基于DSP的無刷直流電動機雙閉環(huán)PID伺服系統(tǒng)設(shè)計*

陳劍鋒，羅偉林

（1.泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362008；2.福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，福州 350108）

0 引言

近年來，無刷直流電動機（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）的技術(shù)不斷成熟，其應(yīng)用也越來越廣泛，如機器人控制、醫(yī)療機械、電動車輛、航天航空等領(lǐng)域。BLDCM采用電子換相，優(yōu)化了電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)機械換相的弊端，具有噪聲小、運行可靠、調(diào)速范圍寬、機械特性優(yōu)良等優(yōu)點。實際應(yīng)用中，各個領(lǐng)域?qū)LDCM伺服系統(tǒng)的控制要求都比較高，尤其是在數(shù)據(jù)處理速度、實時性、速度控制精度、信號反饋靈敏度、上位機通訊等方面。因此，BLDCM伺服系統(tǒng)的研究具有理論和實際意義。

針對BLDCM的系統(tǒng)設(shè)計方案研究成為了眾多學(xué)者關(guān)注的方向，劉源和孫東亞[1]提出了一種基于ARM的無刷直流電動機的軟硬件方案，實現(xiàn)了對電動機的調(diào)速控制。祁濤等[2]、張健和王笑竹[3]、鄧元望等[4]基于Matlab軟件平臺實現(xiàn)了無刷直流電動機的仿真模型搭建，為后期的軟硬件開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。在控制系統(tǒng)設(shè)計方面，Mohd等[5]提出了一種無刷直流電動機的PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的控制方案。郭志堅和張岳賢[6]基于PID雙閉環(huán)控制算法對BLDCM仿真模型進行研究。程時兵和王煒[7]采取位置閉環(huán)控制方式完成了數(shù)字式無刷直流電動控制系統(tǒng)設(shè)計。鄒志軍和遲長春[8]設(shè)計了一種改進型蝙蝠優(yōu)化PID算法的BLDCM仿真模型。為提高控制精度和控制系統(tǒng)實時性，基于數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing,DSP）芯片的BLDCM伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計開始受到人們關(guān)注。趙文龍等[9]基于DSP實現(xiàn)了無刷直流電動機的控制裝置設(shè)計，采用C++編寫了上位機，能實時觀測電動機運行的實時參數(shù)變化。朱淑云等[10]基于DSP芯片通過使用CCS軟件開發(fā)環(huán)境給出了無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案，但現(xiàn)有的研究多基于仿真驗證，軟硬件實現(xiàn)較少涉及。

本文構(gòu)建的BLDCM伺服控制系統(tǒng)以DSP作為核心器件，在硬件方面設(shè)計了供電電路、主控電路、驅(qū)動電路、上位機通信電路、檢測電路、故障保護電路等.在軟件方面基于Matlab軟件建立了BLDCM的數(shù)學(xué)仿真模型，采用雙閉環(huán)PID控制方法，分別設(shè)計了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，同時，電動機參數(shù)值顯示和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置用上位機來實現(xiàn)，并對所設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)在實際環(huán)境下進行測試和驗證。

1 無刷直流電動機的工作原理

如圖1所示，無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)主要由A、B、C三相定子繞組、轉(zhuǎn)子位置檢測部分、開關(guān)線路3個部分組成[11]。無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子是永磁體，當定子線圈通電后就會產(chǎn)生磁場，兩個磁場間存在相互作用力就形成電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動。無刷直流電動機的控制過程為：通過位置傳感器檢測電動機轉(zhuǎn)子的位置，將獲取的轉(zhuǎn)子位置信號傳輸?shù)娇刂齐娐?，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號；然后，將觸發(fā)脈沖信號傳送到控制電路，由控制電路發(fā)出的驅(qū)動信號去驅(qū)動逆變器中6個三極管的導(dǎo)通和截止狀態(tài)，從而驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動。

圖1 無刷直流電機控制原理Fig.1 Principle of BLDCM

本文設(shè)計的無刷直流電動機采用星形接法，導(dǎo)通方式為“兩兩導(dǎo)通”。電動機旋轉(zhuǎn)一周需要經(jīng)過6步，每步3個繞組中有兩個繞組導(dǎo)通，實現(xiàn)一個繞組換相，磁場也對應(yīng)轉(zhuǎn)過60°。例如，若繞組A、C導(dǎo)通，電流的流向：電源正極→V1管→A相繞組→C相繞組→V2管→負極。因此，定子繞組按照一定規(guī)律得、失電，逆變器中的三極管就會呈現(xiàn)規(guī)律性的關(guān)、斷狀態(tài)，使得電機定子線圈產(chǎn)生60°的磁勢，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

2 基于Matlab無刷直流電動機的仿真建模

2.1 BLDCM的數(shù)學(xué)模型

為建立BLDCM模型，假設(shè)：三相繞組完全對稱，忽略齒槽影響，電樞繞組均勻連續(xù)分布，磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。則電壓平衡方程為：

式中：ua、ub、uc為三相繞組相電壓；ia、ib、ic為三相繞組相電流；ea、eb、ec為三相繞組相反電勢；r為單相繞組電阻；L為三相繞組自感；M為繞組間互感。

電磁轉(zhuǎn)矩為：

式中：ω為電動機的機械角速度。

電機軸的運動方程為：

式中：J為轉(zhuǎn)子及負載的轉(zhuǎn)動慣量；TL為負載轉(zhuǎn)矩；B為黏滯阻尼系數(shù)。

2.2 BLDCM仿真模型

在BLDCM伺服控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計前，先在Simulink中驗證BLDCM模型的可行性。基于BLDCM的數(shù)學(xué)模型，建立雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示，仿真模型主要由速度環(huán)模塊、電流環(huán)模塊、PI調(diào)節(jié)器模塊、邏輯換相模塊、BLDCM模塊等組成。

圖2 BLDCM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Double close-loop servo system of BLDCM

可以看出，仿真模型中速度和電流都采用了PI調(diào)節(jié)（增益Kp、Ki選取不同數(shù)值）。電流環(huán)可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，保證電動機在啟動時獲得最大電流。轉(zhuǎn)速環(huán)可以保證系統(tǒng)的跟隨性，抑制轉(zhuǎn)速波動，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性、減少靜差。當給定系統(tǒng)一個輸入轉(zhuǎn)速指令和相關(guān)參數(shù)值，經(jīng)過轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，就可以分析系統(tǒng)轉(zhuǎn)速誤差、電流誤差、反饋轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、相電流、相反電勢的相關(guān)曲線變化情況。

2.3 仿真結(jié)果及分析

本文選擇的電機仿真參數(shù)如表1所示。

表1 電機參數(shù)表Tab.1 Parameters of motor

轉(zhuǎn)速環(huán)PI參數(shù)設(shè)置如下：Kp=0.4，Ki=0.03，電流環(huán)Kp=30，Ki=9，仿真結(jié)果如下。

（1）空載啟動實驗

設(shè)定電機轉(zhuǎn)速為2000 r/min的無負載啟動，仿真時間為0.3 s，電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別如圖3和圖4所示。

圖3 空載啟動轉(zhuǎn)速變化Fig.3 Revolution variation in the case of non-load start

圖4 空載啟動轉(zhuǎn)矩變化Fig.4 Torque variation in the case of non-load start

圖4 站位利用率

可以看出，電機空載啟動速度較快，超調(diào)量小，大約28 ms達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)后運行穩(wěn)定，達到設(shè)定轉(zhuǎn)速時，電流、轉(zhuǎn)矩波動較小。

（2）負載突變實驗

讓電機空載啟動后，在0.15 s時給電機一個4 N·m的負載擾動，BLDCM的轉(zhuǎn)速響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)分別如圖5和圖6所示。

圖5 負載變動轉(zhuǎn)速變化Fig.5 Revolution variation in the case of load disturbance

圖6 負載變動轉(zhuǎn)矩變化Fig.6 Torque variation in the case of load disturbance

可以看出，在負載擾動情況下，輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)很快，大約1.2 ms后重新達到穩(wěn)定狀態(tài)，其間系統(tǒng)轉(zhuǎn)速波動很小，并很快達到給定轉(zhuǎn)速，電流響應(yīng)迅速，運行很穩(wěn)定，說明系統(tǒng)有一定的抗干擾能力。

（3）轉(zhuǎn)速突變實驗

電機空載啟動，給定轉(zhuǎn)速1800 r/min，在0.15 s時，將轉(zhuǎn)速由1800 r/min突加到2600 r/min，電機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)分別為圖7和圖8所示。由圖7可以看出，電機實際轉(zhuǎn)速15.4 ms后可以很快的跟隨給定速度，調(diào)節(jié)時間很短；由圖8可以看出，電機輸出轉(zhuǎn)矩變化和空載啟動特性類似，調(diào)節(jié)時間很短達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 轉(zhuǎn)速突變轉(zhuǎn)速變化Fig.7 Revolution response to an increase of revolution

圖8 轉(zhuǎn)速突變轉(zhuǎn)矩變化Fig.8 Torque response to an increase of revolution

3 無刷直流電動機控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計中的DSP芯片采用TI公司開發(fā)的TMS320F28335芯片，該芯片數(shù)字運算處理能力強，集成度高、接口豐富。如圖9所示，基于TM320F28335的BLDCM控制系統(tǒng)以DSP為控制核心，整個系統(tǒng)主要由供電模塊、主控電路、驅(qū)動電路模塊、通信模塊、檢測電路模塊、保護電路模塊等組成。DSP的應(yīng)用使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、啟動迅速穩(wěn)定。

圖9 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.9 Hardware design of BLDCM

系統(tǒng)工作時，通過霍爾傳感器實時檢測電動機轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，經(jīng)過信號處理后轉(zhuǎn)換成電平信號傳輸?shù)紻SP芯片中的CAP單元。上位機發(fā)送一個給定速度信號，先經(jīng)轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)后可以將轉(zhuǎn)速偏差信號轉(zhuǎn)化為電流指令，然后再經(jīng)過電流環(huán)PI調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生PWM脈沖信號去驅(qū)動三相逆變器，從而讓電動機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。電動機期望的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)整PWM脈沖信號的占空比來實現(xiàn)，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，關(guān)閉保護電路模塊中的PWM脈沖信號輸出，能起到電路保護的作用。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計平臺選用CCS5.2（Code Composer Studio 5.2），該平臺是一個完整的DSP集成開發(fā)環(huán)境，支持C語言編程、多種型號仿真器、在線Debug功能。DSP作為整個系統(tǒng)的核心控制器，不僅需要對采集的信息進行分析和運算，還要與各個模塊芯片進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對其他芯片的初始化和控制，同時檢測輔助電路和保護電路反饋的信息，以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此所有邏輯控制皆在DSP內(nèi)部執(zhí)行，需要對DSP進行整個系統(tǒng)控制軟件的編寫，包括主程序，定時中斷子程序、中斷保護程序、轉(zhuǎn)速解算程序、換相程序等。軟件總體框架如圖10所示。

圖10 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)軟件系統(tǒng)Fig.10 Software design of BLDCM

為了能實時觀測電動機運行狀態(tài)的參數(shù)值和實現(xiàn)與下位機的通訊，本文采用LabWindow軟件設(shè)計了一款用于與BLDCM控制軟件通信的上位機，其可以實現(xiàn)控制指令的下發(fā)，并對回傳的數(shù)據(jù)進行保存、畫圖，用于程序分析。圖11為所設(shè)計的上位機界面圖。

圖11 上位機界面Fig.11 Host computer

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗平臺搭建

為了驗證所設(shè)計的控制策略及仿真模型的有效性，設(shè)計了等比例樣機進行實驗驗證，實驗平臺主要包括電源、控制板、功率板、BLDCM、仿真器、PC機等，DSP通過串口與電腦實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，進行指令下發(fā)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流等實時數(shù)據(jù)回傳的功能。

PC機上運行CCS軟件，仿真器通過JTAG口將電腦與控制板相聯(lián)。這樣，在DBUGE方式下可以把程序下載到DSP中，并允許PC通過調(diào)試程序和DSP之間交換數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)對DSP硬件系統(tǒng)的調(diào)試。實驗中，電機的啟停用上位機進行控制，無刷直流電機實驗平臺搭建如圖12所示。

圖12 無刷直流電機控制裝置Fig.12 Platform of the BLDCM system

實驗中無刷直流電動機參數(shù)如表2所示。

表2 實驗電機參數(shù)表Tab.2 Parameters of motor in experiments

4.2 實驗結(jié)果

（1）霍爾位置信號

如圖13所示，用示波器釆集3路霍爾信號，可以看出每兩路信號相差120°，這樣，三路信號正好在一周期形成6個組合狀態(tài)，滿足設(shè)計要求。

圖13 霍爾位置信號Fig.13 Hall signal

（2）電機運行曲線

PID參數(shù)設(shè)定如下。轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)：Kp=4.23，Ki=2.30；電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)：Kp=2.92，Ki=0.8。實驗時，電機空載運行，給定速度指令2000 r/min，將數(shù)據(jù)利用串口發(fā)送給上位機，獲得電機的速度響應(yīng)曲線如圖14所示。由圖可知，上升時間tr=0.34 s，調(diào)節(jié)時間ts=0.37 s，超調(diào)量σ=4.8%，電機能進行速度閉環(huán)穩(wěn)態(tài)運行，驗證了本文所設(shè)計軟硬件系統(tǒng)的有效性。

圖14 電機轉(zhuǎn)速曲線Fig.14 Revolution of motor

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于DSP的完整的無刷直流電動機伺服控制系統(tǒng)，有效克服了傳統(tǒng)直流電動機調(diào)速性能差和穩(wěn)定性不足的弊端，同時設(shè)計了上位機來實時監(jiān)測電動機的運行參數(shù)數(shù)值，解決了無法實時獲取系統(tǒng)運行參數(shù)的問題通過仿真實驗可以得到以下結(jié)論：（1）采用雙閉環(huán)PID調(diào)速控制方式，整個系統(tǒng)響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬、穩(wěn)定性好、跟隨性好；（2）采用高性能DSP芯片，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理速度，簡化了硬件的電路設(shè)計；（3）搭建了正確的BLDCM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，并且仿真參數(shù)調(diào)整合理，能夠保證電動機正常運行的設(shè)計要求；（4）本文搭建的BLDCM仿真模型具有很強的通用性，可以基于該模型進行控制算法的驗證和控制策略的優(yōu)化；（5）所設(shè)計系統(tǒng)控制效果好，穩(wěn)態(tài)時無靜差，具有一定的抗干擾能力。