高精度無刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

摘要：為提高伺服系統(tǒng)中無刷直流電機(jī)的控制效果，設(shè)計(jì)了以DSP為核心的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)方案。本控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于利用數(shù)字信號(hào)處理器的高速實(shí)時(shí)運(yùn)算處理功能，易于實(shí)現(xiàn)各種高效的控制算法，很好地解決了伺服系統(tǒng)中PWM信號(hào)的生成、電動(dòng)機(jī)速度反饋和電流反饋等問題。并結(jié)合模糊控制算法進(jìn)行了仿真研究，達(dá)到無刷直流電機(jī)的高精度伺服控制的目的。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；DSP；PWM控制；Sinmulink仿真

    在伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中，無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)是一種新型的無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、維護(hù)方便、運(yùn)行效率高及慣量小和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于伺服控制精密數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等領(lǐng)域。隨著BLDCM應(yīng)用領(lǐng)域的推廣，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能、魯捧性、控制精度等要求越來越高。
    本文以三相四極無刷直流電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合PID控制和模糊控制各自的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一套基于TI公司的C2000系列TMS320F2812 DSP為核心的全數(shù)字永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，以期滿足BLDCM伺服控制系統(tǒng)的高精度、快速性、穩(wěn)定性和魯捧性的要求。

1 總體方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)沒計(jì)采用三相四極無刷直流電動(dòng)機(jī)PWM控制方案，逆變橋的通電方式采用兩兩導(dǎo)通方式該系統(tǒng)主要由三相四極無刷直流電動(dòng)機(jī)、控制器、電子開關(guān)電路和化置檢測(cè)器四部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    功率驅(qū)動(dòng)方式采用三相Y型全橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就是通過位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)結(jié)構(gòu)最終實(shí)現(xiàn)位置的伺服控制。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，位置環(huán)在最外面，是本系統(tǒng)的主環(huán)，電流調(diào)節(jié)環(huán)和速度調(diào)節(jié)環(huán)在里面，兩者都是為位置環(huán)而服務(wù)，電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，位置調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)器，以TMS320F2812微控制器為控制核心，以功率MOSFET管構(gòu)成逆變器。通過改變逆變器開關(guān)器件的PWM占空比來改變電機(jī)電楸端電壓，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2 硬件設(shè)計(jì)
    圖3給出了基于TMS320F2812 DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

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    本系統(tǒng)主要由輔助電源、控制器及外圍電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和系統(tǒng)保護(hù)電路等幾部分組成。無刷直流電動(dòng)機(jī)的淵速原理為：TMS320F2812控制器通過捕獲單元捕捉無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器HALL1、HALL2、HALL3高速脈沖信號(hào)，檢測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的指令改變PWM信號(hào)的當(dāng)前值，進(jìn)而改變直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(三相橋式逆變電路IGBT)中功率管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。
    下面重點(diǎn)介紹系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、相電流檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)保護(hù)電路等。
2．1 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路
    本設(shè)計(jì)方案中，位置檢測(cè)環(huán)節(jié)采用了3個(gè)位置間隔120°分布的霍爾傳感器，由霍爾器件所輸出的轉(zhuǎn)子位置脈沖信號(hào)送到功率變換電路后，經(jīng)處理后送入DSP的CAP單元，DSP通過讀取霍爾元件的狀態(tài)值，來確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，再通過改變PWM的占空比改變MOSFET管的導(dǎo)通順序，改變IGBT的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相和電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

    霍爾位置傳感器輸出的信號(hào)先由阻容濾波電路處理，然后冉經(jīng)過六路施密特觸發(fā)反相器SN74HC14N整形后送入DSP的CAP單元進(jìn)行處理計(jì)算。由于霍爾位置傳感器輸出為5V電平信號(hào)，為了與DSP的3．3V電平相匹配，需要進(jìn)行電平邏輯轉(zhuǎn)換，在此通過施密特觸發(fā)器輸出端串聯(lián)匹配電阻的方法來實(shí)現(xiàn)。三相霍爾位置檢測(cè)電路如圖4所示。
2．2 相電流檢測(cè)電路
    在對(duì)電路中電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于霍爾元件輸出的電流較小，故采用在直流側(cè)母線中串采樣小電阻的方法，先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后再經(jīng)過放大隔離處理后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器A／D。其中光耦隔離器件選擇的是6N137。電流檢測(cè)電路圖如圖5所示。

    其中R22(0．05Ω／3W)為直流側(cè)母線端的采樣電阻，首先將電阻兩端的壓降信號(hào)經(jīng)過阻容濾波電路濾波，然后經(jīng)過運(yùn)算放大器放大，以滿足TMS320F2812中A／D轉(zhuǎn)換單元的采樣范圍(0～3V)的要求。電路中采用了單路高精度雙極性運(yùn)算放大器OP07。圖中的二極管D6起穩(wěn)壓保護(hù)作用，確保AD0的輸入電壓存0～3V的范圍內(nèi)，另外，通過光藕合器6N137將干擾路徑切斷，減小噪聲的干擾。[!--empirenews.page--]
2．3 驅(qū)動(dòng)電路
    驅(qū)動(dòng)電路采用IR公司生產(chǎn)的高性能三相橋式逆變器驅(qū)動(dòng)芯片IR2136，它只用一路驅(qū)動(dòng)電源便可同時(shí)輸出6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且IR2136擁有完善的保護(hù)功能，使整個(gè)電路更加簡(jiǎn)單可靠。

    由于IR2136芯片本身沒有邏輯信號(hào)與功率信號(hào)之間相互隔離功能，因此本設(shè)計(jì)中DSP產(chǎn)生的6路PWM脈沖信號(hào)經(jīng)光耦隔離后才作為IR2136的6路脈沖輸入，進(jìn)而控制MOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷。通過輸出端口H01、H02、H03分別控制三相逆變橋電路的上橋臂T1、T3、T5的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過輸出端口L01、L02、L03分別控制三相逆變橋電路的下橋臂T4、T6、T2的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的正反轉(zhuǎn)。圖6為由IR2136構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。
2．4 系統(tǒng)保護(hù)電路
    在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，保護(hù)電路可以保護(hù)控制器DSP免受過壓、過流的影響，還可以保護(hù)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路免遭破環(huán)。整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)電路由隔離電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)兩部分組成。
    (1)隔離電路的設(shè)計(jì)
    光耦隔離電路的作用是避免主回路中的強(qiáng)電信號(hào)對(duì)控制回路中的弱電信號(hào)造成干擾，實(shí)現(xiàn)不同電壓之間的信號(hào)傳輸。如圖7所示(以一路PWM信號(hào)為例)，該隔離電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP的6路PWM輸出信號(hào)與IR2136之間光耦隔離，并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換功能。

    (2)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
    功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路包括自保護(hù)電路和過電流過電壓保護(hù)電路。為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路安全可靠工作，DSP還提供輸入信號(hào)，利用它可方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種保護(hù)功能。各路故障信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后送入到引腳，圖8給出具體保護(hù)電路。例如：當(dāng)有過壓或過流現(xiàn)象時(shí)，IR2136的引腳FAULT會(huì)輸出制動(dòng)信號(hào)，拉低引腳輸入電平，此時(shí)DSP內(nèi)部定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，所有的PWM輸出引腳全部置為高阻態(tài)，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，通知CPU有異常情況發(fā)生，這就是IR2136的硬件保護(hù)功能。

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3 系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊
    系統(tǒng)中用SCI接口完成與上位機(jī)的通訊功能，采用RS-232接口實(shí)現(xiàn)通信。通過上位機(jī)可以給定位置量，同時(shí)控制過程巾電機(jī)的速度、電流、位置反饋量等參數(shù)，也可以實(shí)時(shí)地發(fā)送給上位機(jī)顯示；SPI接口完成串行驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示的功能。通過數(shù)字I／O擴(kuò)展的鍵盤設(shè)定位置給定量，并由數(shù)碼管顯示。

4 系統(tǒng)仿真
    本文對(duì)速度環(huán)采用增量式PID控制和參數(shù)自整定模糊PID控制兩種控制算法，利用北京雅合全公司生產(chǎn)的型號(hào)為45ZWN24-25的三相四極無刷直流電動(dòng)機(jī)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。圖9、圖10分別對(duì)應(yīng)兩種算法在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。

    分析電機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速啟動(dòng)曲線可知，兩種控制箅法都有一定的超調(diào)，增量式PID控制算法電機(jī)啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間大約為2．8s，超調(diào)量為8．27％；而參數(shù)自整定模糊PID控制算法電機(jī)啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間大約為2．2s，超調(diào)量為4．58％，可見，采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法之后，有效地降低了超調(diào)量，縮短了電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間，提高了電機(jī)的控制精度。

5 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)了以TMS320F2812為核心的數(shù)字直流伺服系統(tǒng)，很好地解決了高精度伺服控制系統(tǒng)中PWM信號(hào)的生成、電機(jī)速度反饋及電機(jī)電流反饋問題，并實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能，使系統(tǒng)硬件得到了極大地簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的可靠性。并結(jié)合參數(shù)自整定模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高精度伺服控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了陔方法的有效性。