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[導(dǎo)讀]在分析無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,以DSP芯片TMS320LF2407A為控制器,提出了一種無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。并針對(duì)該方案進(jìn)行了電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),最后在MATLAB上的Simulink進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明,結(jié)合模糊控制算法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制,其控制效果良好,適應(yīng)性強(qiáng)。

引言
    近幾年來,隨著電力電子器件和現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展,無刷直流電動(dòng)機(jī)由于沒有接觸式換向裝置,不存在換向引起的火花,其具有效率高,轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向所限制,可維護(hù)性強(qiáng),安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn),而被人們廣泛應(yīng)用于光驅(qū)、智能機(jī)器人、電動(dòng)交通工具等領(lǐng)域。DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)則以其高速的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的內(nèi)部資源、集成度高和功耗低等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用在控制領(lǐng)域中。本文提出了一種基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)結(jié)合模糊控制方法來實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的智能化控制。

1 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
   
根據(jù)物理學(xué)公式,單根導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí),所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)e為:
   
    式中,B為磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度,l為磁場(chǎng)中導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度,v為導(dǎo)體垂直于磁力線運(yùn)動(dòng)的線速度。在電機(jī)中,v與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為:
   
    這樣,無刷直流電機(jī)在運(yùn)行過程中所感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為:
   
    式中,E為無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);p為電機(jī)的極對(duì)數(shù);α為極弧系數(shù);W為點(diǎn)數(shù)繞組每一相的繞線匝數(shù);ψ為每一極的磁通量;n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
    假設(shè)無刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組采用三相星型結(jié)構(gòu),定子三相完全對(duì)稱,空間上互差120°的電角度,三相繞組電阻的電感量參數(shù)相同。同時(shí)忽略電樞繞組之間產(chǎn)生的互感,電機(jī)的氣隙磁導(dǎo)均勻,磁路不飽和,并忽略渦流損耗。則無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下:
   
    式中,Va、Vb、Vc分別為三相端壓;R為三相繞組電阻;L為三相繞組電感;Ea、Eb、Ec分別為電動(dòng)機(jī)的三相感應(yīng)電勢(shì);ia、ib、ic分別為三相繞組流過的電流。這樣,其電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式可以表示為:
   
    而根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)定律。電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式也可以表示為:
   
    式中,T1為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Z為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼系數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)大致可分為功率驅(qū)動(dòng)部分、DSP控制核心部分、A/D信號(hào)檢測(cè)部分等,圖1所示是一個(gè)基于DSP的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的總體硬件系統(tǒng)框圖。


2.2 功率驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)
   
圖2所示是本文所介紹的三相無刷直流電機(jī)的功率變換橋路電路圖。圖中共使用了6個(gè)N溝道的MOSFET功率元件IRF540,可構(gòu)成三相橋路以作為無刷直流電機(jī)的電子換相器,其完成的功能與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)的換相器的功能一致。電阻R107作為過電流保護(hù)功能的采樣電阻。其實(shí)是一個(gè)小型的錳銅分流器,取值0.01Ω,可保證平時(shí)在正常工作電流以及額定啟動(dòng)電流通過電阻時(shí),不會(huì)產(chǎn)生大的電壓,而當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)、某處短路或者上下MOSFET同時(shí)導(dǎo)通短路時(shí),該電阻則可產(chǎn)生大電流,當(dāng)在此電阻上的壓降達(dá)到一定程度時(shí),電路可迅速激活過電流保護(hù)電路以停止所有MOSFET的工作,同時(shí)斷開主電路電源,防止事態(tài)進(jìn)一步惡化。[!--empirenews.page--]


2.3 DSP部分設(shè)計(jì)
   
根據(jù)對(duì)電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的分析。為實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度可靠控制,本系統(tǒng)采用T1公司成熟的DSP產(chǎn)品TMS320LF2407。該數(shù)字信號(hào)處理器不但具有高速信號(hào)處理和數(shù)字功能所必需的體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),而且其低成本、低功耗及高性能的處理能力以及豐富的內(nèi)部資源,也對(duì)電機(jī)的數(shù)字化控制非常有用,此外,該數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)內(nèi)部還自帶高精度10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和脈沖調(diào)制PWM模塊。
2.4 A/D信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)
   
通過專用高端電流測(cè)量芯片AD8206以及高精度采樣電阻可以完成對(duì)A/D信號(hào)的檢測(cè)功能。即由三相功率變換橋路引出的Coil_A、Coil_ B、Coil_C分別經(jīng)過高精度超低阻值的0.01Ω采樣電阻后,將引出U、V、W三線分別接至定子電樞的A、B、C三相線圈上,這樣即可通過檢測(cè)采樣電阻之上的電壓來檢測(cè)出各相電樞繞組上通過的電流。測(cè)試每相相對(duì)于地電壓的方法比較簡(jiǎn)單,可以用電阻分壓法測(cè)試,A、B、C三相線圈上的電壓在U、V、W測(cè)試點(diǎn)上也可采用電阻分壓的方法得到,圖3所示是A相電壓電流的采樣電路。



3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)控制總圖

    圖4所示是本系統(tǒng)的控制框圖。根據(jù)該控制框圖可將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子任務(wù)。其中包括系統(tǒng)初始化任務(wù)、系統(tǒng)參數(shù)采樣任務(wù)、系統(tǒng)保護(hù)任務(wù)、模糊控制計(jì)算任務(wù)、電機(jī)控制任務(wù)、通信任務(wù)等。任何時(shí)刻都只能有一個(gè)子任務(wù)被系統(tǒng)調(diào)度選中而進(jìn)入系統(tǒng)的主循環(huán)中運(yùn)行,此時(shí),其他任務(wù)都處于休眠或者掛起狀態(tài)。以等待系統(tǒng)的調(diào)用。每一個(gè)子任務(wù)都是以一個(gè)死循環(huán)的函數(shù)形式出現(xiàn)并供系統(tǒng)調(diào)用,每個(gè)子任務(wù)的死循環(huán)的打斷和切換一般都以系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘為準(zhǔn)。由系統(tǒng)調(diào)度器決定的、合適下一個(gè)應(yīng)該調(diào)用的子任務(wù)框圖如圖5所示。


3.2 模糊控制參數(shù)的選擇
   
本模糊控制器以電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出與期望的速度輸出的偏差e以及偏差的變化率ec作為輸入變量來輸出電機(jī)的控制值的變化值。在模糊控制區(qū)內(nèi),可將速度偏差和偏差變化率量化為7個(gè)模糊子集,即模糊語言變量{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},簡(jiǎn)記{NL,NM,N-S,ZO,PS,PM,PL}。
    綜合考慮速度偏差和速度偏差變化率這兩個(gè)信號(hào),可采用如下的模糊推力規(guī)則:
   
    由于e和ec各有一個(gè)模糊子集,所以,共有49條模糊規(guī)則,其具體規(guī)則如表1所列。[!--empirenews.page--]


3.3 系統(tǒng)參數(shù)采樣
   
電壓電流采樣單元共采集7個(gè)數(shù)據(jù),分別是三相電壓、三相電流和定子電樞總電流,這些參數(shù)分別對(duì)應(yīng)A/D中的7個(gè)采樣通道。每一次采樣過程中。程序均按照采樣通道一次性順序采樣7個(gè)數(shù)據(jù),并將采樣結(jié)果放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),以供其他程序讀取和調(diào)用。假如被控電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分,即50轉(zhuǎn)/秒,且每一個(gè)電周期中有6個(gè)換相區(qū)間,那么,為了保證換相控制精度<15°,每個(gè)換相區(qū)間采樣5次。則可得到的每秒采樣次數(shù)為5x6x50=1500次/秒,每次采樣間隔時(shí)間大約為660μs。圖6所示是系統(tǒng)的電壓電流采樣程序流程圖。


4 系統(tǒng)仿真模型
   
仿真可利用Matlab軟件中的Simulink功能來完成。Simulink是一個(gè)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括線性、非線性系統(tǒng)的離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。圖7所示是一個(gè)無刷直流電機(jī)本體的仿真模型。



5 結(jié)束語
   
本文在分析了無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,提出了一種基于TMS320LF2407A的永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的解決方案。該方案充分利用DSP的強(qiáng)大運(yùn)算功能和豐富的內(nèi)部資源。并將模糊控制算法引入到控制系統(tǒng)中。仿真結(jié)果表明:該系統(tǒng)的控制波形符合理論分析,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性。

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