基于DSP无刷直流电动机控制系统的研究

摘要：采用DSPTMS320F2812来控制永磁无刷直流电动机，并且对整个控制系统原理进行了介绍与说明。通过上位机(PC机)来对电流、转速进行数值设置，DSP作为下位机来接受参数并且实时进行检测，根据模糊PID控制算法对数据进行调整和处理，达到实时的处理效果，并且上位机采用VC++进行编程，友好的人机界面，操作方便简单。整个控制系统性能高，而且易于控制算法的实现。
关键词：DSP；TMS320F2812；无刷直流电动机；模糊PID；模糊控制器

    随着现代电力电子技术的发展，出现了许多高性能功率器件以及新型高性能稀土永磁材料，这些都为无刷直流电机的应用奠定了基础。现今，无刷直流电动机应用的领域非常广泛，如多电飞机燃油系统、多电飞机刹车系统、医疗器械、家用电器等方面的应用，在航空航天等国防工业中也具有越来越广泛的应用。数字信号处理技术DSP及其硬件芯片微处理器技术迅猛发展，它不仅能实现高精度、高可靠性而且能够简化系统结构，增加了系统功能，具有控制灵活，智能水平高，参数易改等特点，所以DSP无刷直流电动机的控制系统运用前景广泛，实用性高。

1 系统原理及构成
    无刷直流电动机系统的原理：无刷直流电动机的电磁转矩与电流近似呈线性关系，即改变电流的大小就可改变电磁转矩的大小；电机的转速与反电势为正比关系，由电机反电势和外加电压的平衡关系可以得出，电机转速的改变可以通过调节外加电压来实现，所以只要改变逆变器的占空比就可实现。图1为无刷直流电动机调速系统原理图。

    整个控制系统采用分布式控制，上位机为PC机用来输入和显示速度及电流的设定值，并且实现数据的保存及系统的错误报警，采用VC++程序进行界面设计和编写。下位机采用DSP TMS320F2812，该芯片产生输出PWM信号输入IPM模块，该模块包括三相桥式逆变电路和电流反馈电路，从而驱动电机转动，同时DSP接收电流的反馈信号，与电流设定值进行比较。位置传感器检测电机转子位置，输入到DSP中，并且根据计数器测得电机的转速，构成速度反馈。

2 模糊PID控制
    无刷直流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因而单一的运用PID控制算法不能够得到较为精确的控制结果。而模糊控制是依赖于人的经验进行控制，不需要建立被控对象的精确数学模型，针对非线性和时变的系统具有较好的控制能力。在无刷直流电动机控制系统中把模糊控制和PID相结合，不仅可以得到较快的响应速度和参数变化的鲁棒性，而且可以对系统实现较高精度的控制。 [p]
    本设计中运用的模糊PID控制器包括两个组成部分：PID控制器和模糊控制器。DSP中断过程中采样获取被控制量的瞬时值与所给的参考值相比较，两者之差e即为偏差信号。偏差较大(|e|≥η)时，采用模糊控制；偏差较小(|e|<η)时，采用数字增量式PID控制。这种控制方式既可以利用达到较好的稳态精度，又可以利用模糊控制得到响应的快速性和相应较好的鲁棒性。模糊-PID控制关键是开关阈值η的设定。为了使系统达到最佳效果，开关阈值η可选择经验值，并对其进行在线调整。图3为模糊PID控制器的逻辑关系图。

2．1 模糊控制器的设计
    选择电流偏差E和偏差变化率EC的模糊集合为：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，论域为：{-6，-4，-2，0，2，4，6}；在一些不确定的状态下可以在线整定模糊控制状态表。表1为控制规则表。

    各个变量的隶属函数都选用的是灵敏度较高的三角函数，这样可以更加确保模糊控制器有着较高的灵敏度。
2．2 PID控制算法的设计
    在小误差(|e|<η)的动态范围内，采取数字增量式PID控制。在工业控制过程中，PID控制可以得到相对满意的控制效果。PID控制算式为：
   
    公式(1)中：u(t)为调节器的输入信号；e(t)为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。
    对公式(1)进行离散化，得到
   
    公式(2)中：u(k)为第k时刻的控制输出。
    e(k)——第k次采样时刻输入的偏差值；
    Kp——比例系数；
    TI——积分时间常数；
    TD——微分时间常数；
    T——采样周期。
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3 系统软件设计
    电路中采用DSPTMS320F2812来控制有位置传感器无刷直流电动机的调速控制系统。系统CPU时钟频率采用20 MHz，并且应用PWM频率为20 kHz。通过定时器至周期匹配事件启动ADC转换，使每个PWM周期都对电流进行一次采样，并在A／D转换中断处理程序中对电流进行调节，来控制PWM输出。转子每转过600机械角就触发一次捕捉中断，进行换相操作和速度计算。图4为控制流程图。

    在电流的检测中可以使用旁路电阻来检测相电流。将该电阻放于三相全控功率变换电路的下端功率桥臂与地之间；电阻值的大小可以根据需要而定，一般应该使它可以起到一个功率变换电路的过电流保护作用。电阻上的电压首先经过放大，再送于TMS320F2812上的A／D转换通道，得到合适的电流信号。在A／D转换结束的时候，向CPU发出一个中断请求信号，等待CPU对该电流信号的处理。根据电流误差，选择采用PID控制器还是模糊控制器，从而实现对PWM脉冲的占空比调节。
    上位机即PC机，编程软件可以采用VC++。通过程序的编写可以实现人机友好界面，方便操作人员的使用并且能保证系统高效稳定运行。上位机可实现：
    1)电动机速度的显示；
    2)电流、速度值的输入；
    3)实时、动态、直观的显示各参数的变化。
    4)可以显示报警画面：当系统出现故障时，工作人员可以通过画面直观的看到报警信号的工号、报警类型、报警时间和当前值，点击报警项就会切换到报警工号对应的操作界面，工作人员可进行相应的修改，当修改结束后报警可以通过复位键进行复位。
    5)历史报告画面：可以查询操作人员的操作记录和操作的详细时间，包括系统的启停、各参数修改前和修改后的值等。
    6)数据的保存与打印。

4 结论
    本文采用DSP TMS320F2812为核心处理器，并且控制算法上采用模糊PID控制算法来实现电动机速度的调节，实现了对电动机运行的精确控制。在整体控制上采用分布式控制，更加方便了用户对电动机的控制，也使得电动机得以精确运行。