直流無刷電機的控制技術

曹志洪

工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610

0 引言

數字信號（Digital Signal Processing ， DSP）是涉及很多學科，它廣泛被用于很多學科與技術領域。數字信號處理器稱為DSP芯片，適用在數字信號處理運算的微處理器，能夠快速的在數字信號處理算法上實現。現今，DSP芯片用于運動上的控制、數控機床的控制、航天航空的控制、電力系統上的操作、自動化儀器的控制等各個領域[1]，該文主要介紹這種基于DSP芯片控制直流無刷電機智能化控制系統的設計。

1 系統結構設計

系統組成由“PC 上位機、電源單元、TMS320LF2407 DSP芯片、無刷直流電機、檢測單元、功率驅動模塊、通訊接口”等。（見圖1）

圖1 系統結構圖

1.1 DSP芯片的選擇

DSP芯片的選擇是很重要的，選對了DSP芯片才能設計出其外圍電路和其他電路。DSP芯片的選擇要根據實際的應用系統進行確定。DSP芯片由于場合不同選擇的也就不同，我們要考慮DSP芯片的運算速度、價格、運算精度、功耗、硬件的資源等。我們根據系統要求，選擇TI公司TMS320LF2407芯片。

1.2 無刷直流電機

該電機采取1500轉/分, 無刷直流電機采用1.78A、27V電壓進行供電，電機換向電路主要是由控制和驅動組成，直流無刷電機自身屬于機電能量轉換部分，該部分由電機電樞、永磁、傳感器組成。我們把電機的電軸繞組在定子上、把永磁放在轉子上，其目的是為了實現換向。無刷直流電機的工作方式是兩相導通的星型3相6狀態，這樣操作方式是因為轉子在旋轉定子電流中進行不斷換相來保證兩個磁場電流方向不發生改變，控制3相定子電流通電順序與大小控制電機旋轉的速度。

1.3 功率的驅動模塊

TOSHIBA公司采用IPM系列智能型模塊，IPM主要集成了檢測、控制、邏輯、保護電路這樣有效提高了穩定性與可靠性。東芝的高速光耦TLP550（F）是為了實現隔離驅動，控制逆變器的工作狀態主要用事件管理器EVA的PWM脈沖信號，根據轉子磁極的位置對電機定子電流進行實時換相采用邏輯控制。

1.4 位置的檢測及速度的計算

A與B兩路脈沖信號在送入DSP正交編碼脈沖接口單元QEP的QEP1和QEP2引腳，經過譯碼邏輯單元產生CLK時鐘與DIR轉向信號，在時鐘信號作為定時器時，用T1對時鐘信號的脈沖進行計數,這樣60度的電角度使脈沖信號中斷。運用霍爾位置傳感器狀態信息與換相邏輯互相結合，逆變器的導通與停止是由DSP進行控制, 可以有效控制電機定子繞組電流的換相。速度檢測則采用2000個脈沖轉E6B2光電編碼器,成脈沖信號的轉換主要是由電機角度的模擬信號直接轉換來的，控制周期與脈沖計數是用定時器進行設置,從而倍頻、鑒相、轉速測量、閉環控制的功能實現。

2 直流無刷電機控制系統的設計

2.1 直流無刷電機的系統控制策略

現在對直流無刷電機研究主要在電機的位置與速度的控制上，一般無刷直流電機的系統采用速度與電流雙閉環控制系統。PI控制電流環與速度環，還可以通過電機的運行條件現在適合的控制方法。受到控制件與受控理論的制約，現在直流無刷電機多采用PD控制，它滿足靜態與動態的各種指標。采取模糊自整定PID控制計算方法來控制速度環控制器。電流跟隨速度控制器輸出可以起到抗干擾的作用,所以電流環控制器采取PID控制算法,DSP芯片代替單片機的所有接口，DSP的計算能力很快，能夠實現復雜和智能化的控制算法，通過系統的不斷升級擴展來實現速度、位置、電流的數字化系統控制，進而保證速度控制質量。

2.2 直流無刷電機模糊控制規則設計

速度環模糊控制規則主要是由條件與結果形式進行表達,根據工作經驗進行反復調試得到下面的控制系統的規則。

2.3 直流無刷電機控制程序的設計

在控制器TMS320LF2407 DSP上, 通過C語言與模塊化的設計方法得出速度與電流控制器的應用程序，程序包括主程序、模糊自整定PID子程序、中斷子程序、PID程序等從而完成系統的初始化、轉換與運算、給定的參數、采集的數據、控制算法、邏輯換相、控制量的輸出、ADC與PWM之間的中斷、故障中的檢測等, 從而對直流無刷電機的控制。

2.4 直流無刷電機通訊與監控系統

運用中斷程序的方法與C語言的信息從而設計出下位機通訊程序，端口進行初始化、確定通訊的波特率、奇偶位、校驗位、地址等等。運用VB語言通訊控件MSComm 對通訊端口來確定通訊格式與初始化，針對面向對象的程序設計出相對應的上位監控系統，監控系統包括功能的組態、趨勢的組態、系統的檢測與命令等，按操作系統命令設置參數、設定速度、設定功能鍵。通過現場總線Modbus使上下位機進行信息之間交換，從而體現出操作上的方便靈活。

3 結論

本文創新點主要是“智能控制，現場總線，上位監控，數字檢測”等實現技術之間的相互融合, 使系統之間得到充分的利用。發揮每個系統控件的優勢發揮互補作用使直流無刷電機系統的反映速度、抗參數變化得到有效提高，使直流無刷電機技術不斷發展、不斷進步、性能不斷提高。在設計直流無刷電機的通訊與上位監控系統的時候實現了系統的遠程控制、實時監控，進而提現系統方便與靈活性，在實際調試的結果中證明該設計有效性。

[1]張雄偉，鄒霞.DSP芯片原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]諸靜.模糊控制原理與應用[M].機械工業出版社，2003.

[3]馬秀坤，馬學軍.無刷直流電機智能控制系統[M].微計算機信息，2007.