DSP在無刷直流電機控制系統中的運用

黃　斌

(中船重工750試驗場，云南昆明650010)

?

DSP在無刷直流電機控制系統中的運用

黃斌

(中船重工750試驗場，云南昆明650010)

摘要介紹了基于DSP在無刷直流電機控制系統中有位置控制的設計原理和過程，針對在無刷直流電機調速中PID算法存在的問題，采用了非線性變速積分PID算法，成功地應用到設計中，控制技術采用了PWM控制。實驗結果表明該控制結構簡單，電機起動快、穩定，具有較寬的調速范圍，可靠性高，應用前景非常廣泛。

關鍵詞無刷直流電動機；PWM；PID算法；DSP

0引言

無刷直流電動機利用電子換向器取代了電刷和機械換向器，因此它不僅保留了直流電動機的優勢，而且具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，一經出現就以極快的速度發展和普及[1]。隨著電力電子技術的不斷發展,單片機的性能得以不斷提高,基于TMS320F2812的DSP的控制系統,可實現三相繞組直流無刷電動機控制的智能化控制,并具有成本低、工作穩定、抗干擾能力強、通用性強等特點[2]。

1直流無刷電動機的控制方案

1.1　控制系統的總體設計方案

在系統總體方案設計中，根據功能將系統分為驅動電路、逆變電路、DSP主控電路、顯示控制電路、電流檢測電路、轉子位置檢測電路和無刷直流電機七個模塊，如圖1所示[3]。

圖1　系統總體方案框圖

系統的核心是DSP主控電路模塊，該模塊負責產生驅動電機的波形，與顯示模塊進行通信，處理由電流檢測模塊和轉子測速模塊反饋信號控制電機運行狀態，DSP送出的驅動信號通過驅動電路送到逆變電路，以達到驅動電機的目的；轉子位置檢測電路的作用是把霍爾傳感器檢測轉子位置信號反饋給DSP計算轉子的位置，電流檢測電路是對電流采樣，用于電流環控制回路。

1.2　控制機構

本系統采用電流環和速度環構成的雙閉環控制，從閉環結構上看，電流環是內環，轉速環是外環。

圖2　無刷直流電機雙閉環控制系統

在雙閉環調速系統當中，轉速環的作用是對轉速抗擾調節并使之在穩態時無靜差，其輸出的限幅值決定允許的最大電流。電流環的作用是電流跟隨，過流保護，及時抑制電壓擾動。

系統設計的順序是先內環后外環，調節器的結構和參數取決于穩態精度和動態校正的要求。具體對雙閉環控制系統來說，先設計電流環，然后把整個電流調節環當做轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速環。

2控制策略

2.1　PID算法的選擇

控制策略好壞的選擇直接關系到控制系統的性能。對于任何控制系統而言，都要求做到穩、準、快。穩是最根本的要求；準是穩態要求(穩態誤差要小)；快是動態要求(超調量要小，調節時間要短)。無刷直流電機調速系統是一個多變量，強耦合的非線性系統。隨著對無刷直流電機控制系統要求的提高，傳統的PID控制很難得到令人滿意的結果。本文針對傳統的PID而言，采用非線性變速PID算法。

變速積分PID是：改變積分項的累加速度，使其與偏差速度相對應；偏差越大，積分越慢，反之越快。為此，可以取非線性函數f[e(k)]。

(1)

這時PID算法可以改進為

KD[e(k)-e(k-1)]

(2)

f的值在0~1之間變化，當偏差大于A+B時，證明此時已經進入飽和區，這是f=0，不再進行積分項的累加；|e(k)|≤A+B，f隨偏差的減小而增大，累加速度加快，直至偏差小于B后，累加速度達到最大值1。這種算法對A，B兩參數的要求不精確，當A，B兩參數的要求不夠精確。當A，B值選的越大，變速積分對飽和抑制作用越弱，反之越強。變速積分用比例作用消除了大偏差，用積分作用消除了小偏差，大部分情況下可消除積分飽和現象，同時大大減小了超調量，容易使系統穩定，改善了調節品質，但對于|e(k)|在大范圍突然變化時產生的積分飽和現象仍不能很好消除，這時可采用非線性變積分的PID。

圖3　非線性變速積分PID算法程序框圖

2.2　控制芯片的選用

控制芯片采用TI公司的TMS320F2812芯片，所實現的軟件包括電機狀態值的采用與計算、控制算法的實施以及PWM信號的輸出，此外還包括故障檢測與保護、數據交換與通信功等。

綜合考慮本系統對控制芯片的要求和控制芯片自身的性能特點，選擇DSP芯片TMS320F2812作為無刷直流電機控制器的控制芯片。

2.3　控制方法

對于星行連接的三相無刷直流電機，在理想情況下，任何時刻只有兩相定子繞組導電。令加在兩相通電繞組上的平均電壓為Vd，則電壓平衡方程式

Vd=2Em+ImR=2keφmn+ImR

(3)

(4)

式中，Em—各相反電動勢；Im—各相相電流；n—無刷直流電機轉速；R—回路等效電阻，包括電機兩相電阻。由式(4)可知，無刷直流電機的轉速通過改變外施平均電壓Vd來實現[4]。

改變電樞電壓是直流調速的主要方法，本系統采用PWN(脈寬調制)調速方法，通過調節逆變器的PWM觸發信號的占空比來改變外施的平均電壓Vd，從而實現無刷直流電機的調速方法。

在一般情況下，采用單極性PWM控制的電流波動最大值只有采用雙極性PWM控制的電流波動最大值的一半，因此為了減小電流脈動和功率管的開關損耗，本電機控制系統采用單極性的PWM控制技術[5]。

3控制系統軟件實現

無刷直流電動機控制系統軟件設計要求根據獲得的電機轉速的設定值，以及從傳感器信號測得的電機時實轉速，用非線性變積分方法PID算法計算出電機的轉速控制量，從而調節電機的轉速，使電機的轉速跟隨電機轉速的設定值[6]。根據轉速的控制量和電機實時轉速，依照控制算法算出PWM的占空比，更新定時器的設定值，從而形成PWM信號調節電機轉速。控制軟件分為主程序和中斷服務子程序兩大部分。其中主程序包括初始化子程序、啟動子程序等，中斷服務子程序主要有捕獲中斷子程序、換向子程序、A/D中斷子程序、功率保護中斷、雙閉環PID調節子程序等具體見圖4、圖5、圖6。

圖4　主程序框圖

圖5　電機起動子程序框圖

圖6　捕獲中斷子程序

4實驗結果及分析

通過磁粉制動器對電機進行加載，可以得到調整負載時的速度波形和負載波形見圖7、圖8。

圖7　調整負載時電機的速度波形

圖8　調整負載時電機的負載波形

從轉矩波動圖可得到，系統不受負載轉矩波動的影響，在給定的轉速下運行并伴有小幅度的振動。由上面實驗結果可知，所設計的系統具有較好的速度響應性能，實驗表明電機在起動和調速過程正常，整個運行過程正常。

本文針對無刷直流電機設計了一套控制系統，采用C語言完成了控制算法的實現，通過對實驗結果分析，驗證了控制算法的先進性和電機控制的可行性。

參考文獻

[1]鄭吉，王學普．無刷直流電機綜述[J].微特電機，2002，(3)：11-13.

[2]張琛．直流無刷電機原理及應用[M]．北京：機械工業出版社，1996.

[3]韓安太，劉峙飛，黃海．DSP控制原理及在控制系統中的運用[M]．北京：清華大學出版社，2003.347-348.

[4]孫艷霞.無刷直流電機傳動控制系統的改進與實現.大連鐵道學院學報,2000,21(1):39-42.

[5]王曉明，王嶺．電動機的DSP控制.北京：北京航空航天大學出版社，2004.229-235.

[6]李久勝．王炎．交流伺服系統滑模控制器的動態設計．電氣傳動，2001，5(3):17-22.

Application of DSP to Control System of BLDC Motor

HuangBin

(CSIC 750 Proving Ground, Kunming 650010, China)

AbstractThis paper introduces the design principle and procedure of DSP in position control of brushless DC motor control system. For the problem of PID algorithm in speed regulation of brushless DC motor, the nonlinear variable-speed integration PID algorithm is selected and successfully applied in design, and PWM control technology is used in control system. The experimental results show that the system has the advantages of simple control structure, fast and stable motor start, wide speed adjustment range and high reliability. The application prospect of the system is very broad.

Key wordsBrushless DC motor;PWM;PID algorithm;DSP

收稿日期：2015-09-28

作者簡介：黃斌男1986年生；畢業于重慶大學車輛工程專業，現從事電機技術工作.

中圖分類號：TM301.2；TM33

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2015)06-0014-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.05