基于DSP的無刷直流電動機雙閉環PID伺服系統設計*

陳劍鋒，羅偉林

（1.泉州信息工程學院，福建 泉州 362008；2.福州大學機械工程及自動化學院，福州 350108）

0 引言

近年來，無刷直流電動機（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）的技術不斷成熟，其應用也越來越廣泛，如機器人控制、醫療機械、電動車輛、航天航空等領域。BLDCM采用電子換相，優化了電機的內部結構，克服了傳統機械換相的弊端，具有噪聲小、運行可靠、調速范圍寬、機械特性優良等優點。實際應用中，各個領域對BLDCM伺服系統的控制要求都比較高，尤其是在數據處理速度、實時性、速度控制精度、信號反饋靈敏度、上位機通訊等方面。因此，BLDCM伺服系統的研究具有理論和實際意義。

針對BLDCM的系統設計方案研究成為了眾多學者關注的方向，劉源和孫東亞[1]提出了一種基于ARM的無刷直流電動機的軟硬件方案，實現了對電動機的調速控制。祁濤等[2]、張健和王笑竹[3]、鄧元望等[4]基于Matlab軟件平臺實現了無刷直流電動機的仿真模型搭建，為后期的軟硬件開發奠定了理論基礎。在控制系統設計方面，Mohd等[5]提出了一種無刷直流電動機的PI轉速調節的控制方案。郭志堅和張岳賢[6]基于PID雙閉環控制算法對BLDCM仿真模型進行研究。程時兵和王煒[7]采取位置閉環控制方式完成了數字式無刷直流電動控制系統設計。鄒志軍和遲長春[8]設計了一種改進型蝙蝠優化PID算法的BLDCM仿真模型。為提高控制精度和控制系統實時性，基于數字信號處理（Digital Signal Processing,DSP）芯片的BLDCM伺服控制系統的設計開始受到人們關注。趙文龍等[9]基于DSP實現了無刷直流電動機的控制裝置設計，采用C++編寫了上位機，能實時觀測電動機運行的實時參數變化。朱淑云等[10]基于DSP芯片通過使用CCS軟件開發環境給出了無刷直流電機調速系統的軟件設計方案，但現有的研究多基于仿真驗證，軟硬件實現較少涉及。

本文構建的BLDCM伺服控制系統以DSP作為核心器件，在硬件方面設計了供電電路、主控電路、驅動電路、上位機通信電路、檢測電路、故障保護電路等.在軟件方面基于Matlab軟件建立了BLDCM的數學仿真模型，采用雙閉環PID控制方法，分別設計了電流環和轉速環，同時，電動機參數值顯示和系統參數的設置用上位機來實現，并對所設計的伺服控制系統在實際環境下進行測試和驗證。

1 無刷直流電動機的工作原理

如圖1所示，無刷直流電動機的結構主要由A、B、C三相定子繞組、轉子位置檢測部分、開關線路3個部分組成[11]。無刷直流電動機的轉子是永磁體，當定子線圈通電后就會產生磁場，兩個磁場間存在相互作用力就形成電磁轉矩，從而使轉子在轉矩的作用下轉動。無刷直流電動機的控制過程為：通過位置傳感器檢測電動機轉子的位置，將獲取的轉子位置信號傳輸到控制電路，產生觸發脈沖信號；然后，將觸發脈沖信號傳送到控制電路，由控制電路發出的驅動信號去驅動逆變器中6個三極管的導通和截止狀態，從而驅動電動機轉動。

圖1 無刷直流電機控制原理Fig.1 Principle of BLDCM

本文設計的無刷直流電動機采用星形接法，導通方式為“兩兩導通”。電動機旋轉一周需要經過6步，每步3個繞組中有兩個繞組導通，實現一個繞組換相，磁場也對應轉過60°。例如，若繞組A、C導通，電流的流向：電源正極→V1管→A相繞組→C相繞組→V2管→負極。因此，定子繞組按照一定規律得、失電，逆變器中的三極管就會呈現規律性的關、斷狀態，使得電機定子線圈產生60°的磁勢，從而實現轉子旋轉。

2 基于Matlab無刷直流電動機的仿真建模

2.1 BLDCM的數學模型

為建立BLDCM模型，假設：三相繞組完全對稱，忽略齒槽影響，電樞繞組均勻連續分布，磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。則電壓平衡方程為：

式中：ua、ub、uc為三相繞組相電壓；ia、ib、ic為三相繞組相電流；ea、eb、ec為三相繞組相反電勢；r為單相繞組電阻；L為三相繞組自感；M為繞組間互感。

電磁轉矩為：

式中：ω為電動機的機械角速度。

電機軸的運動方程為：

式中：J為轉子及負載的轉動慣量；TL為負載轉矩；B為黏滯阻尼系數。

2.2 BLDCM仿真模型

在BLDCM伺服控制系統軟、硬件設計前，先在Simulink中驗證BLDCM模型的可行性?；贐LDCM的數學模型，建立雙閉環系統仿真模型，如圖2所示，仿真模型主要由速度環模塊、電流環模塊、PI調節器模塊、邏輯換相模塊、BLDCM模塊等組成。

圖2 BLDCM雙閉環調速系統仿真模型Fig.2 Double close-loop servo system of BLDCM

可以看出，仿真模型中速度和電流都采用了PI調節（增益Kp、Ki選取不同數值）。電流環可以提高系統的動態響應特性，保證電動機在啟動時獲得最大電流。轉速環可以保證系統的跟隨性，抑制轉速波動，提升系統的穩定性、抗干擾性、減少靜差。當給定系統一個輸入轉速指令和相關參數值，經過轉速和電流的雙閉環PI調節，就可以分析系統轉速誤差、電流誤差、反饋轉速、輸出轉矩、相電流、相反電勢的相關曲線變化情況。

2.3 仿真結果及分析

本文選擇的電機仿真參數如表1所示。

表1 電機參數表Tab.1 Parameters of motor

轉速環PI參數設置如下：Kp=0.4，Ki=0.03，電流環Kp=30，Ki=9，仿真結果如下。

（1）空載啟動實驗

設定電機轉速為2000 r/min的無負載啟動，仿真時間為0.3 s，電機的轉速和轉矩分別如圖3和圖4所示。

圖3 空載啟動轉速變化Fig.3 Revolution variation in the case of non-load start

圖4 空載啟動轉矩變化Fig.4 Torque variation in the case of non-load start

圖4 站位利用率

可以看出，電機空載啟動速度較快，超調量小，大約28 ms達到穩態，穩態后運行穩定，達到設定轉速時，電流、轉矩波動較小。

（2）負載突變實驗

讓電機空載啟動后，在0.15 s時給電機一個4 N·m的負載擾動，BLDCM的轉速響應和轉矩響應分別如圖5和圖6所示。

圖5 負載變動轉速變化Fig.5 Revolution variation in the case of load disturbance

圖6 負載變動轉矩變化Fig.6 Torque variation in the case of load disturbance

可以看出，在負載擾動情況下，輸出轉矩響應很快，大約1.2 ms后重新達到穩定狀態，其間系統轉速波動很小，并很快達到給定轉速，電流響應迅速，運行很穩定，說明系統有一定的抗干擾能力。

（3）轉速突變實驗

電機空載啟動，給定轉速1800 r/min，在0.15 s時，將轉速由1800 r/min突加到2600 r/min，電機的轉速響應和轉矩響應分別為圖7和圖8所示。由圖7可以看出，電機實際轉速15.4 ms后可以很快的跟隨給定速度，調節時間很短；由圖8可以看出，電機輸出轉矩變化和空載啟動特性類似，調節時間很短達到穩定狀態。

圖7 轉速突變轉速變化Fig.7 Revolution response to an increase of revolution

圖8 轉速突變轉矩變化Fig.8 Torque response to an increase of revolution

3 無刷直流電動機控制系統的軟硬件設計

3.1 硬件系統設計

本設計中的DSP芯片采用TI公司開發的TMS320F28335芯片，該芯片數字運算處理能力強，集成度高、接口豐富。如圖9所示，基于TM320F28335的BLDCM控制系統以DSP為控制核心，整個系統主要由供電模塊、主控電路、驅動電路模塊、通信模塊、檢測電路模塊、保護電路模塊等組成。DSP的應用使得系統響應速度快、抗干擾能力強、啟動迅速穩定。

圖9 無刷直流電機調速系統硬件結構Fig.9 Hardware design of BLDCM

系統工作時，通過霍爾傳感器實時檢測電動機轉子的位置和轉速，經過信號處理后轉換成電平信號傳輸到DSP芯片中的CAP單元。上位機發送一個給定速度信號，先經轉速環PI調節后可以將轉速偏差信號轉化為電流指令，然后再經過電流環PI調節后，產生PWM脈沖信號去驅動三相逆變器，從而讓電動機的轉子旋轉起來。電動機期望的轉速可以通過調整PWM脈沖信號的占空比來實現，如果系統發生故障，關閉保護電路模塊中的PWM脈沖信號輸出，能起到電路保護的作用。

3.2 軟件系統設計

軟件設計平臺選用CCS5.2（Code Composer Studio 5.2），該平臺是一個完整的DSP集成開發環境，支持C語言編程、多種型號仿真器、在線Debug功能。DSP作為整個系統的核心控制器，不僅需要對采集的信息進行分析和運算，還要與各個模塊芯片進行數據交換，實現對其他芯片的初始化和控制，同時檢測輔助電路和保護電路反饋的信息，以保證整個系統的穩定運行，因此所有邏輯控制皆在DSP內部執行，需要對DSP進行整個系統控制軟件的編寫，包括主程序，定時中斷子程序、中斷保護程序、轉速解算程序、換相程序等。軟件總體框架如圖10所示。

圖10 無刷直流電機調速系統軟件系統Fig.10 Software design of BLDCM

為了能實時觀測電動機運行狀態的參數值和實現與下位機的通訊，本文采用LabWindow軟件設計了一款用于與BLDCM控制軟件通信的上位機，其可以實現控制指令的下發，并對回傳的數據進行保存、畫圖，用于程序分析。圖11為所設計的上位機界面圖。

圖11 上位機界面Fig.11 Host computer

4 實驗結果與分析

4.1 實驗平臺搭建

為了驗證所設計的控制策略及仿真模型的有效性，設計了等比例樣機進行實驗驗證，實驗平臺主要包括電源、控制板、功率板、BLDCM、仿真器、PC機等，DSP通過串口與電腦實現數據交互，進行指令下發，實現轉速、電流等實時數據回傳的功能。

PC機上運行CCS軟件，仿真器通過JTAG口將電腦與控制板相聯。這樣，在DBUGE方式下可以把程序下載到DSP中，并允許PC通過調試程序和DSP之間交換數據和信息，實現對DSP硬件系統的調試。實驗中，電機的啟停用上位機進行控制，無刷直流電機實驗平臺搭建如圖12所示。

圖12 無刷直流電機控制裝置Fig.12 Platform of the BLDCM system

實驗中無刷直流電動機參數如表2所示。

表2 實驗電機參數表Tab.2 Parameters of motor in experiments

4.2 實驗結果

（1）霍爾位置信號

如圖13所示，用示波器釆集3路霍爾信號，可以看出每兩路信號相差120°，這樣，三路信號正好在一周期形成6個組合狀態，滿足設計要求。

圖13 霍爾位置信號Fig.13 Hall signal

（2）電機運行曲線

PID參數設定如下。轉速環PI調節器參數：Kp=4.23，Ki=2.30；電流環PI調節器參數：Kp=2.92，Ki=0.8。實驗時，電機空載運行，給定速度指令2000 r/min，將數據利用串口發送給上位機，獲得電機的速度響應曲線如圖14所示。由圖可知，上升時間tr=0.34 s，調節時間ts=0.37 s，超調量σ=4.8%，電機能進行速度閉環穩態運行，驗證了本文所設計軟硬件系統的有效性。

圖14 電機轉速曲線Fig.14 Revolution of motor

5 結束語

本文設計了一套基于DSP的完整的無刷直流電動機伺服控制系統，有效克服了傳統直流電動機調速性能差和穩定性不足的弊端，同時設計了上位機來實時監測電動機的運行參數數值，解決了無法實時獲取系統運行參數的問題通過仿真實驗可以得到以下結論：（1）采用雙閉環PID調速控制方式，整個系統響應速度快、調速范圍寬、穩定性好、跟隨性好；（2）采用高性能DSP芯片，提高了系統數據的處理速度，簡化了硬件的電路設計；（3）搭建了正確的BLDCM雙閉環調速系統仿真模型，并且仿真參數調整合理，能夠保證電動機正常運行的設計要求；（4）本文搭建的BLDCM仿真模型具有很強的通用性，可以基于該模型進行控制算法的驗證和控制策略的優化；（5）所設計系統控制效果好，穩態時無靜差，具有一定的抗干擾能力。