等, 從而對(duì)直流無刷電機(jī)的控制。

2.4 直流無刷電機(jī)通訊與監(jiān)控系統(tǒng)

運(yùn)用中斷程序的方法與C語言的信息從而設(shè)計(jì)出下位機(jī)通訊程序，端口進(jìn)行初始化、確定通訊的波特率、奇偶位、校驗(yàn)位、地址等等。運(yùn)用VB語言通訊控件MSComm 對(duì)通訊端口來確定通訊格式與初始化，針對(duì)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)出相對(duì)應(yīng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)包括功能的組態(tài)、趨勢(shì)的組態(tài)、系統(tǒng)的檢測(cè)與命令等，按操作系統(tǒng)命令設(shè)置參數(shù)、設(shè)定速度、設(shè)定功能鍵。通過現(xiàn)場(chǎng)總線Modbus使上下位機(jī)進(jìn)行信息之間交換，從而體現(xiàn)出操作上的方便靈活。

3 結(jié)論

本文創(chuàng)新點(diǎn)主要是“智能控制，現(xiàn)場(chǎng)總線，上位監(jiān)控，數(shù)字檢測(cè)”等實(shí)現(xiàn)技術(shù)之間的相互融合, 使系統(tǒng)之間得到充分的利用。發(fā)揮每個(gè)系統(tǒng)控件的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮互補(bǔ)作用使直流無刷電機(jī)系統(tǒng)的反映速度、抗參數(shù)變化得到有效提高，使直流無刷電機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展、不斷進(jìn)步、性能不斷提高。在設(shè)計(jì)直流無刷電機(jī)的通訊與上位監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而提現(xiàn)系統(tǒng)方便與靈活性，在實(shí)際調(diào)試的結(jié)果中證明該設(shè)計(jì)有效性。

[1]張雄偉，鄒霞.DSP芯片原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3]馬秀坤，馬學(xué)軍.無刷直流電機(jī)智能控制系統(tǒng)[M].微計(jì)算機(jī)信息，2007.