基于DSP無刷直流電動機控制系統(tǒng)的研究

高艷麗，孫 陽，張樹團

（1.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學(xué)院 新裝備中心，山東 煙臺 264001）

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多高性能功率器件以及新型高性能稀土永磁材料，這些都為無刷直流電機的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)今，無刷直流電動機應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，如多電飛機燃油系統(tǒng)、多電飛機剎車系統(tǒng)、醫(yī)療器械、家用電器等方面的應(yīng)用，在航空航天等國防工業(yè)中也具有越來越廣泛的應(yīng)用[1]。數(shù)字信號處理技術(shù)DSP及其硬件芯片微處理器技術(shù)迅猛發(fā)展，它不僅能實現(xiàn)高精度、高可靠性而且能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)功能，具有控制靈活，智能水平高，參數(shù)易改等特點，所以DSP無刷直流電動機的控制系統(tǒng)運用前景廣泛，實用性高。

1 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

無刷直流電動機系統(tǒng)的原理：無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電流近似呈線性關(guān)系，即改變電流的大小就可改變電磁轉(zhuǎn)矩的大?。浑姍C的轉(zhuǎn)速與反電勢為正比關(guān)系，由電機反電勢和外加電壓的平衡關(guān)系可以得出，電機轉(zhuǎn)速的改變可以通過調(diào)節(jié)外加電壓來實現(xiàn)，所以只要改變逆變器的占空比就可實現(xiàn)[2]。圖1為無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖。

圖1 無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖Fig.1 Brushless DC motor speed control system schematic

整個控制系統(tǒng)采用分布式控制，上位機為PC機用來輸入和顯示速度及電流的設(shè)定值，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存及系統(tǒng)的錯誤報警，采用VC++程序進行界面設(shè)計和編寫。下位機采用DSP TMS320F2812，該芯片產(chǎn)生輸出PWM信號輸入IPM模塊，該模塊包括三相橋式逆變電路和電流反饋電路，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，同時DSP接收電流的反饋信號，與電流設(shè)定值進行比較。位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置，輸入到DSP中，并且根據(jù)計數(shù)器測得電機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度反饋。

圖2 無刷直流電動機控制系統(tǒng)Fig.2 Brushless DC motor control system

2 模糊PID控制

無刷直流電動機是一個多變量、非線性、強耦合的對象，因而單一的運用PID控制算法不能夠得到較為精確的控制結(jié)果。而模糊控制是依賴于人的經(jīng)驗進行控制，不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，針對非線性和時變的系統(tǒng)具有較好的控制能力。在無刷直流電動機控制系統(tǒng)中把模糊控制和PID相結(jié)合，不僅可以得到較快的響應(yīng)速度和參數(shù)變化的魯棒性，而且可以對系統(tǒng)實現(xiàn)較高精度的控制[3]。

本設(shè)計中運用的模糊PID控制器包括兩個組成部分：PID控制器和模糊控制器。DSP中斷過程中采樣獲取被控制量的瞬時值與所給的參考值相比較，兩者之差e即為偏差信號。偏差較大（|e|≥η）時，采用模糊控制；偏差較?。▅e|＜η）時，采用數(shù)字增量式PID控制。這種控制方式既可以利用達到較好的穩(wěn)態(tài)精度，又可以利用模糊控制得到響應(yīng)的快速性和相應(yīng)較好的魯棒性。模糊—PID控制關(guān)鍵是開關(guān)閾值η的設(shè)定[4]。為了使系統(tǒng)達到最佳效果，開關(guān)閾值η可選擇經(jīng)驗值，并對其進行在線調(diào)整。圖3為模糊PID控制器的邏輯關(guān)系圖。

圖3 模糊PID控制器的邏輯關(guān)系圖Fig.3 Fuzzy PID controller logic diagram

2.1 模糊控制器的設(shè)計

選擇電流偏差E和偏差變化率EC的模糊集合為:{NB，NM， NS， ZE， PS， PM， PB} ，論域為:{－6，－4，－2，0，2，4，6}；在一些不確定的狀態(tài)下可以在線整定模糊控制狀態(tài)表。表1為控制規(guī)則表。

表1 EC控制規(guī)則表Tab.1 EC control rule table

各個變量的隸屬函數(shù)都選用的是靈敏度較高的三角函數(shù)，這樣可以更加確保模糊控制器有著較高的靈敏度。

2.2 PID控制算法的設(shè)計

在小誤差（|e|＜η）的動態(tài)范圍內(nèi)，采取數(shù)字增量式PID控制。在工業(yè)控制過程中，PID控制可以得到相對滿意的控制效果。PID控制算式為：

公式（1）中:u（t）為調(diào)節(jié)器的輸入信號；e（t）為偏差信號，它等于給定量與輸出量之差；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

對公式（1）進行離散化，得到

公式（2）中:u（k）為第 k 時刻的控制輸出。

e（k）———第k次采樣時刻輸入的偏差值；

Kp———比例系數(shù)；

TI———積分時間常數(shù)；

TD———微分時間常數(shù)；

T———采樣周期。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

電路中采用DSPTMS320F2812來控制有位置傳感器無刷直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)CPU時鐘頻率采用20 MHz[5]，并且應(yīng)用PWM頻率為20 kHz。通過定時器至周期匹配事件啟動ADC轉(zhuǎn)換，使每個PWM周期都對電流進行一次采樣，并在A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序中對電流進行調(diào)節(jié)，來控制PWM輸出。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過600機械角就觸發(fā)一次捕捉中斷，進行換相操作和速度計算。圖4為控制流程圖。

圖4 控制流程圖Fig.4 Control flow chart

在電流的檢測中可以使用旁路電阻來檢測相電流。將該電阻放于三相全控功率變換電路的下端功率橋臂與地之間；電阻值的大小可以根據(jù)需要而定，一般應(yīng)該使它可以起到一個功率變換電路的過電流保護作用。電阻上的電壓首先經(jīng)過放大，再送于TMS320F2812上的A/D轉(zhuǎn)換通道，得到合適的電流信號。在A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束的時候，向CPU發(fā)出一個中斷請求信號，等待CPU對該電流信號的處理。根據(jù)電流誤差，選擇采用PID控制器還是模糊控制器，從而實現(xiàn)對PWM脈沖的占空比調(diào)節(jié)[6]。

上位機即PC機，編程軟件可以采用VC++。通過程序的編寫可以實現(xiàn)人機友好界面，方便操作人員的使用并且能保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行。上位機可實現(xiàn)：

1）電動機速度的顯示；

2）電流、速度值的輸入；

3）實時、動態(tài)、直觀的顯示各參數(shù)的變化。

4）可以顯示報警畫面：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，工作人員可以通過畫面直觀的看到報警信號的工號、報警類型、報警時間和當(dāng)前值，點擊報警項就會切換到報警工號對應(yīng)的操作界面，工作人員可進行相應(yīng)的修改，當(dāng)修改結(jié)束后報警可以通過復(fù)位鍵進行復(fù)位。

5）歷史報告畫面：可以查詢操作人員的操作記錄和操作的詳細時間，包括系統(tǒng)的啟停、各參數(shù)修改前和修改后的值等。

6）數(shù)據(jù)的保存與打印。

4 結(jié) 論

本文采用DSP TMS320F2812為核心處理器，并且控制算法上采用模糊PID控制算法來實現(xiàn)電動機速度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對電動機運行的精確控制。在整體控制上采用分布式控制，更加方便了用戶對電動機的控制，也使得電動機得以精確運行。

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