無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)線組網(wǎng)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

趙 興，張 珣

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018）

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）以電子換向器代替電刷，具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的運(yùn)行效率高和速度易調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，又克服了電機(jī)電刷換向時(shí)容易產(chǎn)生噪聲、火花和干擾并且影響壽命等致命缺陷，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科研工作中應(yīng)用十分廣泛［1］。

目前BLDC 的控制主要集中在有線和點(diǎn)到點(diǎn)的一對(duì)一控制，在電機(jī)數(shù)量較多而且環(huán)境惡劣不適宜布線的情況下，存在很大的不足。針對(duì)這種不足，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線組網(wǎng)控制系統(tǒng)，以TI 公司生產(chǎn)的工作在UHF頻段的無(wú)線收發(fā)芯片CC1101作為無(wú)線收發(fā)模塊［2］，以微芯公司的低功耗芯片PIC18F45K20和dsPIC33FJ32MC204 作為主控單元［3-4］。系統(tǒng)由3 部分構(gòu)成：PC 上位機(jī)、無(wú)線收發(fā)器、電機(jī)控制器。PC 客戶端發(fā)出控制指令，通過(guò)串口傳送到無(wú)線收發(fā)器，無(wú)線收發(fā)器將控制指令傳送至電機(jī)控制器，用模糊PID算法［5-6］進(jìn)行調(diào)速控制。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 BLDC無(wú)線組網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖

圖1 中，最頂層是在PC 上編寫一個(gè)BLDC 的控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的起/轉(zhuǎn)停、加/減速、設(shè)定速度、轉(zhuǎn)向等控制，另外還可以通過(guò)發(fā)送指令讓電機(jī)上傳即時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)信息，例如轉(zhuǎn)向和速度，便于人工的監(jiān)控。這些指令都通過(guò)計(jì)算機(jī)RS232串口發(fā)出，但是考慮到實(shí)際應(yīng)用的布線距離和抗干擾等因素，本研究將計(jì)算機(jī)送出的信號(hào)通過(guò)雙向電平轉(zhuǎn)換器將RS232 電平轉(zhuǎn)化為RS485 電平［7］，轉(zhuǎn)換好的信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線傳至系統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)平臺(tái)。

中間層是無(wú)線收發(fā)器，它將通過(guò)RS485 口傳來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)CC1101 發(fā)送出去，同時(shí)它也可以接收到其他CC1101發(fā)出的信號(hào)，并回傳至上位機(jī)顯示和分析。

最底層是BLDC 控制器，通過(guò)SPI 接口集成一個(gè)CC1101模塊，用來(lái)接收上位機(jī)通過(guò)無(wú)線收發(fā)平臺(tái)發(fā)送的控制指令，控制BLDC的運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 電機(jī)調(diào)速算法

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，常規(guī)的PID 控制算法具有算法簡(jiǎn)單、精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但其設(shè)計(jì)過(guò)分依賴控制對(duì)象的模型，參數(shù)修改不便，而在無(wú)刷直流電機(jī)這樣一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制環(huán)境中，利用常規(guī)PID 算法設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)難以取得比較滿意的控制效果。本研究采用能進(jìn)行參數(shù)自整定的模糊PID控制算法進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制［8-9］，控制框圖如圖2所示。

圖2 模糊PID控制框圖

本研究以電機(jī)系統(tǒng)給定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和實(shí)際檢測(cè)速度的偏差，偏差的變化ec作為模糊控制的輸入，運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)PID 控制參數(shù)的自整定。根據(jù)以往的專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際的試驗(yàn)，建立關(guān)于KP，KI，KD的模糊控制規(guī)則表，如表1～3所示。

表1 KP 模糊控制規(guī)則表

表2 KI 模糊控制規(guī)則表

表3 KD 模糊控制規(guī)則表

本研究設(shè)定e和ec語(yǔ)言值的模糊子集為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，依次簡(jiǎn)記為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。根據(jù)各參數(shù)模糊控制規(guī)則，筆者應(yīng)用PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)，代入下式進(jìn)行計(jì)算：

本研究根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整PID 3個(gè)控制參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線收發(fā)器設(shè)計(jì)

本研究采用微芯公司的8位單片機(jī)PIC18F45K20作為微處理器。該單片機(jī)是高性能的RISC CPU，具有針對(duì)C 編譯器優(yōu)化的架構(gòu)，最高16 MIPS 的工作速度；工作電壓范圍1.8 V～3.6 V，并采用nanoWatt XLP的超低功耗管理；另外還集成了各種常用模塊如EU?SART模塊，MSSP模塊。在無(wú)線通信中要求系統(tǒng)能耗低、運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，在這里PIC18F45K20是個(gè)不錯(cuò)的選擇。由于該系統(tǒng)將來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)所是室內(nèi)車間，很容易獲得市電，這里使用AC-DC作為電源。

無(wú)線收發(fā)器硬件電路示意圖如圖3所示。單片機(jī)引腳通過(guò)SPI 端口與CC1101 進(jìn)行通信，通過(guò)EUSART端口進(jìn)行RS485電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換好的信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線送至上位機(jī)，在進(jìn)上位機(jī)之前還要通過(guò)一個(gè)RS485 到RS232 的電平轉(zhuǎn)化。由于是市電供電，系統(tǒng)可以一直處于常開(kāi)狀態(tài)，CC1101不需要工作在WOR模式。

圖3 無(wú)線收發(fā)器硬件電路示意圖

2.2 電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)控制器集成無(wú)線收發(fā)模塊、微處理器單元、BLDC電機(jī)控制電路。這里本研究將電機(jī)控制器做成3塊電路板：一塊控制板、一塊驅(qū)動(dòng)板、一塊CC1101無(wú)線模塊板，將驅(qū)動(dòng)板和無(wú)線模塊板接插在控制板上面，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

本研究選用MICROCHIP公司的16位數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC33FJ32MC204 作為控制板的微處理器，這是一款高性能DSC CPU，指令多為單周期指令，支持6通道PWM 輸出，最高40 MIPS 的工作速度，通過(guò)CMOS閃存技術(shù)降低系統(tǒng)功耗。

電機(jī)控制器的硬件電路示意圖如圖4所示。CC1101收到無(wú)線收發(fā)平臺(tái)傳來(lái)的信號(hào)，通過(guò)SPI口傳到控制板，微處理器經(jīng)過(guò)運(yùn)算，將該指令傳給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，使電機(jī)根據(jù)指令實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作；當(dāng)電機(jī)收到上傳當(dāng)前電機(jī)參數(shù)指令時(shí)，控制板就會(huì)對(duì)電機(jī)的霍爾傳感器信號(hào)進(jìn)行分析運(yùn)算并進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

圖4 電機(jī)控制器硬件示意圖

上位機(jī)和無(wú)線收發(fā)平臺(tái)的通信是簡(jiǎn)單的串口通信，屬于有線傳輸，通信已經(jīng)很成熟，這里著重介紹該系統(tǒng)中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。在無(wú)線收發(fā)平臺(tái)眼中，任何一個(gè)電機(jī)控制器都是平等的，在同一時(shí)間，無(wú)線收發(fā)平臺(tái)只能和一個(gè)電機(jī)控制器進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的通信即無(wú)線收發(fā)平臺(tái)以廣播的形式發(fā)出無(wú)線信號(hào)，只有一個(gè)電機(jī)控制器可以響應(yīng)、接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制或者讓電機(jī)上傳當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)到PC 上位機(jī)。每幀數(shù)據(jù)固定11個(gè)字節(jié)。其中：

同步頭：2 個(gè)字節(jié)，是一幀數(shù)據(jù)開(kāi)始的標(biāo)志，可以自由定義。

地址：對(duì)無(wú)線收發(fā)平臺(tái)和電機(jī)控制器進(jìn)行二進(jìn)制編碼，2個(gè)字節(jié)已經(jīng)足夠。

功能碼：CC1101模塊發(fā)出這一幀數(shù)據(jù)的目的，可以為控制指令或者接收到信號(hào)后的應(yīng)答位，1個(gè)字節(jié)。

數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位是電機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，可以為電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，4個(gè)字節(jié)。

校驗(yàn)位：對(duì)數(shù)據(jù)前10個(gè)字節(jié)進(jìn)行計(jì)算得出2個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位。該位錯(cuò)誤說(shuō)明數(shù)據(jù)傳送失敗，必須重新傳送，2個(gè)字節(jié)。

3.2 無(wú)線收發(fā)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線收發(fā)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)就是對(duì)PIC18F45K20微處理器系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。首先，系統(tǒng)要對(duì)芯片本身、SPI總線、EUSART、CC1101進(jìn)行初始化，使CC1101工作在433 MHz。當(dāng)新平臺(tái)收到上位機(jī)由RS485總線傳來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，就要按照數(shù)據(jù)的要求將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CC1101發(fā)射出去，完成數(shù)據(jù)由有線到無(wú)線的轉(zhuǎn)化。當(dāng)CC1101 收到電機(jī)控制器發(fā)射回來(lái)的數(shù)據(jù)，確認(rèn)有效后，要將數(shù)據(jù)由無(wú)線轉(zhuǎn)到有線，傳給上位機(jī)顯示。該平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3.3 電機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)控制器軟件同無(wú)線收發(fā)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)一樣，首先要對(duì)dsPIC33FJ32MC204 芯片、SPI 總線、USART、CC1101、ADC、PWM 進(jìn)行初始化設(shè)置，同樣使CC1101工作在433 MHz。完成初始化后，當(dāng)電機(jī)控制平臺(tái)收到無(wú)線收發(fā)平臺(tái)發(fā)送過(guò)來(lái)的有效信號(hào)，馬上讀取電機(jī)霍爾傳感器上的信息并與接收到的數(shù)據(jù)中的電機(jī)參數(shù)對(duì)比，通過(guò)調(diào)整PWM波的占空比，來(lái)完成電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的改變，直到滿足上位機(jī)的要求；當(dāng)上位機(jī)發(fā)出的信號(hào)是要查看此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，也是讀取霍爾傳感器上的信號(hào)，獲得電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)并及時(shí)將運(yùn)行參數(shù)傳出去?？刂破鞯能浖O(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖5 無(wú)線收發(fā)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖6 電機(jī)控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)運(yùn)行主界面如圖7所示。上位機(jī)相當(dāng)于一個(gè)監(jiān)控平臺(tái)［10］，使用VC++編寫，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①發(fā)送控制指令，對(duì)電機(jī)進(jìn)行有目的的控制，先在電機(jī)參數(shù)欄設(shè)置好電機(jī)的相關(guān)參數(shù)（例如轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速），一鍵確認(rèn)發(fā)送，指令發(fā)出，電機(jī)就會(huì)按要求改變運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)；②顯示電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，當(dāng)監(jiān)控人員需要了解某一個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，只要發(fā)出讓這個(gè)電機(jī)上傳當(dāng)前參數(shù)的指令，電機(jī)就會(huì)立刻上傳參數(shù)并顯示在對(duì)應(yīng)的顯示界面。

圖7 上位機(jī)運(yùn)行主界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)組網(wǎng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在PC 上位機(jī)上輸入控制指令，通過(guò)CC1101 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)平臺(tái)，對(duì)指定的電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)控制或者對(duì)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)控，在調(diào)速中使用了模糊PID算法，增加了系統(tǒng)的適用性。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該方案運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力較強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率很低。該系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，可以應(yīng)用于紡織車間等有多臺(tái)電機(jī)工作的地方，可大大節(jié)省生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。另外該系統(tǒng)中使用的CC1101 數(shù)傳方案也可廣泛用于智能監(jiān)控、車間通訊、無(wú)線報(bào)警等各個(gè)領(lǐng)域。

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