基于DSP的无刷直流电动机的模糊控制系统方案

　　0 引言

　　一种用电子换向的小功率直流电动机。又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。

　　无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

　　无刷直流电动机不仅有体积小、重量轻、惯量小等特点，而且还有优良的调速性能，但没有机械换向器的缺点，因此得到了广泛的应用，在以往无刷直流电动机上采用DSP的方案可以大幅度提升无刷直流电动机的性能。

　　本文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

　　它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。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，这也就是它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，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。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。

　　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。

　　3 模糊控制方法

　　位置伺服系统要求快速准确、无超调等，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。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、nm、ns、ze、ps、pm、pl。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。

　　模糊子集的划分是相当困难的，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

　　无刷直流电机使用DSP不仅可以降低成本，并且结构简单，方便升级。与PID控制比较，采用模糊控制可以取得更优越的控制性能。