基于DSP的無刷直流電動機的模糊控制系統(tǒng)方案

　　0 引言

　　一種用電子換向的小功率直流電動機。又稱無換向器電動機、無整流子直流電動機。它是用半導(dǎo)體逆變器取代一般直流電動機中的機械換向器，構(gòu)成沒有換向器的直流電動機。這種電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，沒有火花，電磁噪聲低，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、計算機外圍設(shè)備和高級家用電器。

　　無刷直流電動機由同步電動機和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。同步電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。

　　無刷直流電動機不僅有體積小、重量輕、慣量小等特點，而且還有優(yōu)良的調(diào)速性能，但沒有機械換向器的缺點，因此得到了廣泛的應(yīng)用，在以往無刷直流電動機上采用DSP的方案可以大幅度提升無刷直流電動機的性能。

　　本文首先介紹了元刷直流電機的原理，然后說明軟硬件設(shè)計方法，最后給出了實驗結(jié)論。

　　1 無刷直流電機的工作原理

　　它基本上是一個永磁同步電動機，定子三相繞組通過交流方波，轉(zhuǎn)子為永磁體。勵磁由轉(zhuǎn)子的永磁體提供，定子的三相繞組中的交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。電樞磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢共同作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。仿照直流電機特性，如果兩個磁場始終垂直，則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為最大。由于轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動的，其磁場方向也是旋轉(zhuǎn)的，因此必須通過控制三相定子的通電順序來改變定子磁場使其與轉(zhuǎn)子磁場基本垂直。實際上，定子換相邏輯是使其轉(zhuǎn)矩角的平均值為90°。首先應(yīng)知道目前轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)換相要求確定三相定子的通電順序，這也就是它需要轉(zhuǎn)子位置傳感器的原因。本實驗中轉(zhuǎn)子磁極位置由敷貼在定子鐵心表面的霍爾元件來檢測。

　　電機采用y型連接，三對橋式逆變電路驅(qū)動，工作在兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式。三個霍爾元件給出60°電度角位置信息，即它們互差120°脈沖寬度為180°。三個霍爾元件的組合在一個周期可給出6個狀態(tài)，即每60°就變換一個不同的狀態(tài)。根據(jù)傳感器狀態(tài)信息，結(jié)合換相邏輯控制，使三相定子的PWM逆變器模塊的6個功率晶體管導(dǎo)通或截止，就可以滿足轉(zhuǎn)矩角要求，使轉(zhuǎn)子持續(xù)獲得穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩。由于任一時刻只有兩相導(dǎo)通，其電流大小相等，方向相反，因此可以認為其效果等同于直流電流。整體上，定子電流為方波，只要按照轉(zhuǎn)子的磁極位置進行適時的換相，就可以保持這種直流驅(qū)動的特性，又因為換向是通過電子電路或軟件而不是電刷完成，故稱其為無刷直流電動機。

　　2 無刷直流電機實驗控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　TI公司的TMS320IF2407是專門面向運動控制應(yīng)用的數(shù)字信號處理器，其上包含了電機控制應(yīng)用所需要的各個主要功能模塊。它不僅有16位定點處理器內(nèi)核，更重要的是它將許多電機控制常用的接口集成到一個DSP控制器上。其中有定時器和PWM發(fā)生器能驅(qū)動兩臺電機，編碼器檢測電路能直接與電機的編碼器連接；標準的CAN現(xiàn)場總線可與外界高速通訊；同步與異步串行端口SPI和SCI可與多種標準串行設(shè)備通信；通用雙向I／O通道及AD轉(zhuǎn)換接口直接采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)；這些使得用DSP實現(xiàn)的電機控制系統(tǒng)簡單化、模塊化。系統(tǒng)硬件基本上包括一個以TMS320IF2407為處理核心的DSP板，一個配套的功率驅(qū)動板和PM50電動機。

　　本系統(tǒng)利用SCI接口與主PC機進行串行通訊；AD轉(zhuǎn)換接口用于測量電機的相電流ia、ib，PWM發(fā)生器用于產(chǎn)生需要的PWM信號以驅(qū)動功率模塊上的PWM逆變器；使用通用定時器產(chǎn)生電流和速度控制的周期；編碼器安裝在電機轉(zhuǎn)子上，用于測量電機的位置，并經(jīng)過微分得到電機速度。

　　定子電流檢測是通過在逆變器的下橋臂上串接電阻進行的。將定子電流以0．395 V／A的增益轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓量后，送入DSP的AD接口。此處只需檢測a、b兩相電流，c相電流可通過ia+ih+ic=O求得。這種電流檢測方法比較簡單，但要求軟件上必須保證在輸出PWM逆變器的命令時，同時檢測PWM逆變器下橋臂的電流，以保證電流檢測的正確性。

　　DSP主程序采用循環(huán)方式不斷調(diào)用數(shù)據(jù)記錄模塊、與主機串行通訊的監(jiān)視模塊等。在主程序執(zhí)行過程中，不斷有t1中斷發(fā)生，在中斷服務(wù)程序中處理電流讀取、換算，編碼器讀取、速度換算等。更重要的是要完成電流控制和速度控制環(huán)的計算。電流控制器和速度控制器采用的都是PI控制，無刷直流電機像直流電動機一樣只需要一個電流調(diào)節(jié)器，而不像正弦波永磁同步電動機那樣需要兩個電流調(diào)節(jié)器。由軟件完成的電壓換相模塊實現(xiàn)對施加于逆變器的相電壓參考值的計算。實際上DSP控制器接受三相參考電壓，由6個全比較PWM輸出逆變器模塊所需要的方波脈沖。在一個給定位置，只有兩相導(dǎo)通，只需控制逆變器的四個晶體管。系統(tǒng)存在三個閉環(huán)路，實際控制時，外環(huán)位置和速度控制的周期為1 ms，而內(nèi)環(huán)電流控制的周期為O．1 ms。

　　3 模糊控制方法

　　位置伺服系統(tǒng)要求快速準確、無超調(diào)等，模糊方法不依賴對象模型，具有較好的適應(yīng)性，可以使用較為復(fù)雜、智能的控制方法。這里將模糊邏輯用于位置控制器，而速度和電流控制器仍采用PID控制。此處將位置誤差e和誤差的變化量ec作為位置控制器的輸入，輸出是速度指令值。按照模糊控制理論將輸入和輸出分別劃分為7個模糊子集即nl、nm、ns、ze、ps、pm、pl。為簡單起見，輸入的隸屬度函數(shù)采用三角函數(shù)，而輸出的隸屬度為單值函數(shù)。

　　模糊推理時，先根據(jù)隸屬函數(shù)形式對輸入變量模糊化，然后以規(guī)則前件的模糊交運算求各規(guī)則的適應(yīng)強度，再根據(jù)規(guī)則后件得輸出量的各子集的模糊化值。由于輸出的隸屬函數(shù)為單值函數(shù)，故反模糊化就是求輸出量模糊子集的重心。這些復(fù)雜計算都用C語言在PC機上編寫，然后與匯編語言實現(xiàn)的電流控制、PWM輸出等模塊共同鏈接形成DSP可執(zhí)行文件。最后通過PC機串口下載到DSP板上。

　　根據(jù)以上原理和控制方法，進行實際實驗。實驗裝置為永磁同步電機、功率模塊、DSP板組成。伺服電機帶500線的編碼器用于提供電機位置，本系統(tǒng)將其微分后得到速度信息。電機的基本參數(shù)為：相電阻5．25ω，相電感0．46 mh反電勢常數(shù)2．62 V／l 000 r·min-1，額定電壓19．1 V，額定電流1．16 A，轉(zhuǎn)子慣量9×10 kg·m2。

　　模糊子集的劃分是相當困難的，在實現(xiàn)模糊控制時，根據(jù)實際控制進程不斷改變變量的論域。

　　4 結(jié)論

　　無刷直流電機使用DSP不僅可以降低成本，并且結(jié)構(gòu)簡單，方便升級。與PID控制比較，采用模糊控制可以取得更優(yōu)越的控制性能。