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