高精度無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

摘要：為提高伺服系統(tǒng)中無刷直流電機的控制效果，設(shè)計了以DSP為核心的無刷直流電機控制系統(tǒng)方案。本控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于利用數(shù)字信號處理器的高速實時運算處理功能，易于實現(xiàn)各種高效的控制算法，很好地解決了伺服系統(tǒng)中PWM信號的生成、電動機速度反饋和電流反饋等問題。并結(jié)合模糊控制算法進行了仿真研究，達(dá)到無刷直流電機的高精度伺服控制的目的。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；DSP；PWM控制；Sinmulink仿真

    在伺服傳動系統(tǒng)中，無刷直流電動機(BLDCM)是一種新型的無級變速電動機，其結(jié)構(gòu)簡單可靠、維護方便、運行效率高及慣量小和控制精度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于伺服控制精密數(shù)控機床、加工中心、機器人等領(lǐng)域。隨著BLDCM應(yīng)用領(lǐng)域的推廣，對系統(tǒng)的動靜態(tài)性能、魯捧性、控制精度等要求越來越高。
    本文以三相四極無刷直流電動機為研究對象，結(jié)合PID控制和模糊控制各自的優(yōu)勢，設(shè)計了一套基于TI公司的C2000系列TMS320F2812 DSP為核心的全數(shù)字永磁無刷直流電動機的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，以期滿足BLDCM伺服控制系統(tǒng)的高精度、快速性、穩(wěn)定性和魯捧性的要求。

1 總體方案設(shè)計
    系統(tǒng)沒計采用三相四極無刷直流電動機PWM控制方案，逆變橋的通電方式采用兩兩導(dǎo)通方式該系統(tǒng)主要由三相四極無刷直流電動機、控制器、電子開關(guān)電路和化置檢測器四部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    功率驅(qū)動方式采用三相Y型全橋驅(qū)動電路，如圖2所示。本系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵就是通過位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)結(jié)構(gòu)最終實現(xiàn)位置的伺服控制。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，位置環(huán)在最外面，是本系統(tǒng)的主環(huán)，電流調(diào)節(jié)環(huán)和速度調(diào)節(jié)環(huán)在里面，兩者都是為位置環(huán)而服務(wù)，電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，位置調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)器，以TMS320F2812微控制器為控制核心，以功率MOSFET管構(gòu)成逆變器。通過改變逆變器開關(guān)器件的PWM占空比來改變電機電楸端電壓，以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2 硬件設(shè)計
    圖3給出了基于TMS320F2812 DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

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    本系統(tǒng)主要由輔助電源、控制器及外圍電路、電動機驅(qū)動電路、檢測電路和系統(tǒng)保護電路等幾部分組成。無刷直流電動機的淵速原理為：TMS320F2812控制器通過捕獲單元捕捉無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器HALL1、HALL2、HALL3高速脈沖信號，檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的指令改變PWM信號的當(dāng)前值，進而改變直流電機驅(qū)動電路(三相橋式逆變電路IGBT)中功率管的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制。
    下面重點介紹系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子位置檢測電路、相電流檢測電路、驅(qū)動電路、系統(tǒng)保護電路等。
2．1 轉(zhuǎn)子位置檢測電路
    本設(shè)計方案中，位置檢測環(huán)節(jié)采用了3個位置間隔120°分布的霍爾傳感器，由霍爾器件所輸出的轉(zhuǎn)子位置脈沖信號送到功率變換電路后，經(jīng)處理后送入DSP的CAP單元，DSP通過讀取霍爾元件的狀態(tài)值，來確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，再通過改變PWM的占空比改變MOSFET管的導(dǎo)通順序，改變IGBT的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)電機的換相和電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

    霍爾位置傳感器輸出的信號先由阻容濾波電路處理，然后冉經(jīng)過六路施密特觸發(fā)反相器SN74HC14N整形后送入DSP的CAP單元進行處理計算。由于霍爾位置傳感器輸出為5V電平信號，為了與DSP的3．3V電平相匹配，需要進行電平邏輯轉(zhuǎn)換，在此通過施密特觸發(fā)器輸出端串聯(lián)匹配電阻的方法來實現(xiàn)。三相霍爾位置檢測電路如圖4所示。
2．2 相電流檢測電路
    在對電路中電流信號進行檢測時，由于霍爾元件輸出的電流較小，故采用在直流側(cè)母線中串采樣小電阻的方法，先將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后再經(jīng)過放大隔離處理后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器A／D。其中光耦隔離器件選擇的是6N137。電流檢測電路圖如圖5所示。

    其中R22(0．05Ω／3W)為直流側(cè)母線端的采樣電阻，首先將電阻兩端的壓降信號經(jīng)過阻容濾波電路濾波，然后經(jīng)過運算放大器放大，以滿足TMS320F2812中A／D轉(zhuǎn)換單元的采樣范圍(0～3V)的要求。電路中采用了單路高精度雙極性運算放大器OP07。圖中的二極管D6起穩(wěn)壓保護作用，確保AD0的輸入電壓存0～3V的范圍內(nèi)，另外，通過光藕合器6N137將干擾路徑切斷，減小噪聲的干擾。[!--empirenews.page--]
2．3 驅(qū)動電路
    驅(qū)動電路采用IR公司生產(chǎn)的高性能三相橋式逆變器驅(qū)動芯片IR2136，它只用一路驅(qū)動電源便可同時輸出6路驅(qū)動信號，且IR2136擁有完善的保護功能，使整個電路更加簡單可靠。

    由于IR2136芯片本身沒有邏輯信號與功率信號之間相互隔離功能，因此本設(shè)計中DSP產(chǎn)生的6路PWM脈沖信號經(jīng)光耦隔離后才作為IR2136的6路脈沖輸入，進而控制MOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷。通過輸出端口H01、H02、H03分別控制三相逆變橋電路的上橋臂T1、T3、T5的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過輸出端口L01、L02、L03分別控制三相逆變橋電路的下橋臂T4、T6、T2的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實現(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)速的正反轉(zhuǎn)。圖6為由IR2136構(gòu)成的驅(qū)動電路。
2．4 系統(tǒng)保護電路
    在無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，保護電路可以保護控制器DSP免受過壓、過流的影響，還可以保護電機的驅(qū)動電路免遭破環(huán)。整個系統(tǒng)的保護電路由隔離電路和驅(qū)動保護兩部分組成。
    (1)隔離電路的設(shè)計
    光耦隔離電路的作用是避免主回路中的強電信號對控制回路中的弱電信號造成干擾，實現(xiàn)不同電壓之間的信號傳輸。如圖7所示(以一路PWM信號為例)，該隔離電路可實現(xiàn)對DSP的6路PWM輸出信號與IR2136之間光耦隔離，并實現(xiàn)驅(qū)動和電平轉(zhuǎn)換功能。

    (2)功率驅(qū)動保護電路的設(shè)計
    功率驅(qū)動保護電路包括自保護電路和過電流過電壓保護電路。為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路和電機驅(qū)動電路安全可靠工作，DSP還提供輸入信號，利用它可方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種保護功能。各路故障信號經(jīng)過光耦隔離后送入到引腳，圖8給出具體保護電路。例如：當(dāng)有過壓或過流現(xiàn)象時，IR2136的引腳FAULT會輸出制動信號，拉低引腳輸入電平，此時DSP內(nèi)部定時器停止計數(shù)，所有的PWM輸出引腳全部置為高阻態(tài)，同時也產(chǎn)生一個中斷信號，通知CPU有異常情況發(fā)生，這就是IR2136的硬件保護功能。

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3 系統(tǒng)與上位機的通訊
    系統(tǒng)中用SCI接口完成與上位機的通訊功能，采用RS-232接口實現(xiàn)通信。通過上位機可以給定位置量，同時控制過程巾電機的速度、電流、位置反饋量等參數(shù)，也可以實時地發(fā)送給上位機顯示；SPI接口完成串行驅(qū)動數(shù)碼管顯示的功能。通過數(shù)字I／O擴展的鍵盤設(shè)定位置給定量，并由數(shù)碼管顯示。

4 系統(tǒng)仿真
    本文對速度環(huán)采用增量式PID控制和參數(shù)自整定模糊PID控制兩種控制算法，利用北京雅合全公司生產(chǎn)的型號為45ZWN24-25的三相四極無刷直流電動機，對實驗結(jié)果進行分析。圖9、圖10分別對應(yīng)兩種算法在電機啟動時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。

    分析電機啟動時轉(zhuǎn)速啟動曲線可知，兩種控制箅法都有一定的超調(diào)，增量式PID控制算法電機啟動達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間大約為2．8s，超調(diào)量為8．27％；而參數(shù)自整定模糊PID控制算法電機啟動達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間大約為2．2s，超調(diào)量為4．58％，可見，采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法之后，有效地降低了超調(diào)量，縮短了電機啟動的時間，提高了電機的控制精度。

5 結(jié)束語
    本文設(shè)計了以TMS320F2812為核心的數(shù)字直流伺服系統(tǒng)，很好地解決了高精度伺服控制系統(tǒng)中PWM信號的生成、電機速度反饋及電機電流反饋問題，并實現(xiàn)了保護功能，使系統(tǒng)硬件得到了極大地簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性。并結(jié)合參數(shù)自整定模糊PID控制算法實現(xiàn)了電機的高精度伺服控制，實驗結(jié)果驗證了陔方法的有效性。