三相8極無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計*

岳學(xué)磊，白　鵬，楊瑞坤，華偉民

（空軍工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710051）

三相8極無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計*

岳學(xué)磊，白鵬，楊瑞坤，華偉民

（空軍工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710051）

以TMS320F28335 DSP作為核心控制器，提出三相8極無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。對主要硬件電路和軟件程序做了詳細(xì)設(shè)計，并給出了相應(yīng)的電路原理圖和程序流程圖。其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)算法采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，通過自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)，提高了控制系統(tǒng)對環(huán)境的自適應(yīng)性。通過實驗可知：所設(shè)計的無刷直流電機控制系統(tǒng)是可行的，采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法可以使無刷直流電機的響應(yīng)時間更短，超調(diào)量和波動更小。

無刷直流電機；硬件電路；控制軟件；單神經(jīng)元

0　引言

無刷直流電機是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論和電機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。具有啟動時間短、啟動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、可靠性高、維護(hù)周期長等優(yōu)點。被廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、機器人、自平衡車、無人機、電動汽車、家用電器、辦公自動化以及工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。

本文給出了基于TMS320F28335 DSP的無刷直流電機的控制系統(tǒng)設(shè)計方案，對控制系統(tǒng)的主要硬件電路模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，包括電機驅(qū)動電路和控制電路的設(shè)計。并給出了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序的設(shè)計方法［1-2］。

速度調(diào)節(jié)算法通常采用傳統(tǒng)PID控制算法，但它的控制參數(shù)采用一次整定方式，要想在各個運行階段都達(dá)到良好的控制效果，參數(shù)的確定往往難以實現(xiàn)。文獻(xiàn)［3］提出了一種基于模糊調(diào)節(jié)的免疫反饋PID控制，具有傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、魯棒性強等優(yōu)點，提高了抗干擾性和對工況的適應(yīng)性；文獻(xiàn)［4］將微粒群優(yōu)化算法和單神經(jīng)元自適應(yīng)控制結(jié)合，應(yīng)用在無刷直流電機的控制系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性；文獻(xiàn)［5］將遺傳算法和模糊控制結(jié)合，對電機進(jìn)行優(yōu)化控制，控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性得到了提高。文獻(xiàn)［6］利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對無刷直流電機控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，對電機轉(zhuǎn)速和相電流進(jìn)行實時采樣，修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)向量，通過控制電樞電壓實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。

本文采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，可以對控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高系統(tǒng)對環(huán)境的自適應(yīng)性。實驗表明，采用的改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法可以使無刷直流電機的響應(yīng)時間更短，超調(diào)量和波動更小。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

以TMS320F28335 DSP為核心控制芯片，設(shè)計了無刷直流電機控制系統(tǒng)。DSP通過捕獲口 CAPl、CAP2、CAP3捕捉位置傳感器的跳變信號，觸發(fā)捕獲中斷，通過讀取 3個CAP口的電平狀態(tài)，得到電機控制字，然后DSP發(fā)出相應(yīng)的控制指令，以改變PWM信號的開關(guān)量，進(jìn)而改變開關(guān)管的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的控制。控制系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)設(shè)計框圖

控制系統(tǒng)的控制對象為 24 V/65 W的三相 8極無刷直流電機，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速控制。系統(tǒng)的外環(huán)為速度環(huán)，DSP根據(jù)給定速度值與經(jīng)霍爾傳感器得到的速度值通過改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法得到電流給定值。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，對速度控制器的輸出電流給定值與由經(jīng)A/D采樣得到的電流值比較，通過傳統(tǒng)PID控制算法，給出對應(yīng)的PWM控制信號，實現(xiàn)對電機的調(diào)速控制。

2　硬件電路設(shè)計

2.1無刷直流電機驅(qū)動電路

功率變換電路的主要功能是將直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟妷簛眚?qū)動無刷直流電機旋轉(zhuǎn)。本文的控制對象是65 W的中小型電機，因此功率變換電路采用驅(qū)動芯片+MOSFE的方式，DSP輸出的PWM信號經(jīng)過功率放大、光電隔離處理后送入驅(qū)動芯片，驅(qū)動功率管MOSFET開通和關(guān)斷。

驅(qū)動芯片選用 International Rectifier公司生產(chǎn)的IR2136，此芯片為三相逆變電路驅(qū)動器集成電路，適用于驅(qū)動無刷直流電機、永磁同步和交流異步電機等。驅(qū)動芯片的電路圖如圖2所示。

圖2中，二極管D1、D2、D4與電容C4、C5、C6組成升壓電路，二極管的作用是防止電流倒灌，電容的作用是存儲電壓。脈沖頻率較高時，升壓電路的電壓為輸入電壓加上電容存儲電壓，導(dǎo)致電壓增大。設(shè)計升壓電路是為了提高驅(qū)動電壓幅值，使驅(qū)動芯片能夠可靠地驅(qū)動高壓側(cè)功率管的開通。

圖2　IR2136電路原理圖

2.2控制電路

TMS320F28335的ePWM模塊有ePWM1～ePWM6共6個子模塊，每個ePWM子模塊有兩路PWM輸出，分別為ePWMxA和ePWMxB。三相電流橋由6個功率管MOSFET組成，每個橋臂上的兩個功率管MOSFET的控制信號相互關(guān)聯(lián)。所以，前3個ePWM子模塊（ePWM1、ePWM2、ePWM3）就可以滿足無刷直流電機的控制要求，PWM控制信號分別為 ePWM1A和 ePWM1B、ePWM2A和 ePWM2B、ePWM3A和ePWM3B。因為DSP引腳輸出信號的負(fù)載能力有限，所以輸出的PWM信號需要經(jīng)過功率放大器提升負(fù)載能力，選用的功率放大器為 74HC245，相應(yīng)的電路如圖3所示。

圖3　PWM緩沖電路

3　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序

釆用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，算法可以對控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性和對環(huán)境的自適應(yīng)性。算法表達(dá)式如下：

式中，ηI、ηP、ηD分別為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率；wi(k)為加權(quán)系數(shù)；K為比例系數(shù)，K＞0；e(k)為速度偏差；De(k)為速度偏差的變化量。

算法的實現(xiàn)過程為：電機運行時，通過DSP的通用定時器可以獲取相鄰兩次霍爾信號變化的時間間隔，從而計算出電機的實時轉(zhuǎn)速。與給定速度比較，可以得到轉(zhuǎn)速的偏差error。與上次得到的偏差error_1相減，可得偏差的變化量 d_error。根據(jù)算法表達(dá)式，可以得到程序的流程圖，如圖4所示。

圖4　改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的流程圖

圖中，r為給定轉(zhuǎn)速，y為電機反饋的實際轉(zhuǎn)速，error和error_1為轉(zhuǎn)速偏差，d_error為偏差的變化量，lr_p、lr_i、lr_d分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率，wp、wi、wd、wp_1、wi_1、wd_1、wp_11、wi_11、wd_11、wadd為加權(quán)系數(shù)，K為比例系數(shù)，u和u_1為系統(tǒng)的輸出。

4　實驗結(jié)果與分析

4.1PWM控制信號的測試

為了降低功率管MOSFET的功率損耗，采用上橋臂工作于PWM狀態(tài)進(jìn)行調(diào)壓的控制方法，下橋臂工作于常通狀態(tài)。如圖5、圖6分別為A相上橋臂和下橋臂的MOSFET工作波形。

圖5　上橋臂的MOSFET工作波形

圖6　下橋臂的MOSFET工作波形

4.2轉(zhuǎn)速信號檢測

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序中首先采用傳統(tǒng)PID控制算法，設(shè)置電機的運行時間為5 s，給定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。電機開始運行，期間每隔 50 ms計算一次轉(zhuǎn)速，并保存在數(shù)組中，5 s后電機停止運行。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，重復(fù)上述實驗，分別得到如圖7、圖8所示的速度響應(yīng)曲線。

圖7　基于傳統(tǒng)PID控制算法的響應(yīng)曲線

圖8　基于改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法的響應(yīng)曲線

通過對比上面速度響應(yīng)曲線，可以得出：在給定轉(zhuǎn)速(2 500 r/min)下，采用傳統(tǒng) PID控制算法，系統(tǒng)自空載啟動到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時間為 0.6 s，且超調(diào)量較大，約為20%；采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng) PID控制算法，系統(tǒng)自空載啟動后在較短時間內(nèi)(約0.2 s)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，超調(diào)量很小，僅為1%左右，此外，速度曲線的波動很小。

5　結(jié)論

本文以三相8極無刷直流電機為控制對象，設(shè)計了無刷直流電機控制系統(tǒng)，對主要硬件電路和軟件程序做了詳細(xì)設(shè)計，并給出了相應(yīng)的電路原理圖和程序流程圖，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)算法采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法。實驗表明，所設(shè)計的無刷直流電機控制系統(tǒng)是可行的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，可以使無刷直流電機的響應(yīng)時間更短，超調(diào)量和波動更小，達(dá)到了預(yù)期目的。

［1］馬文斌，楊延竹，洪運.步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：11-13.

［2］徐龍威，楊帆，徐令令，等．基于TMS320F28335無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．電子測量技術(shù)，2013，36(9)：79-83．

［3］夏長亮，劉丹，王迎發(fā)，等．基于模糊規(guī)則的無刷直流電機免疫 PID控制［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2007，22(9)：68-73.

［4］代睿，曹龍漢，何俊強，等．基于微粒群算法的無刷直流電機單神經(jīng)元自適應(yīng)控制［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2011，26(4)：57-63.

［5］夏長亮，郭培健，史婷娜，等．基于模糊遺傳算法的無刷直流電機自適應(yīng)控制［J］．中國電機工程學(xué)報，2005，25(11)：129-133．

［6］胡云寶，王加祥，曹鬧昌．基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)［J］．微電機，2013，46(1)：63-66.

Design of control system for three-phase 8 pole brushless DC motor

Yue Xuelei，Bai Peng，Yang Ruikun，Hua Weimin
(College of Science，Air Force Engineering University，Xi′an 710051，China)

By applying TMS320F28335 DSP as the core controller,the design scheme of the control system of three-phase 8 pole brushless DC motor was given.The main hardware circuit and software were designed in detail,and the corresponding circuit schematic diagram and program flow chart were given.The speed adjusting algorithm adopts improved single neuron adaptive PID control algorithm.Through adaptive adjustment of control parameters,the adaptability to the environment control system was improved.The experiment showed that:the design of brushless DC motor control system is feasible with the improved single neuron adaptive PID control algorithm,the response time of the brushless DC motor was shorter,overshoot and the curve of speed wave were smaller.

brushless DC motor；hardware circuit；control software；single neuron

TM36+1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.017

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2011K06-115）

（2015-12-11）

岳學(xué)磊（1988-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：無刷直流電機優(yōu)化控制及故障檢測，E-mail：yuexuelei2014@126.com。

白鵬（1966-），男，博士，副教授，主要研究方向：信號與系統(tǒng)。

楊瑞坤（1978-），男，博士，教員，主要研究方向：開關(guān)磁阻電機優(yōu)化與故障診斷。

中文引用格式：岳學(xué)磊，白鵬，楊瑞坤，等.三相 8極無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(4)：60-62，66.

英文引用格式：Yue Xuelei，Bai Peng，Yang Ruikun，et al.Design of control system for three-phase 8 pole brushless DC motor［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：60-62，66.