基于無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

田雙文，劉雪松，劉 佳，劉珊珊

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

在交通日益發(fā)達(dá)的今天，汽車己經(jīng)成為人們出行的常用交通工具，全球汽車保有量不斷增加。但汽車燃燒化石能源，帶給人們方便的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題。在當(dāng)前全球能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和國(guó)家產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局的大環(huán)境下，世界各國(guó)對(duì)交通運(yùn)輸未來(lái)發(fā)展的解決方案也提出了更高的要求。純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿?lái)源是電動(dòng)機(jī)，因此，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的選型至關(guān)重要。作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，應(yīng)具備調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、功率密度高的特點(diǎn)及要求。目前市面上電動(dòng)汽車使用的電機(jī)主要有以下幾種：直流電機(jī)(DCM)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)、交流感應(yīng)電機(jī)(IM)和無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)。

無(wú)刷直流電機(jī)與其他電機(jī)相比，具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、運(yùn)行較平滑、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并能滿足高性能電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制的要求，使得無(wú)刷直流電機(jī)在私家轎車中被普遍采用。尤其國(guó)內(nèi)稀土資源豐富，使得BLDC的制造和應(yīng)用前景更為廣泛。國(guó)產(chǎn)純電動(dòng)汽車基本都是使用無(wú)刷直流電機(jī)，作為其電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。所以，作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力核心部件，BLDC控制器性能的好壞，將對(duì)電動(dòng)汽車造成直接影響。國(guó)內(nèi)對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究雖然取得了一定的成果，但比起科技發(fā)達(dá)國(guó)家起步稍晚，仍有不足之處。特別是在電動(dòng)汽車上所搭載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所處的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、情況多變、頻繁啟停，需要更為先進(jìn)的電機(jī)控系統(tǒng)。因此，對(duì)于BLDC及其先進(jìn)控制技術(shù)的研究仍然有巨大發(fā)展空間以及實(shí)用價(jià)值。

國(guó)外對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)的控制技術(shù)的理論研究已經(jīng)持續(xù)了幾十年，實(shí)際驗(yàn)證也已經(jīng)趨于成熟。20世紀(jì)上半葉，由于有刷直流電機(jī)換向電刷的存在，電機(jī)發(fā)熱問(wèn)題明顯，使用壽命很短，而且能量轉(zhuǎn)換效率低下，所以就不斷有人嘗試用非接觸式的電子換向器件替換傳統(tǒng)的機(jī)械換向電刷。然而，在研究的早期階段，用于制造電力電子器件的半導(dǎo)體材料技術(shù)及其配套產(chǎn)業(yè)并不發(fā)達(dá)，沒(méi)有合適的功率開(kāi)關(guān)器件，所以對(duì)電子換向器的研究停留在試驗(yàn)嘗試階段。一般認(rèn)為，BLDC控制系統(tǒng)的雛形，是美國(guó)科學(xué)家D·Harrison在1955年，成功使用晶體管完成了直流電機(jī)換向功能。德國(guó)Mannesmann公司研發(fā)的MAC系列無(wú)刷電機(jī)，及其配套的控制器在1978量產(chǎn)上市，標(biāo)志著無(wú)刷直流電機(jī)在商業(yè)實(shí)踐中進(jìn)入到實(shí)用階段。近幾十年來(lái)，無(wú)刷直流電機(jī)越來(lái)越多地應(yīng)用于智能機(jī)器人、工業(yè)設(shè)備、3D打印機(jī)、航空航天等領(lǐng)域，其廣闊的應(yīng)用前景促使各國(guó)在該領(lǐng)域的投資增加，尤其是美國(guó)、日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。全球BLDC主流制造商主要有瑞士的ABB、美國(guó)的Ametek、日本的Nidec、Minebea。國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制的研究始于20世紀(jì)70年代，而且研究力量主要集中在研究所和高校，主要使用在軍事特種武器以及航空航天器上。直到20世紀(jì)80年代，無(wú)刷直流電機(jī)才在工業(yè)控制系統(tǒng)中逐步應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)之后，國(guó)產(chǎn)無(wú)刷直流電機(jī)控制器相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，價(jià)格昂貴，在技術(shù)水平上依然較為落后，難以滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中高性價(jià)比以及高可靠性的要求。

無(wú)刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想動(dòng)力來(lái)源。本文根據(jù)電動(dòng)汽車的特點(diǎn)以及使用場(chǎng)景，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。電動(dòng)汽車上所搭載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所處的環(huán)境復(fù)雜，情況多變，頻繁啟停，但是目前電機(jī)控制器響應(yīng)時(shí)間慢，控制精度低，穩(wěn)態(tài)誤差大，抗干擾能力弱，所以本文希望通過(guò)引入先進(jìn)的控制策略來(lái)提高其運(yùn)行性能，為無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)汽車上的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電機(jī)數(shù)學(xué)模型

1.1 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是一種自調(diào)節(jié)變頻同步電機(jī)系統(tǒng)，主要組成部分包括：功率控制器、電機(jī)本體、位置傳感器以及控制器。如圖1所示。

圖1 無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

無(wú)刷直流電機(jī)采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件組成的電子換向器，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械換向電刷。其主要工作原理是：位置傳感器用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，并反饋到控制器；控制器對(duì)反饋信息作進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)控制算法；功率驅(qū)動(dòng)器主要由大功率開(kāi)關(guān)管組成，根據(jù)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)DC-AC變換，完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。

1.2 無(wú)刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的近似模擬，在數(shù)學(xué)定義上描述實(shí)際被控系統(tǒng)中，各個(gè)物理量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。無(wú)刷直流電機(jī)是一個(gè)物理變量眾多、變量間關(guān)系復(fù)雜的非線性時(shí)變系統(tǒng)。對(duì)于這樣的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，有必要先建立數(shù)學(xué)模型，分析無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行規(guī)律以及各個(gè)變量之間的因果定量關(guān)系。在準(zhǔn)確而清晰的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制算法的研究和分析，最后設(shè)計(jì)的控制器才能對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制。

為了便于簡(jiǎn)化分析過(guò)程，在建立模型之前，首先假定：

1)忽略電機(jī)鐵芯飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗；

2)永磁體材料的電導(dǎo)率為零，其內(nèi)部的磁導(dǎo)率和空氣一致；

3)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)在空氣中呈正弦分布；

4)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組；

5)電機(jī)電流為對(duì)稱三相電流。

基于上述假設(shè)，電機(jī)定子繞組兩端電壓定義如下：

(1)

其中：va、vb、vc是定子線圈繞組兩端的相電壓，Rs是每個(gè)定子繞組線圈的等效電阻，ia、ib、ic是流經(jīng)定子繞組線圈的相電流，ψa、ψb、ψc是每個(gè)定子繞組線圈的總磁鏈，p=d/dt是微分算子。

三相繞組總磁鏈由定子繞組的永磁體磁鏈和3個(gè)繞組共同構(gòu)成，其定義如下：

(2)

其中：Laa，Lbb，Lcc是定子繞組的自感，Mac，Mab，Mba，Mbc，Mca，Mcb是定子繞組的互感，ψam，ψbm，ψcm是轉(zhuǎn)子磁通鏈過(guò)定子A、B、C三相繞組時(shí)產(chǎn)生的磁鏈，其定義如下：

(3)

A、B、C三相定子繞組由轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

(4)

無(wú)刷直流電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，電流通過(guò)定子繞組，并根據(jù)電磁感應(yīng)原理在定子繞組線圈周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，與永磁體磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這就是電機(jī)拖動(dòng)的基本原理。電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

(5)

電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

(6)

(7)

無(wú)刷直流電機(jī)的相電壓為控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，則無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

如圖2所示，可得無(wú)刷直流電機(jī)的傳遞函數(shù)為：

(8)

其中：KT為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，W為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。

2 電機(jī)控制算法分析與改進(jìn)

基于SPSO算法改進(jìn)的PID控制器，PID控制器自從上世紀(jì)30年代被提出以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用與各個(gè)行業(yè)的各種控制系統(tǒng)中。經(jīng)典PID控制器主要優(yōu)勢(shì)在于參數(shù)少、適應(yīng)性強(qiáng)、方便數(shù)字實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性好，在許多工業(yè)控制過(guò)程中都能得到比較滿意的控制效果，其一般表示形式如下：

(9)

其中：e(t)表示系統(tǒng)的誤差，Kp、Ki和Kd分別表示對(duì)系統(tǒng)誤差及其積分與微分量的加權(quán)值，最終的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)這樣的加權(quán)計(jì)算后得出。由此可見(jiàn)Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定決定了PID控制器的性能，也決定了系統(tǒng)的整體控制效果。如果參數(shù)選取合適，那么系統(tǒng)誤差將會(huì)不斷的減小，最終達(dá)到控制要求。PID控制器框圖如圖3所示。

圖3 PID控制器框圖

實(shí)際的電機(jī)控制系統(tǒng)中，特別是轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器常使用PI控制器，而不是采用PID控制器，因?yàn)槲⒎猪?xiàng)常用在位置閉環(huán)控制系統(tǒng)中，起到提前預(yù)判位置的作用，由于本設(shè)計(jì)針對(duì)無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，所以略去微分項(xiàng)。

在基于簡(jiǎn)化粒子群算法改進(jìn)的PID控制器中，把比例系數(shù)和積分系數(shù)Kp、Ki，采用編碼的形式表達(dá)為SPSO中的粒子。由于已經(jīng)略去，故將其設(shè)置為0，不進(jìn)行迭代調(diào)整。粒子的適應(yīng)度函數(shù)選取設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速的誤差的平方對(duì)于時(shí)間的積分(ISE)，然后PID參數(shù)由算法迭代尋優(yōu)求得?；赟PSO的參數(shù)自適應(yīng)整定PID控制器框架如圖4所示。

圖4 SPSO-PID速度控制器架構(gòu)

為了獲得一組最優(yōu)的控制器參數(shù)Kp、Ki，需要算法的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，合適的適應(yīng)度函數(shù)選取尤為重要。粒子群優(yōu)化算法中，常用的性能標(biāo)準(zhǔn)主要有絕對(duì)誤差積分(IAE)、平方誤差積分(ISE)、時(shí)間乘平方誤差積分(ITSE)和時(shí)間乘以絕對(duì)誤差積分(ITAE)這幾種方式。為了選取到和本設(shè)計(jì)匹配的適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)這幾種性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了綜合評(píng)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)適應(yīng)度函數(shù)選用ISE時(shí)，超調(diào)時(shí)間小、到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差小。因此本文的目標(biāo)適應(yīng)度函數(shù)采用平方誤差積分ISE方式，其表達(dá)式為：

(10)

其中：e(t)為預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值。

基于簡(jiǎn)化SPSO算法改進(jìn)的PID控制器參數(shù)自適應(yīng)整定的流程如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)整定PID控制器算法流程圖

分別對(duì)采用傳統(tǒng)PID控制器，以及采用SPSO-PID控制器的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行空載仿真，負(fù)載突變仿真、轉(zhuǎn)速突變仿真。

首先在電機(jī)空載運(yùn)行的情況下，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 RPM。對(duì)采用傳統(tǒng)PID控制器與SPSO-PID的電機(jī)矢量控制系統(tǒng)分別仿真，得到的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 空載時(shí)傳統(tǒng)PID與SPSO-PID轉(zhuǎn)速響應(yīng)

然后，依然設(shè)定轉(zhuǎn)速為4 000轉(zhuǎn)，初始負(fù)載為0.05 N·m，在0.4 s時(shí)，對(duì)電機(jī)突加0.2 N·m的負(fù)載扭矩，仿真所得的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 負(fù)載突變時(shí)仿真對(duì)比

最后，在負(fù)載設(shè)定0.05 N·m，轉(zhuǎn)速在0.5 s由2 000 rpm 躍變值4 000 rpm，兩個(gè)控制器的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速突變時(shí)仿真對(duì)比

通過(guò)前面三組仿真結(jié)果對(duì)比可以看出，在矢量控制算法中的轉(zhuǎn)速外環(huán)采用對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行自整定的SPSO-PID控制器。電機(jī)控制系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)響應(yīng)速度更快，穩(wěn)定后超調(diào)量更小。負(fù)載突變時(shí)調(diào)整時(shí)間更短，轉(zhuǎn)速失調(diào)更小。轉(zhuǎn)速突變時(shí)響應(yīng)時(shí)間更短，超調(diào)量更小。從超調(diào)量，響應(yīng)時(shí)間，抗干擾能力多方面進(jìn)行分析的結(jié)果都表明，采用SPSO-PID控制器的矢量控制算法性能更加優(yōu)越。

3 控制器硬件設(shè)計(jì)

硬件電路系統(tǒng)分為核心控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊兩個(gè)模塊。核心控制模塊主要包括DSP控制器以及其外圍的復(fù)位電路、JTAG接口電路、1.8 V及3.3 V供電電路和串口通信電路等。功率驅(qū)動(dòng)模塊主要包括光電隔離電路、柵極驅(qū)動(dòng)放大電路、開(kāi)關(guān)逆變橋路以及信號(hào)采樣反饋電路等。

核心控制模塊是控制系統(tǒng)的數(shù)字電路部分，對(duì)其的供電電壓均不超過(guò)5 V，其中的1.8 V和3.3 V分別為DSP的內(nèi)核以及I/O口供電，DSP通過(guò)片上集成的eQEP模塊和ADC模塊接收到電機(jī)光電編碼器以及電流采樣電路的信號(hào)，運(yùn)行整個(gè)控制算法。同時(shí)在此板卡上加入串口轉(zhuǎn)USB電路，由此可以實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

功率驅(qū)動(dòng)模塊的核心電路是6個(gè)開(kāi)關(guān)MOS管組成的開(kāi)關(guān)橋臂，此模塊前級(jí)連接控制模塊的輸出信號(hào)，后級(jí)直接與無(wú)刷直流電機(jī)相連，由于無(wú)刷直流電機(jī)工作電流較大，為了防止后級(jí)電路對(duì)數(shù)字電路部分造成干擾，在功率驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)輸入部分加入了光電隔離電路，既保證了電信號(hào)的單向傳輸，又降低了擾動(dòng)，同時(shí)防止后級(jí)短路等故障影響前級(jí)。由于MOS管需要較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，才能快速通斷，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，因此加入了柵極驅(qū)動(dòng)電路，提升MOS驅(qū)動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度。此外，功率模塊上還有相電流隔離采樣，光電編碼器電平轉(zhuǎn)換電路等。除以上模塊，還設(shè)計(jì)了一些外圍濾波整形電路。

本設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用矢量控制策略，作為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，算法的運(yùn)行需要3個(gè)重要的反饋信息：三相定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子角度。所以信號(hào)采集模塊主要包括電流采樣電路和光電編碼器電平轉(zhuǎn)換電路。

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

為了使電機(jī)控制器對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)達(dá)到優(yōu)良得控制效果，除了要設(shè)計(jì)良好的硬件平臺(tái)之外，還要結(jié)合優(yōu)秀的控制算法，并且將控制算法在具體的控制器中運(yùn)行。

對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)具體需求出發(fā)。本次設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行高性能控制。所以在對(duì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先就要考慮實(shí)時(shí)性。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，電流控制內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)周期為50 μs，轉(zhuǎn)速控制外環(huán)的調(diào)節(jié)時(shí)間為50 ms。控制器需要在極短的時(shí)間內(nèi)，處理大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行大量運(yùn)算。因此，要保證程序設(shè)計(jì)以及代碼編寫(xiě)時(shí)，盡可能精簡(jiǎn)指令，避免冗余，以提高系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。

除了實(shí)時(shí)性之外，還要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。作為閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，需要處理大量的反饋信號(hào)。雖然在硬件反饋電路上做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但所有電路都有缺陷，不能保證完美無(wú)瑕。所以在程序設(shè)計(jì)時(shí)，加入容錯(cuò)機(jī)制，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

4.1 控制系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了產(chǎn)生周期性的PWM調(diào)制信號(hào)，矢量控制算法的核心程序，被設(shè)計(jì)在了定時(shí)器中斷程序中。因此，控制系統(tǒng)的主程序只是執(zhí)行一些基本的初始化操作。主要包括系統(tǒng)參數(shù)初始化，系統(tǒng)函數(shù)初始化，使能中斷，配置中斷向量表，各個(gè)模塊初始化，然后進(jìn)入中斷管理程序。在中斷管理程序中，包括了DSP串口中斷、定時(shí)器中斷以及ADC采樣中斷等。直流無(wú)刷控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

4.2 定時(shí)器中斷程序設(shè)計(jì)

為了滿足電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，電流環(huán)控制周期設(shè)置較小。采用20 kHz的PWM控制信號(hào)，定時(shí)器50 μs觸發(fā)一次中斷，對(duì)三相逆變電路的MOSFET控制信號(hào)進(jìn)行更新。本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，雙閉環(huán)串級(jí)控制。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)無(wú)需達(dá)到微秒級(jí)別，同時(shí)也是為了減緩處理器的計(jì)算壓力，所以此處將轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制周期設(shè)置為50 ms。即完成100次電流調(diào)節(jié)之后，再進(jìn)行一次轉(zhuǎn)速調(diào)整。轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)周期設(shè)置較大，還有一個(gè)原因在于，本設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速外環(huán)使用SPSO-PID控制器，因此可以留有足夠的時(shí)間，對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。中斷服務(wù)程序流程圖如圖11所示。

圖11 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序流程圖

圖12 SVPWM調(diào)制程序設(shè)計(jì)

進(jìn)入定時(shí)器中斷后，首先判斷是否到達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)刻，即定時(shí)器是否計(jì)數(shù)值為50 ms。若到達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)刻，則比較轉(zhuǎn)速誤差，采用簡(jiǎn)化粒子群算法，對(duì)轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器參數(shù)自適應(yīng)整定，接下來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整。由于采用di=0控制策略，所以只需計(jì)算到期望的交軸電流大小即可。

若是沒(méi)有到達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)刻，則跳轉(zhuǎn)到電流控制環(huán)路。電流環(huán)路通過(guò)對(duì)采集到的電機(jī)三相電流，進(jìn)行Clarke變換和Park變換，得到實(shí)際的交軸電流qi和直軸電流di。并且與上個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)周期得到的期望交軸電流求得差值，再與期望值為0的直軸電流求得差值。進(jìn)入電流調(diào)節(jié)器，再進(jìn)行Park逆變換，然后通過(guò)SVPWM調(diào)制技術(shù)，生成周期為50 μs，但脈沖寬度隨著系統(tǒng)需求實(shí)時(shí)改變的PWM信號(hào)。通過(guò)執(zhí)行此中斷控制程序，就完成了電機(jī)控制系統(tǒng)的矢量控制算法，達(dá)到了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的目的。

4.3 SVPWM調(diào)制程序設(shè)計(jì)

矢量控制算法的中斷實(shí)現(xiàn)程序中，SVPWM調(diào)制環(huán)節(jié)用于產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。為了得到接近于理想圓形的磁鏈軌跡，本設(shè)計(jì)采用的是空間矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生PWM信號(hào)。

SVPWM調(diào)制程序設(shè)計(jì)流程圖如12所示。

4.4 基于SPSO算法的PID控制器程序設(shè)計(jì)

整個(gè)SPSO參數(shù)整定的流程如圖13所示。

圖13 簡(jiǎn)化粒子群算法設(shè)計(jì)流程

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，為了更加直觀的對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，首先使用MATLAB的APP Designer工具設(shè)計(jì)了上位機(jī)調(diào)試控制界面，然后搭建了測(cè)試平臺(tái)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了基礎(chǔ)功能測(cè)試，以及閉環(huán)調(diào)速控制測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的性能。

一般的，無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)允許有一個(gè)小范圍的速度波動(dòng)。所以本節(jié)對(duì)兩個(gè)PID控制器采取相同的整定頻次，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)光電編碼器采集的脈沖信號(hào)計(jì)算出轉(zhuǎn)速信息，然后通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB電路，將DSP采集計(jì)算的轉(zhuǎn)速信息，傳入上位機(jī)控制軟件，進(jìn)行顯示。為了確保數(shù)據(jù)的可靠性，還使用了手持式非接觸轉(zhuǎn)速計(jì)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。在電機(jī)碼盤上粘貼反光片，通過(guò)接收反光片的反射光信號(hào)進(jìn)行測(cè)速。測(cè)速分別對(duì)傳統(tǒng)PID以及SPSO-PID進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速測(cè)試，并記錄在表1中。

表1 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速及誤差統(tǒng)計(jì)

表2 電機(jī)階躍響應(yīng)測(cè)試情況

除了進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測(cè)試，還對(duì)電機(jī)空載情況下的階躍響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試。具體實(shí)施方式是通過(guò)觀測(cè)上位機(jī)測(cè)試界面中時(shí)間-轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，對(duì)不同轉(zhuǎn)速情況下的電機(jī)控制器響應(yīng)情況進(jìn)行記錄，如表 2所示。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在電機(jī)的階躍響應(yīng)測(cè)試中，采用傳統(tǒng) PID 控制器作為轉(zhuǎn)速控制外環(huán)的矢量控制策略，在穩(wěn)定時(shí)間以及超調(diào)量?jī)蓚€(gè)方面，都不如 SPSO-PID 控制器。不管是從 0 轉(zhuǎn)速時(shí)刻啟動(dòng)，還是轉(zhuǎn)速突變的情況，傳統(tǒng) PID 控制器的超調(diào)量基本都在 10%以上，SPSO-PID 控制器的超調(diào)量基本控制在 5%以內(nèi)。

綜上所述，采用 SPSO-PID 控制器，作為轉(zhuǎn)速控制外環(huán)電的機(jī)控制器，從穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定時(shí)間和超調(diào)3個(gè)方面的表現(xiàn)，都優(yōu)于傳統(tǒng)的 PID 控制器，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以電動(dòng)汽車搭載的無(wú)刷直流電機(jī)為背景，根據(jù)電機(jī)所處環(huán)境復(fù)雜，情況多變，頻繁啟停的情況，針對(duì)目前電機(jī)控制器響應(yīng)時(shí)間慢，控制精度低，穩(wěn)態(tài)誤差大，抗干擾能力弱的現(xiàn)狀，引入先進(jìn)的控制策略來(lái)提高其運(yùn)行性能，為無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)汽車上的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

在傳統(tǒng)無(wú)刷電機(jī)矢量控制策略的基礎(chǔ)上，對(duì)其轉(zhuǎn)速外環(huán)的 PID 控制器加入SPSO-PID 參數(shù)自定算法，使得電機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)根據(jù)運(yùn)行情況與需求速度，調(diào)整轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)。最后對(duì)本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的無(wú)刷電機(jī)控制器系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短、調(diào)速范圍廣、轉(zhuǎn)速波動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低、電機(jī)控制系統(tǒng)在各個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都能保持可靠運(yùn)行。