基于DSP無刷直流電動機控制系統的研究

高艷麗，孫 陽，張樹團

（1.海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學院 新裝備中心，山東 煙臺 264001）

隨著現代電力電子技術的發展，出現了許多高性能功率器件以及新型高性能稀土永磁材料，這些都為無刷直流電機的應用奠定了基礎。現今，無刷直流電動機應用的領域非常廣泛，如多電飛機燃油系統、多電飛機剎車系統、醫療器械、家用電器等方面的應用，在航空航天等國防工業中也具有越來越廣泛的應用[1]。數字信號處理技術DSP及其硬件芯片微處理器技術迅猛發展，它不僅能實現高精度、高可靠性而且能夠簡化系統結構，增加了系統功能，具有控制靈活，智能水平高，參數易改等特點，所以DSP無刷直流電動機的控制系統運用前景廣泛，實用性高。

1 系統原理及構成

無刷直流電動機系統的原理：無刷直流電動機的電磁轉矩與電流近似呈線性關系，即改變電流的大小就可改變電磁轉矩的大小；電機的轉速與反電勢為正比關系，由電機反電勢和外加電壓的平衡關系可以得出，電機轉速的改變可以通過調節外加電壓來實現，所以只要改變逆變器的占空比就可實現[2]。圖1為無刷直流電動機調速系統原理圖。

圖1 無刷直流電動機調速系統原理圖Fig.1 Brushless DC motor speed control system schematic

整個控制系統采用分布式控制，上位機為PC機用來輸入和顯示速度及電流的設定值，并且實現數據的保存及系統的錯誤報警，采用VC++程序進行界面設計和編寫。下位機采用DSP TMS320F2812，該芯片產生輸出PWM信號輸入IPM模塊，該模塊包括三相橋式逆變電路和電流反饋電路，從而驅動電機轉動，同時DSP接收電流的反饋信號，與電流設定值進行比較。位置傳感器檢測電機轉子位置，輸入到DSP中，并且根據計數器測得電機的轉速，構成速度反饋。

圖2 無刷直流電動機控制系統Fig.2 Brushless DC motor control system

2 模糊PID控制

無刷直流電動機是一個多變量、非線性、強耦合的對象，因而單一的運用PID控制算法不能夠得到較為精確的控制結果。而模糊控制是依賴于人的經驗進行控制，不需要建立被控對象的精確數學模型，針對非線性和時變的系統具有較好的控制能力。在無刷直流電動機控制系統中把模糊控制和PID相結合，不僅可以得到較快的響應速度和參數變化的魯棒性，而且可以對系統實現較高精度的控制[3]。

本設計中運用的模糊PID控制器包括兩個組成部分：PID控制器和模糊控制器。DSP中斷過程中采樣獲取被控制量的瞬時值與所給的參考值相比較，兩者之差e即為偏差信號。偏差較大（|e|≥η）時，采用模糊控制；偏差較小（|e|＜η）時，采用數字增量式PID控制。這種控制方式既可以利用達到較好的穩態精度，又可以利用模糊控制得到響應的快速性和相應較好的魯棒性。模糊—PID控制關鍵是開關閾值η的設定[4]。為了使系統達到最佳效果，開關閾值η可選擇經驗值，并對其進行在線調整。圖3為模糊PID控制器的邏輯關系圖。

圖3 模糊PID控制器的邏輯關系圖Fig.3 Fuzzy PID controller logic diagram

2.1 模糊控制器的設計

選擇電流偏差E和偏差變化率EC的模糊集合為:{NB，NM， NS， ZE， PS， PM， PB} ，論域為:{－6，－4，－2，0，2，4，6}；在一些不確定的狀態下可以在線整定模糊控制狀態表。表1為控制規則表。

表1 EC控制規則表Tab.1 EC control rule table

各個變量的隸屬函數都選用的是靈敏度較高的三角函數，這樣可以更加確保模糊控制器有著較高的靈敏度。

2.2 PID控制算法的設計

在小誤差（|e|＜η）的動態范圍內，采取數字增量式PID控制。在工業控制過程中，PID控制可以得到相對滿意的控制效果。PID控制算式為：

公式（1）中:u（t）為調節器的輸入信號；e（t）為偏差信號，它等于給定量與輸出量之差；Kp為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

對公式（1）進行離散化，得到

公式（2）中:u（k）為第 k 時刻的控制輸出。

e（k）———第k次采樣時刻輸入的偏差值；

Kp———比例系數；

TI———積分時間常數；

TD———微分時間常數；

T———采樣周期。

3 系統軟件設計

電路中采用DSPTMS320F2812來控制有位置傳感器無刷直流電動機的調速控制系統。系統CPU時鐘頻率采用20 MHz[5]，并且應用PWM頻率為20 kHz。通過定時器至周期匹配事件啟動ADC轉換，使每個PWM周期都對電流進行一次采樣，并在A/D轉換中斷處理程序中對電流進行調節，來控制PWM輸出。轉子每轉過600機械角就觸發一次捕捉中斷，進行換相操作和速度計算。圖4為控制流程圖。

圖4 控制流程圖Fig.4 Control flow chart

在電流的檢測中可以使用旁路電阻來檢測相電流。將該電阻放于三相全控功率變換電路的下端功率橋臂與地之間；電阻值的大小可以根據需要而定，一般應該使它可以起到一個功率變換電路的過電流保護作用。電阻上的電壓首先經過放大，再送于TMS320F2812上的A/D轉換通道，得到合適的電流信號。在A／D轉換結束的時候，向CPU發出一個中斷請求信號，等待CPU對該電流信號的處理。根據電流誤差，選擇采用PID控制器還是模糊控制器，從而實現對PWM脈沖的占空比調節[6]。

上位機即PC機，編程軟件可以采用VC++。通過程序的編寫可以實現人機友好界面，方便操作人員的使用并且能保證系統高效穩定運行。上位機可實現：

1）電動機速度的顯示；

2）電流、速度值的輸入；

3）實時、動態、直觀的顯示各參數的變化。

4）可以顯示報警畫面：當系統出現故障時，工作人員可以通過畫面直觀的看到報警信號的工號、報警類型、報警時間和當前值，點擊報警項就會切換到報警工號對應的操作界面，工作人員可進行相應的修改，當修改結束后報警可以通過復位鍵進行復位。

5）歷史報告畫面：可以查詢操作人員的操作記錄和操作的詳細時間，包括系統的啟停、各參數修改前和修改后的值等。

6）數據的保存與打印。

4 結 論

本文采用DSP TMS320F2812為核心處理器，并且控制算法上采用模糊PID控制算法來實現電動機速度的調節，實現了對電動機運行的精確控制。在整體控制上采用分布式控制，更加方便了用戶對電動機的控制，也使得電動機得以精確運行。

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