無刷直流電機無線組網控制系統研究與設計

趙 興，張 珣

（杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018）

0 引言

無刷直流電機（BLDC）以電子換向器代替電刷，具有傳統直流電機的運行效率高和速度易調等優點，又克服了電機電刷換向時容易產生噪聲、火花和干擾并且影響壽命等致命缺陷，因此在工業生產和科研工作中應用十分廣泛［1］。

目前BLDC 的控制主要集中在有線和點到點的一對一控制，在電機數量較多而且環境惡劣不適宜布線的情況下，存在很大的不足。針對這種不足，本研究設計了一個無線組網控制系統，以TI 公司生產的工作在UHF頻段的無線收發芯片CC1101作為無線收發模塊［2］，以微芯公司的低功耗芯片PIC18F45K20和dsPIC33FJ32MC204 作為主控單元［3-4］。系統由3 部分構成：PC 上位機、無線收發器、電機控制器。PC 客戶端發出控制指令，通過串口傳送到無線收發器，無線收發器將控制指令傳送至電機控制器，用模糊PID算法［5-6］進行調速控制。

1 系統概述

1.1 系統架構

該系統采用三層結構，總體架構如圖1所示。

圖1 BLDC無線組網控制結構圖

圖1 中，最頂層是在PC 上編寫一個BLDC 的控制軟件，實現對電機的起/轉停、加/減速、設定速度、轉向等控制，另外還可以通過發送指令讓電機上傳即時的運轉信息，例如轉向和速度，便于人工的監控。這些指令都通過計算機RS232串口發出，但是考慮到實際應用的布線距離和抗干擾等因素，本研究將計算機送出的信號通過雙向電平轉換器將RS232 電平轉化為RS485 電平［7］，轉換好的信號通過導線傳至系統的無線收發平臺。

中間層是無線收發器，它將通過RS485 口傳來的數據通過CC1101 發送出去，同時它也可以接收到其他CC1101發出的信號，并回傳至上位機顯示和分析。

最底層是BLDC 控制器，通過SPI 接口集成一個CC1101模塊，用來接收上位機通過無線收發平臺發送的控制指令，控制BLDC的運轉。

1.2 電機調速算法

電機轉速控制是系統設計的關鍵，常規的PID 控制算法具有算法簡單、精度高、可靠性強等優點。但其設計過分依賴控制對象的模型，參數修改不便，而在無刷直流電機這樣一個多變量、非線性、強耦合的控制環境中，利用常規PID 算法設計出的控制系統難以取得比較滿意的控制效果。本研究采用能進行參數自整定的模糊PID控制算法進行電機轉速控制［8-9］，控制框圖如圖2所示。

圖2 模糊PID控制框圖

本研究以電機系統給定的運轉速度和實際檢測速度的偏差，偏差的變化ec作為模糊控制的輸入，運用模糊推理，實現PID 控制參數的自整定。根據以往的專家經驗和實際的試驗，建立關于KP，KI，KD的模糊控制規則表，如表1～3所示。

表1 KP 模糊控制規則表

表2 KI 模糊控制規則表

表3 KD 模糊控制規則表

本研究設定e和ec語言值的模糊子集為｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝，依次簡記為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。根據各參數模糊控制規則，筆者應用PID參數的模糊矩陣表，查出修正參數，代入下式進行計算：

本研究根據無刷直流電機的狀態自動調整PID 3個控制參數，以達到最優控制。

2 硬件設計

2.1 無線收發器設計

本研究采用微芯公司的8位單片機PIC18F45K20作為微處理器。該單片機是高性能的RISC CPU，具有針對C 編譯器優化的架構，最高16 MIPS 的工作速度；工作電壓范圍1.8 V～3.6 V，并采用nanoWatt XLP的超低功耗管理；另外還集成了各種常用模塊如EU?SART模塊，MSSP模塊。在無線通信中要求系統能耗低、運行速度快，抗干擾能力強，在這里PIC18F45K20是個不錯的選擇。由于該系統將來的應用場所是室內車間，很容易獲得市電，這里使用AC-DC作為電源。

無線收發器硬件電路示意圖如圖3所示。單片機引腳通過SPI 端口與CC1101 進行通信，通過EUSART端口進行RS485電平轉換，轉換好的信號通過導線送至上位機，在進上位機之前還要通過一個RS485 到RS232 的電平轉化。由于是市電供電，系統可以一直處于常開狀態，CC1101不需要工作在WOR模式。

圖3 無線收發器硬件電路示意圖

2.2 電機控制器的硬件設計

電機控制器集成無線收發模塊、微處理器單元、BLDC電機控制電路。這里本研究將電機控制器做成3塊電路板：一塊控制板、一塊驅動板、一塊CC1101無線模塊板，將驅動板和無線模塊板接插在控制板上面，進行模塊化設計。

本研究選用MICROCHIP公司的16位數字信號控制器dsPIC33FJ32MC204 作為控制板的微處理器，這是一款高性能DSC CPU，指令多為單周期指令，支持6通道PWM 輸出，最高40 MIPS 的工作速度，通過CMOS閃存技術降低系統功耗。

電機控制器的硬件電路示意圖如圖4所示。CC1101收到無線收發平臺傳來的信號，通過SPI口傳到控制板，微處理器經過運算，將該指令傳給電機驅動板，使電機根據指令實現相對應的動作；當電機收到上傳當前電機參數指令時，控制板就會對電機的霍爾傳感器信號進行分析運算并進行數據回傳。

3 系統軟件設計

3.1 通信協議

圖4 電機控制器硬件示意圖

上位機和無線收發平臺的通信是簡單的串口通信，屬于有線傳輸，通信已經很成熟，這里著重介紹該系統中無線數據傳輸的通信協議。在無線收發平臺眼中，任何一個電機控制器都是平等的，在同一時間，無線收發平臺只能和一個電機控制器進行點到點的通信即無線收發平臺以廣播的形式發出無線信號，只有一個電機控制器可以響應、接收數據，實現對電機的控制或者讓電機上傳當前的運轉狀態到PC 上位機。每幀數據固定11個字節。其中：

同步頭：2 個字節，是一幀數據開始的標志，可以自由定義。

地址：對無線收發平臺和電機控制器進行二進制編碼，2個字節已經足夠。

功能碼：CC1101模塊發出這一幀數據的目的，可以為控制指令或者接收到信號后的應答位，1個字節。

數據位：數據位是電機的狀態參數，可以為電機的運轉方向和轉速，4個字節。

校驗位：對數據前10個字節進行計算得出2個字節的校驗位。該位錯誤說明數據傳送失敗，必須重新傳送，2個字節。

3.2 無線收發平臺軟件設計

無線收發平臺的軟件設計就是對PIC18F45K20微處理器系統進行程序設計。首先，系統要對芯片本身、SPI總線、EUSART、CC1101進行初始化，使CC1101工作在433 MHz。當新平臺收到上位機由RS485總線傳來的數據時，就要按照數據的要求將數據經過CC1101發射出去，完成數據由有線到無線的轉化。當CC1101 收到電機控制器發射回來的數據，確認有效后，要將數據由無線轉到有線，傳給上位機顯示。該平臺的軟件設計流程圖如圖5所示。

3.3 電機控制器軟件設計

電機控制器軟件同無線收發平臺軟件設計一樣，首先要對dsPIC33FJ32MC204 芯片、SPI 總線、USART、CC1101、ADC、PWM 進行初始化設置，同樣使CC1101工作在433 MHz。完成初始化后，當電機控制平臺收到無線收發平臺發送過來的有效信號，馬上讀取電機霍爾傳感器上的信息并與接收到的數據中的電機參數對比，通過調整PWM波的占空比，來完成電機運行狀態的改變，直到滿足上位機的要求；當上位機發出的信號是要查看此時電機的運行數據，也是讀取霍爾傳感器上的信號，獲得電機的運行參數并及時將運行參數傳出去。控制器的軟件設計流程圖如圖6所示。

圖5 無線收發平臺軟件設計流程圖

圖6 電機控制平臺軟件設計流程

4 上位機設計

上位機運行主界面如圖7所示。上位機相當于一個監控平臺［10］，使用VC++編寫，主要實現以下功能：①發送控制指令，對電機進行有目的的控制，先在電機參數欄設置好電機的相關參數（例如轉向、轉速），一鍵確認發送，指令發出，電機就會按要求改變運轉參數；②顯示電機當前的運轉參數，當監控人員需要了解某一個電機的運轉情況，只要發出讓這個電機上傳當前參數的指令，電機就會立刻上傳參數并顯示在對應的顯示界面。

圖7 上位機運行主界面

5 結束語

本研究設計了無刷直流電機組網控制系統，實現了在PC 上位機上輸入控制指令，通過CC1101 無線數據收發平臺，對指定的電機進行運轉控制或者對當前運行狀態進行了監控，在調速中使用了模糊PID算法，增加了系統的適用性。

實測結果表明，該方案運行穩定可靠，抗干擾能力較強，數據傳輸誤碼率很低。該系統應用前景廣闊，可以應用于紡織車間等有多臺電機工作的地方，可大大節省生產成本，提高產品競爭力。另外該系統中使用的CC1101 數傳方案也可廣泛用于智能監控、車間通訊、無線報警等各個領域。

（References）：

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［10］吳影清，劉廷章，袁 文，等.電機調速性能在線監控平臺設計［J］.微電機，2010，43（12）：90-93.