基于DSP的無刷直流電動機的模糊控制系統(tǒng)研究

摘要：介紹一種數(shù)字信號處理器(DSP)控制的無刷直流電機控制系統(tǒng)。利用TMS320IF2407的運動控制接口形成單片DSP控制的電機系統(tǒng)。采用霍爾元件檢測轉子磁極位置，形成電子換相邏輯。由pi進行速度和電流控制，用模糊邏輯進行位置控制，文中討論了模糊變量的域的選取和變域控制方法。最后給出了實驗結果和結論。
關鍵詞：無刷直流電動機；數(shù)字信號處理器；換相邏輯；模糊控制

O 引言
    無刷直流電動機作為一種新型的無級變速電動機，不僅具有交流電機的體積小、重量輕、慣量小等特點，而且還有直流電動機優(yōu)良的調速性能，但又沒有機械換向器的缺點，因此得到了廣泛的應用。無論在數(shù)控機床、機器人等制造加工領域，還是家用電器如洗衣機、電腦硬盤等場合都日益受到重視。以往的無刷直流電機多由單片機附加許多種接口設備構成。不僅復雜，而且速度也受到限制，難于實現(xiàn)從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數(shù)字控制，也不方便擴展。而應用數(shù)字信號處理器(DSP)實現(xiàn)的電機伺服系統(tǒng)卻可以只用芯片DSP就可以替代單片機和各種接口，且由于DSP芯片的快速運算能力，可以實現(xiàn)更復雜、更智能化的算法；可以通過高速網(wǎng)絡接口進行系統(tǒng)升級和擴展；可以實現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。
    本文介紹使用，TI公司的TMS320IF2407DSP為控制器，組成無刷直流電機的伺服控制系統(tǒng)。首先介紹了元刷直流電機的原理，然后說明軟硬件設計方法，最后給出了實驗結論。

1 無刷直流電機的工作原理
    無刷直流電動機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，轉子為永磁體。勵磁由轉子的永磁體提供，定子的三相繞組中的交流電產(chǎn)生旋轉磁場。電樞磁勢和轉子磁勢共同作用產(chǎn)生電磁轉矩。仿照直流電機特性，如果兩個磁場始終垂直，則產(chǎn)生的電磁轉矩為最大。由于轉子是轉動的，其磁場方向也是旋轉的，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子磁場基本垂直(即轉矩角為90°)。實際上，定子換相邏輯是使其轉矩角的平均值為90°。首先應知道目前轉子的位置，再根據(jù)換相要求確定三相定子的通電順序，這也就是無刷直流電動機需要轉子位置傳感器的原因。本實驗中轉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動，工作在兩相導通三相六狀態(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)(另兩個狀態(tài)一般不出現(xiàn))，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個功率晶體管導通或截止，就可以滿足轉矩角要求，使轉子持續(xù)獲得穩(wěn)定電磁轉矩。由于任一時刻只有兩相導通，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，只要按照轉子的磁極位置進行適時的換相，就可以保持這種直流驅動的特性，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)構成
    TI公司的TMS320IF2407是專門面向運動控制應用的數(shù)字信號處理器，其上包含了電機控制應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。如擁有兩個事件管理器，其中有定時器和PWM發(fā)生器能驅動兩臺電機，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備通信；通用雙向I／O通道及AD轉換接口直接采集現(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子上，用于測量電機的位置，并經(jīng)過微分得到電機速度。[!--empirenews.page--]

    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的增益轉換成對應的電壓量后，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。這是因為內(nèi)環(huán)的電流變化速度快，較短的控制周期可使轉矩波動減小。

3 模糊控制方法
    位置伺服系統(tǒng)要求快速準確、無超調等，而常規(guī)的PID控制較難滿足上述控制要求。特別是系統(tǒng)中存在的一些非確定性因素如模型的時變和對象的非線性，這使得控制器應具有較強的魯棒性。而模糊方法不依賴對象模型，具有較好的適應性，可以使用較為復雜、智能的控制方法。因此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(負大)、nm(負中)、ns(負小)、ze(零)、ps(正小)、pm(正中)、pl(正大)。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，轉子慣量9×10 kg·m2。
    實際上，模糊控制中，模糊子集的劃分是比較困難的事情。因為在整個控制過程中，誤差和誤差的變化值都是有一定域的，稱為變量的論域。起始論域為(-5 000，5 000)，隨著誤差的減小，其可能取值范圍也越來越小。這時候若仍然使用原來的論域進行推理，雖然也可以最終達到誤差趨于零，但一個較小的誤差在這種情況下，將過早地進入收斂期，有可能帶來比較大的定位誤差。因此我們在實現(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 結論
    無刷直流電機的優(yōu)越性能使它得到了廣泛應用，而使用DSP實現(xiàn)無刷直流電機控制則不僅比傳統(tǒng)的模擬電路成本低，而且結構簡單，方便擴展。DSP的快速運算能力還可以實現(xiàn)更復雜的控制算法，可以將速度環(huán)和電流環(huán)都以數(shù)字方式實現(xiàn)，形成全數(shù)字形式的無刷直流電機控制系統(tǒng)。本文利用DSP實現(xiàn)了無刷直流電機的模糊控制。通過實驗說明模糊控制的位置控制器有比PID控制更好的定位精度和快速響應能力，尤其是采用變化的論域的模糊算法可得到更優(yōu)的控制性能。