基于DSP的無傳感器無刷直流電動機控制系統的設計

摘 要：隨著對無刷直流電機（BLDCM）調速系統的調速精度和魯棒性的要求越來越高，智能控制方法開始得到普遍的關注。本文以TMS320F2812A DSP為核心，采用線電壓差轉子位置檢測法，并將單神經元自適應PID智能控制算法運用于電流環和速度環控制，設計了無位置傳感器的無刷直流電動機的DSP控制系統。

關鍵詞：無刷直流電機； 線電壓差； 人工神經網絡； DSP芯片； 仿真建模

中圖分類號：TM331 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2015）05-181-003

1.引言

近些年來，隨著永磁材料，微電子技術，自動控制技術，電力電子技術，大功率半導體器件的快速發展，無刷直流電機得到迅速發展，它是利用電子換相技術代替直流電動機電刷換相的機電一體化產品，無刷直流電動機既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，又具備直流電動機運行效率高、起動轉矩大、調速范圍廣、無勵磁損耗、調速性能好等特點，因此在當今國民經濟的各個領域（如醫療器械、儀器儀表、化工、輕紡以及家用電器等方面）中應用日益廣泛。

隨著直流電動機的不斷發展，性能的不斷提高，需要配合更先進的控制算法來構成高性能的控制系統。同時，傳統的控制器已經無法滿足這種對控制精度日益提高的要求，而智能控制理論近年來發展迅速，這些理論的共同特點是無需對象精確的數學模型，并具有較強的魯棒性，所以許多學者都將智能控制方法（如專家系統、模糊控制、人工神經網絡控制等）引入了電動機控制系統。

2.控制系統原理圖及設計思想

本文的主要任務是基于TMS320F2812數字信號處理器（DSP），設計單神經元自適應PID智能控制下的無位置傳感器的無刷直流電機的控制系統。其控制系統原理圖如圖1.1所示

圖1.1無刷電機控制系統原理圖

無刷電動機轉子位置的檢測是一個關鍵問題。其一般是通過檢測定子繞組的反電勢過零點來實現的。本文采用的線電壓差法是新近提出的間接檢測繞組反電勢過零點的方法，可以準確有效地解決無傳感器電機的轉子位置檢測問題，而且實現了寬速度范圍的位置閉環控制。

在實際中許多需要無級調速的生產機械常常對電動機轉速的穩定提出較嚴格的要求。當電動機的調速性能要求較高時，必須采用閉壞調速系統。具體實現是通過調節電動機的電流占空比（PWM）的方法來達到改變相電流的目的，相應地改變了轉矩的大小。由以上分析，可以確定控制方案如圖1.2所示。

圖1.2 刷直流電動機控制系統框圖

作為構成神經網絡基本單元的單神經元，具有自學習和自適應能力，而且結構簡單，易于計算。而傳統的PID控制器也具有結構簡單、調整方便和控制策略直觀等特點。將這兩者有機的結合起來，就形成了單神經元自適應PID控制器，從而可在一定程度上克服傳統PID控制器不易實現在線實時調整參數、難以對一些復雜過程和時變系統進行有效控制的不足。單神經元自適應PID控制系統的結構如圖1.3所示。

圖1.3單神經元自適應PID控制系統結構圖

3.系統仿真

為了從理論上驗證本文采用的智能算法控制下的無位置傳感器的無刷直流電動機控制系統中的可行性和有效性，并給實際系統的實驗結果作一個必要的參考，因此需要建立一個強大的仿真平臺和一個直觀、有效的仿真模型。

本文以無刷直流電機的電氣原理圖為基礎，調用SIMULINK庫模塊和利用S函數，構建無刷直流電機仿真模型，并給出了仿真的實驗結果。

在MATLAB7.9的SIMULINK環境下，采用雙閉環的控制策略建立了系統模型，外環（轉速環）由智能PID控制器構成，內環（電流環）由電流滯環調節器構成。整個系統的仿真框圖如圖1.4所示，采用模塊化的方法，通過對多個相對獨立的功能子模塊進行連接，完成了該無刷電機系統的搭建。該模型與整體分析的仿真模型相比，不但提高了系統模型的可移植性，而且可以方便的對電機的相電流、反電動勢、電磁轉矩和轉速進行動態分析。本文所研究的無刷直流電機仿真模型主要由電機本體模塊、速度控制模塊、電流控制模塊、PWM發生模塊和逆變器模塊組成。

圖1.4 無刷直流電機方框圖

4.仿真與分析

仿真用的電機參數根據實際所用三相無刷直流電機確定功率為94W，反電勢常數為8V/1000rpm，額定電壓24V，額定電流為3.5A，最大轉速n=3000rpm。

圖1.5給定為3000rpm的PID控制速度響應曲線對比圖

在系統參數不變的情況下，速度環控制器分別采用常規PID，單神經元自適應PID控制器進行了仿真。仿真條件先設定為：給定轉速3000 rpm，系統空載起動，在0.05秒時突加負載轉矩=0.06Nm。此條件下兩種算法的速度響應曲線如圖1.5所示。從中可以發現：前者的上升時間為1.9ms，超調量為2%；后者的上升時間為2.1ms，超調量只有0.6%，僅為前者的1/3。系統以較少的增加上升時間的代價換取了超調量的明顯改觀。由此表明，智能PID算法的調速性能和魯棒性都大大優于常規的PID算法。

5.控制系統硬件設計

主控電路采用TI公司的TMS320F2812 DSP作為核心芯片，端電壓及速度控制信號均由該芯片進行A/D轉換后在片內進行處理，產生驅動直流無刷電動機的六路PWM控制信號，完成對系統的控制，并為軟件提供運行平臺。整個系統硬件部分包括以下幾個部分： 功率驅動電路、DSP控制電路、隔離電路、電源電路、轉子位置檢測電路和電機本體。

本系統硬件為低頻電路，雖不像高頻系統那樣易受干擾，但為了保證控制系統工作時的穩定性和可靠性，在系統設計時仍應充分考慮到系統工作時的各種干擾情況，避免在設計完成后再去進行抗干擾的補救措施。抗干擾設計的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。

圖1.6 IR2130驅動芯片與逆變電路的接線圖

圖1.7 DSP與電機控制板連接框圖

圖1.8 HCPL-061A光耦合器接線示意圖

圖1.9 簡單的電平轉換電源電路

圖1.10線電壓差法轉子位置檢測電路

6.控制系統軟件設計

整個控制系統的軟件開發是在TI公司的CCS（code composer studio 2000）軟件集成開發環境中完成。程序設計盡量做到程序結構清晰、功能完善、程序模塊化，應具有較好的維護性和較高的執行效率。整個系統程序采用C語言編寫。系統的軟件設計主要包含以下六個部分：即初始化子程序、啟動子程序、更新比較值或換相子程序、AD中斷服務子程序、電流環控制子程序和轉速環控制子程序。其中初始化子程序、啟動子程序和更新比較值或換相子程序均是在main主程序中調用。main主程序流程圖如圖1.11所示。

圖1.11 main主程序流程圖

7.系統的實驗結果及分析

整個實驗系統實物包括穩壓電源（24V）、DSP開發板、驅動板、電機。調試工具包括開發板配套的USB仿真器、PC、14pin JTAG連線等。測試工具包括RIGOL DS1104B型數字示波器、fluke 15B數字萬用表。

程序調試成功之后，用PC上的CCS軟件將生成的out文件通過JTAG口下載到開發板上的程序存儲器中，就可以運行了。考慮到試驗系統的安全和電源條件的限制等問題，實驗時供電電壓選擇為24V。

圖1.12 無刷電動機的整體試驗樣機圖

圖1.13單神經元自適應PID在實際運行時的轉速響應與在仿真時的轉速響應曲線對比圖

圖1.14仿真波形與實驗波形比較

圖1.13（a）是給定速度為3000rpm時，單神經元自適應PID算法控制下的實際的轉速響應曲線，采樣周期為1ms；圖1.13（b）為調整了采樣周期后的同一算法的仿真曲線。因為所繪制的是1秒種內的響應波形，時間軸較長，所以兩條曲線幾乎沒有差別，都顯示出了極好的控制性能。圖1.14給出了單神經元自適應PID在實際運行時的轉速響應和仿真時的轉速響應的比較圖。可以看到，實驗波形的上升時間約為7.5ms，超調量為1%，經過一次振蕩后即進入穩態（這里所說的穩態是指系統響應在調節時間之后的穩定狀態），由圖1.14可知，穩態誤差小于1%，穩態時有較多的尖峰出現；仿真波形的上升時間約為4ms，超調量為0.7%。以上結果反映出的系統實際調速性能比仿真時的性能稍差，但是根據仿真的總體情況和電機的性能來看，實際的響應結果也達到了預期的調速性能。而且考慮到仿真所用的無刷直流電機模型忽略了電機內部的一些難以描述的非線性物理效應，考慮到電子開關電路中功率管的開關特性、電機實際運行時的摩擦等情況，實驗結果還是與仿真結果相符的。

由實驗結果可以看出，由于采用了單神經元PID控制算法，系統的端電壓波形比較理想，所設計的控制系統使三相無刷直流電動機能夠快速起動和精確調速，較好地實現了無刷電機的高性能控制，同時也表明了基于DSP的無刷直流電機高性能調速系統可以在保證系統實時性的前提下實現較復雜的智能控制算法。

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