基于DSP的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的模糊控制系統(tǒng)研究

摘要：介紹一種數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。利用TMS320IF2407的運(yùn)動(dòng)控制接口形成單片DSP控制的電機(jī)系統(tǒng)。采用霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，形成電子換相邏輯。由pi進(jìn)行速度和電流控制，用模糊邏輯進(jìn)行位置控制，文中討論了模糊變量的域的選取和變域控制方法。最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；數(shù)字信號(hào)處理器；換相邏輯；模糊控制

O 引言
    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為一種新型的無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)，不僅具有交流電機(jī)的體積小、重量輕、慣量小等特點(diǎn)，而且還有直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，但又沒(méi)有機(jī)械換向器的缺點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)論在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等制造加工領(lǐng)域，還是家用電器如洗衣機(jī)、電腦硬盤(pán)等場(chǎng)合都日益受到重視。以往的無(wú)刷直流電機(jī)多由單片機(jī)附加許多種接口設(shè)備構(gòu)成。不僅復(fù)雜，而且速度也受到限制，難于實(shí)現(xiàn)從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數(shù)字控制，也不方便擴(kuò)展。而應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)伺服系統(tǒng)卻可以只用芯片DSP就可以替代單片機(jī)和各種接口，且由于DSP芯片的快速運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更智能化的算法；可以通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展；可以實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。
    本文介紹使用，TI公司的TMS320IF2407DSP為控制器，組成無(wú)刷直流電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)。首先介紹了元刷直流電機(jī)的原理，然后說(shuō)明軟硬件設(shè)計(jì)方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

1 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理
    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本上是一個(gè)永磁同步電動(dòng)機(jī)，定子三相繞組通過(guò)交流方波，轉(zhuǎn)子為永磁體。勵(lì)磁由轉(zhuǎn)子的永磁體提供，定子的三相繞組中的交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)共同作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。仿照直流電機(jī)特性，如果兩個(gè)磁場(chǎng)始終垂直，則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為最大。由于轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動(dòng)的，其磁場(chǎng)方向也是旋轉(zhuǎn)的，因此必須通過(guò)控制三相定子的通電順序來(lái)改變定子磁場(chǎng)使其與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)基本垂直(即轉(zhuǎn)矩角為90°)。實(shí)際上，定子換相邏輯是使其轉(zhuǎn)矩角的平均值為90°。首先應(yīng)知道目前轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)換相要求確定三相定子的通電順序，這也就是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置傳感器的原因。本實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)子磁極位置由敷貼在定子鐵心表面的霍爾元件來(lái)檢測(cè)。
    電機(jī)采用y型連接，三對(duì)橋式逆變電路驅(qū)動(dòng)，工作在兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式。三個(gè)霍爾元件給出60°電度角位置信息，即它們互差120°脈沖寬度為180°。三個(gè)霍爾元件的組合在一個(gè)周期可給出6個(gè)狀態(tài)(另兩個(gè)狀態(tài)一般不出現(xiàn))，即每60°就變換一個(gè)不同的狀態(tài)。根據(jù)傳感器狀態(tài)信息，結(jié)合換相邏輯控制，使三相定子的PWM逆變器模塊的6個(gè)功率晶體管導(dǎo)通或截止，就可以滿足轉(zhuǎn)矩角要求，使轉(zhuǎn)子持續(xù)獲得穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩。由于任一時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，其電流大小相等，方向相反，因此可以認(rèn)為其效果等同于直流電流。整體上，定子電流為方波，只要按照轉(zhuǎn)子的磁極位置進(jìn)行適時(shí)的換相，就可以保持這種直流驅(qū)動(dòng)的特性，又因?yàn)閾Q向是通過(guò)電子電路或軟件而不是電刷完成，故稱其為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。

2 無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)構(gòu)成
    TI公司的TMS320IF2407是專門(mén)面向運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理器，其上包含了電機(jī)控制應(yīng)用所需要的各個(gè)主要功能模塊。它不僅有16位定點(diǎn)處理器內(nèi)核，更重要的是它將許多電機(jī)控制常用的接口集成到一個(gè)DSP控制器上。如擁有兩個(gè)事件管理器，其中有定時(shí)器和PWM發(fā)生器能驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，編碼器檢測(cè)電路能直接與電機(jī)的編碼器連接；標(biāo)準(zhǔn)的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線可與外界高速通訊；同步與異步串行端口SPI和SCI可與多種標(biāo)準(zhǔn)串行設(shè)備通信；通用雙向I／O通道及AD轉(zhuǎn)換接口直接采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；這些使得用DSP實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單化、模塊化。系統(tǒng)硬件基本上包括一個(gè)以TMS320IF2407為處理核心的DSP板，一個(gè)配套的功率驅(qū)動(dòng)板和PM50電動(dòng)機(jī)。
    本系統(tǒng)利用SCI接口與主PC機(jī)進(jìn)行串行通訊；AD轉(zhuǎn)換接口用于測(cè)量電機(jī)的相電流ia、ib，PWM發(fā)生器用于產(chǎn)生需要的PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)功率模塊上的PWM逆變器；使用通用定時(shí)器產(chǎn)生電流和速度控制的周期；編碼器安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，用于測(cè)量電機(jī)的位置，并經(jīng)過(guò)微分得到電機(jī)速度。[!--empirenews.page--]

    定子電流檢測(cè)是通過(guò)在逆變器的下橋臂上串接電阻進(jìn)行的。將定子電流以0．395 V／A的增益轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓量后，送入DSP的AD接口。此處只需檢測(cè)a、b兩相電流，c相電流可通過(guò)ia+ih+ic=O求得。這種電流檢測(cè)方法比較簡(jiǎn)單，但要求軟件上必須保證在輸出PWM逆變器的命令時(shí)，同時(shí)檢測(cè)PWM逆變器下橋臂的電流，以保證電流檢測(cè)的正確性。
    DSP主程序采用循環(huán)方式不斷調(diào)用數(shù)據(jù)記錄模塊、與主機(jī)串行通訊的監(jiān)視模塊等。在主程序執(zhí)行過(guò)程中，不斷有t1中斷發(fā)生，在中斷服務(wù)程序中處理電流讀取、換算，編碼器讀取、速度換算等。更重要的是要完成電流控制和速度控制環(huán)的計(jì)算。電流控制器和速度控制器采用的都是PI控制，無(wú)刷直流電機(jī)像直流電動(dòng)機(jī)一樣只需要一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，而不像正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)那樣需要兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器。由軟件完成的電壓換相模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)施加于逆變器的相電壓參考值的計(jì)算。實(shí)際上DSP控制器接受三相參考電壓，由6個(gè)全比較PWM輸出逆變器模塊所需要的方波脈沖。在一個(gè)給定位置，只有兩相導(dǎo)通，只需控制逆變器的四個(gè)晶體管。系統(tǒng)存在三個(gè)閉環(huán)路，實(shí)際控制時(shí)，外環(huán)位置和速度控制的周
期為1 ms，而內(nèi)環(huán)電流控制的周期為O．1 ms。這是因?yàn)閮?nèi)環(huán)的電流變化速度快，較短的控制周期可使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減小。

3 模糊控制方法
    位置伺服系統(tǒng)要求快速準(zhǔn)確、無(wú)超調(diào)等，而常規(guī)的PID控制較難滿足上述控制要求。特別是系統(tǒng)中存在的一些非確定性因素如模型的時(shí)變和對(duì)象的非線性，這使得控制器應(yīng)具有較強(qiáng)的魯棒性。而模糊方法不依賴對(duì)象模型，具有較好的適應(yīng)性，可以使用較為復(fù)雜、智能的控制方法。因此這里將模糊邏輯用于位置控制器，而速度和電流控制器仍采用PID控制。此處將位置誤差e和誤差的變化量ec作為位置控制器的輸入，輸出是速度指令值。按照模糊控制理論將輸入和輸出分別劃分為7個(gè)模糊子集即nl(負(fù)大)、nm(負(fù)中)、ns(負(fù)小)、ze(零)、ps(正小)、pm(正中)、pl(正大)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，輸入的隸屬度函數(shù)采用三角函數(shù)，而輸出的隸屬度為單值函數(shù)。
    模糊推理時(shí)，先根據(jù)隸屬函數(shù)形式對(duì)輸入變量模糊化，然后以規(guī)則前件的模糊交運(yùn)算求各規(guī)則的適應(yīng)強(qiáng)度，再根據(jù)規(guī)則后件得輸出量的各子集的模糊化值。由于輸出的隸屬函數(shù)為單值函數(shù)，故反模糊化就是求輸出量模糊子集的重心。這些復(fù)雜計(jì)算都用C語(yǔ)言在PC機(jī)上編寫(xiě)，然后與匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的電流控制、PWM輸出等模塊共同鏈接形成DSP可執(zhí)行文件。最后通過(guò)PC機(jī)串口下載到DSP板上。
    根據(jù)以上原理和控制方法，進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置為永磁同步電機(jī)、功率模塊、DSP板組成。伺服電機(jī)帶500線的編碼器用于提供電機(jī)位置，本系統(tǒng)將其微分后得到速度信息。電機(jī)的基本參數(shù)為：相電阻5．25ω，相電感0．46 mh反電勢(shì)常數(shù)2．62 V／l 000 r·min-1，額定電壓19．1 V，額定電流1．16 A，轉(zhuǎn)子慣量9×10 kg·m2。
    實(shí)際上，模糊控制中，模糊子集的劃分是比較困難的事情。因?yàn)樵谡麄€(gè)控制過(guò)程中，誤差和誤差的變化值都是有一定域的，稱為變量的論域。起始論域?yàn)?-5 000，5 000)，隨著誤差的減小，其可能取值范圍也越來(lái)越小。這時(shí)候若仍然使用原來(lái)的論域進(jìn)行推理，雖然也可以最終達(dá)到誤差趨于零，但一個(gè)較小的誤差在這種情況下，將過(guò)早地進(jìn)入收斂期，有可能帶來(lái)比較大的定位誤差。因此我們?cè)趯?shí)現(xiàn)模糊控制時(shí)，根據(jù)實(shí)際控制進(jìn)程不斷改變變量的論域。

4 結(jié)論
    無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)越性能使它得到了廣泛應(yīng)用，而使用DSP實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)控制則不僅比傳統(tǒng)的模擬電路成本低，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便擴(kuò)展。DSP的快速運(yùn)算能力還可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制算法，可以將速度環(huán)和電流環(huán)都以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，形成全數(shù)字形式的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。本文利用DSP實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)的模糊控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明模糊控制的位置控制器有比PID控制更好的定位精度和快速響應(yīng)能力，尤其是采用變化的論域的模糊算法可得到更優(yōu)的控制性能。