基于DSP的无刷直流电动机的模糊控制系统研究

摘要：介绍一种数字信号处理器(DSP)控制的无刷直流电机控制系统。利用TMS320IF2407的运动控制接口形成单片DSP控制的电机系统。采用霍尔元件检测转子磁极位置，形成电子换相逻辑。由pi进行速度和电流控制，用模糊逻辑进行位置控制，文中讨论了模糊变量的域的选取和变域控制方法。最后给出了实验结果和结论。
关键词：无刷直流电动机；数字信号处理器；换相逻辑；模糊控制

O 引言
    无刷直流电动机作为一种新型的无级变速电动机，不仅具有交流电机的体积小、重量轻、惯量小等特点，而且还有直流电动机优良的调速性能，但又没有机械换向器的缺点，因此得到了广泛的应用。无论在数控机床、机器人等制造加工领域，还是家用电器如洗衣机、电脑硬盘等场合都日益受到重视。以往的无刷直流电机多由单片机附加许多种接口设备构成。不仅复杂，而且速度也受到限制，难于实现从位置环到速度、电流环的全数字控制，也不方便扩展。而应用数字信号处理器(DSP)实现的电机伺服系统却可以只用芯片DSP就可以替代单片机和各种接口，且由于DSP芯片的快速运算能力，可以实现更复杂、更智能化的算法；可以通过高速网络接口进行系统升级和扩展；可以实现位置、速度和电流环的全数字化控制。
    本文介绍使用，TI公司的TMS320IF2407DSP为控制器，组成无刷直流电机的伺服控制系统。首先介绍了元刷直流电机的原理，然后说明软硬件设计方法，最后给出了实验结论。

1 无刷直流电机的工作原理
    无刷直流电动机基本上是一个永磁同步电动机，定子三相绕组通过交流方波，转子为永磁体。励磁由转子的永磁体提供，定子的三相绕组中的交流电产生旋转磁场。电枢磁势和转子磁势共同作用产生电磁转矩。仿照直流电机特性，如果两个磁场始终垂直，则产生的电磁转矩为最大。由于转子是转动的，其磁场方向也是旋转的，因此必须通过控制三相定子的通电顺序来改变定子磁场使其与转子磁场基本垂直(即转矩角为90°)。实际上，定子换相逻辑是使其转矩角的平均值为90°。首先应知道目前转子的位置，再根据换相要求确定三相定子的通电顺序，这也就是无刷直流电动机需要转子位置传感器的原因。本实验中转子磁极位置由敷贴在定子铁心表面的霍尔元件来检测。
    电机采用y型连接，三对桥式逆变电路驱动，工作在两相导通三相六状态方式。三个霍尔元件给出60°电度角位置信息，即它们互差120°脉冲宽度为180°。三个霍尔元件的组合在一个周期可给出6个状态(另两个状态一般不出现)，即每60°就变换一个不同的状态。根据传感器状态信息，结合换相逻辑控制，使三相定子的PWM逆变器模块的6个功率晶体管导通或截止，就可以满足转矩角要求，使转子持续获得稳定电磁转矩。由于任一时刻只有两相导通，其电流大小相等，方向相反，因此可以认为其效果等同于直流电流。整体上，定子电流为方波，只要按照转子的磁极位置进行适时的换相，就可以保持这种直流驱动的特性，又因为换向是通过电子电路或软件而不是电刷完成，故称其为无刷直流电动机。

2 无刷直流电机实验控制系统构成
    TI公司的TMS320IF2407是专门面向运动控制应用的数字信号处理器，其上包含了电机控制应用所需要的各个主要功能模块。它不仅有16位定点处理器内核，更重要的是它将许多电机控制常用的接口集成到一个DSP控制器上。如拥有两个事件管理器，其中有定时器和PWM发生器能驱动两台电机，编码器检测电路能直接与电机的编码器连接；标准的CAN现场总线可与外界高速通讯；同步与异步串行端口SPI和SCI可与多种标准串行设备通信；通用双向I／O通道及AD转换接口直接采集现场数据；这些使得用DSP实现的电机控制系统简单化、模块化。系统硬件基本上包括一个以TMS320IF2407为处理核心的DSP板，一个配套的功率驱动板和PM50电动机。
    本系统利用SCI接口与主PC机进行串行通讯；AD转换接口用于测量电机的相电流ia、ib，PWM发生器用于产生需要的PWM信号以驱动功率模块上的PWM逆变器；使用通用定时器产生电流和速度控制的周期；编码器安装在电机转子上，用于测量电机的位置，并经过微分得到电机速度。[!--empirenews.page--]

    定子电流检测是通过在逆变器的下桥臂上串接电阻进行的。将定子电流以0．395 V／A的增益转换成对应的电压量后，送入DSP的AD接口。此处只需检测a、b两相电流，c相电流可通过ia+ih+ic=O求得。这种电流检测方法比较简单，但要求软件上必须保证在输出PWM逆变器的命令时，同时检测PWM逆变器下桥臂的电流，以保证电流检测的正确性。
    DSP主程序采用循环方式不断调用数据记录模块、与主机串行通讯的监视模块等。在主程序执行过程中，不断有t1中断发生，在中断服务程序中处理电流读取、换算，编码器读取、速度换算等。更重要的是要完成电流控制和速度控制环的计算。电流控制器和速度控制器采用的都是PI控制，无刷直流电机像直流电动机一样只需要一个电流调节器，而不像正弦波永磁同步电动机那样需要两个电流调节器。由软件完成的电压换相模块实现对施加于逆变器的相电压参考值的计算。实际上DSP控制器接受三相参考电压，由6个全比较PWM输出逆变器模块所需要的方波脉冲。在一个给定位置，只有两相导通，只需控制逆变器的四个晶体管。系统存在三个闭环路，实际控制时，外环位置和速度控制的周
期为1 ms，而内环电流控制的周期为O．1 ms。这是因为内环的电流变化速度快，较短的控制周期可使转矩波动减小。

3 模糊控制方法
    位置伺服系统要求快速准确、无超调等，而常规的PID控制较难满足上述控制要求。特别是系统中存在的一些非确定性因素如模型的时变和对象的非线性，这使得控制器应具有较强的鲁棒性。而模糊方法不依赖对象模型，具有较好的适应性，可以使用较为复杂、智能的控制方法。因此这里将模糊逻辑用于位置控制器，而速度和电流控制器仍采用PID控制。此处将位置误差e和误差的变化量ec作为位置控制器的输入，输出是速度指令值。按照模糊控制理论将输入和输出分别划分为7个模糊子集即nl(负大)、nm(负中)、ns(负小)、ze(零)、ps(正小)、pm(正中)、pl(正大)。为简单起见，输入的隶属度函数采用三角函数，而输出的隶属度为单值函数。
    模糊推理时，先根据隶属函数形式对输入变量模糊化，然后以规则前件的模糊交运算求各规则的适应强度，再根据规则后件得输出量的各子集的模糊化值。由于输出的隶属函数为单值函数，故反模糊化就是求输出量模糊子集的重心。这些复杂计算都用C语言在PC机上编写，然后与汇编语言实现的电流控制、PWM输出等模块共同链接形成DSP可执行文件。最后通过PC机串口下载到DSP板上。
    根据以上原理和控制方法，进行实际实验。实验装置为永磁同步电机、功率模块、DSP板组成。伺服电机带500线的编码器用于提供电机位置，本系统将其微分后得到速度信息。电机的基本参数为：相电阻5．25ω，相电感0．46 mh反电势常数2．62 V／l 000 r·min-1，额定电压19．1 V，额定电流1．16 A，转子惯量9×10 kg·m2。
    实际上，模糊控制中，模糊子集的划分是比较困难的事情。因为在整个控制过程中，误差和误差的变化值都是有一定域的，称为变量的论域。起始论域为(-5 000，5 000)，随着误差的减小，其可能取值范围也越来越小。这时候若仍然使用原来的论域进行推理，虽然也可以最终达到误差趋于零，但一个较小的误差在这种情况下，将过早地进入收敛期，有可能带来比较大的定位误差。因此我们在实现模糊控制时，根据实际控制进程不断改变变量的论域。

4 结论
    无刷直流电机的优越性能使它得到了广泛应用，而使用DSP实现无刷直流电机控制则不仅比传统的模拟电路成本低，而且结构简单，方便扩展。DSP的快速运算能力还可以实现更复杂的控制算法，可以将速度环和电流环都以数字方式实现，形成全数字形式的无刷直流电机控制系统。本文利用DSP实现了无刷直流电机的模糊控制。通过实验说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响应能力，尤其是采用变化的论域的模糊算法可得到更优的控制性能。