基于CAN總線的無刷直流電動機(jī)模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)

夏加寬 吳 鵬

(沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽110178)

永磁無刷直流電動機(jī)具有交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，且具有直流電動機(jī)良好的調(diào)速性能而無機(jī)械換向器等優(yōu)點(diǎn)在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。故多直流無刷電動機(jī)協(xié)調(diào)控制的分布式系統(tǒng)具有廣闊的前景［1］。

但由于無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)存在不同程度的非線性、時變性、換向效應(yīng)等不確定性，影響了伺服系統(tǒng)的性能［2］。因此，普通PI控制器難以獲得滿意的控制效果，從而限制了無刷直流電動機(jī)的使用。

本文提出一種電流環(huán)采用經(jīng)典PI而速度環(huán)采用模糊自適應(yīng)PID控制方法，并設(shè)計(jì)了以PIC18F458為中央處理器的基于CAN總線技術(shù)的無刷直流電動機(jī)模糊自適應(yīng)控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)通過集中管理與分散控制很好地實(shí)現(xiàn)了多臺直流無刷電動機(jī)間快速協(xié)調(diào)控制，同時也通過模糊控制策略減小跟蹤誤差，提高了系統(tǒng)的魯棒性［3］。

1 電動機(jī)運(yùn)行模式選擇

無刷直流電動機(jī)的電樞繞組分Y繞組和△繞組兩類，換相方式一般也有橋式和半橋式之分。常見的主驅(qū)動類型有:三相半控、三相Y連接全控、三相△連接全控。其中三相半控電路的特點(diǎn)是簡單，但電動機(jī)本體的利用率很低，而且在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩波動較大;而三相△形連接全控電路在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用又較少。故一般采用三相Y連接全控模式，其又分兩兩導(dǎo)通模式和三三導(dǎo)通模式。

三三導(dǎo)通模式繞組利用率高，各相繞組在每一時刻都有電流通過，正向和反向電流各1/2時間，轉(zhuǎn)矩波動較大，繞組利用率高于兩兩導(dǎo)通模式;但合成電磁轉(zhuǎn)矩比兩兩導(dǎo)通模式小，且易出現(xiàn)橋臂短路危險(xiǎn)。

經(jīng)綜合評定確定電動機(jī)運(yùn)行于三相Y連接全控模式的“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”，如圖1。

2 控制策略與控制方法選擇

根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，選擇恰當(dāng)?shù)目刂品桨浮１鞠到y(tǒng)所采用的模糊自適應(yīng)PID控制算法的轉(zhuǎn)速PWM控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由模糊控制和參數(shù)可調(diào)PID系統(tǒng)兩部分構(gòu)成［3，4］。這樣，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化或有不確定性的干擾時就能夠迅速做出有效的判斷，并予以克服。其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 控制器硬件實(shí)現(xiàn)

在根據(jù)控制結(jié)構(gòu)與控制方法選擇主控制芯片，并根據(jù)實(shí)際要求將控制系統(tǒng)劃分為12個單元，分別為:PIC控制器單元;按鍵與顯示控制單元;CAN總線通訊單元;電流檢測單元;電壓檢測單元;報(bào)警單元;邏輯換相與保護(hù)單元;驅(qū)動電路;逆變電路;泄放單元;轉(zhuǎn)子位置檢測單元;BLDCM調(diào)速系統(tǒng)本體單元。下面就其主要單元硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要描述。

3.1 CAN總線通訊單元

與其它總線相比，CAN總線具有成本低，開發(fā)應(yīng)用方便的優(yōu)點(diǎn)，易于采用現(xiàn)有的開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)。它主要被廣泛應(yīng)用在抗干擾和實(shí)時通訊能力要求較高的小型網(wǎng)絡(luò)。基于CAN總線的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用其作為上位機(jī)與下位機(jī)的通信方式。

系統(tǒng)采用MCP2551芯片，其為高性能CAN總線收發(fā)器。電路如圖3所示。

3.2 副電源上電檢測單元(圖4)

此部分的作用是檢測控制電路是否上電正常。如果+15 V，+12 V，-12 V全部供電正常，PIC的RA4端口為高電平，表明主電路可以上電;否則，系統(tǒng)顯示副電源供電不正常，主電路不上電。

3.3 主電路控制單元(圖5)

此部分的作用是在副電源供電正常時，PIC的引腳RC0輸出1，主電路通過繼電器上電。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，RC0輸出0，關(guān)斷主電路。

3.4 AD轉(zhuǎn)換單元(圖6)

此部分中，TL431用來產(chǎn)生AD轉(zhuǎn)換的參考電壓4.5 V，其中R33的選取是關(guān)鍵。R34的作用是完成速度給定及 Kp、Ki、Kd的初始設(shè)定。

3.5 電流檢測單元(圖7)

此部分對母線電流進(jìn)行實(shí)時檢測，通過TL082對采樣電阻R36的電壓進(jìn)行放大后，再由R28與C9進(jìn)行濾波。然后一路進(jìn)入PIC的RA0引腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換;另一路經(jīng)過LM393與參考電壓進(jìn)行比較后將信號送給PIC的RB4引腳，同時并將此信號送給外部硬件電路用作過電流保護(hù)。

3.6 電壓檢測單元(圖8)

此部分通過R24對母線電壓進(jìn)行采用，并通過由TL082構(gòu)成的跟隨器將信號送給PIC的RA1進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，進(jìn)而判斷電壓情況，作為泄放、保護(hù)與調(diào)速的依據(jù)。

3.7 泄放單元(圖9)

系統(tǒng)通過此部分完成對主電路電容電荷的泄放任務(wù)。在系統(tǒng)正常工作期間，當(dāng)電源電壓高于一定值時或系統(tǒng)因故障或正常停機(jī)時，通過功率電阻R77泄放電容電荷。

3.8 邏輯換相及保護(hù)與驅(qū)動單元(圖10)

系統(tǒng)在此部分完成邏輯換相、互鎖、過流保護(hù)與驅(qū)動任務(wù)。由于IR2110采用自舉原理，所以C41、C42、C44的取值大小要根據(jù)實(shí)際通過實(shí)驗(yàn)確定，這里選用0.47μF;系統(tǒng)采用上半橋PWM。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

主要程序流程圖如圖11所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

電動機(jī)主要參數(shù)如下:額定功率PN=22 kW，磁極對數(shù)p=25，定子相繞組電阻為R=0.347Ω，電感為L=0.03 H，額定轉(zhuǎn)速為nref=180 r/min，轉(zhuǎn)動慣量為 J=5.63665 kgm2。

實(shí)驗(yàn)中對BLDCM調(diào)速系統(tǒng)分別采用傳統(tǒng)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制。系統(tǒng)空載起動進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t=2.0 s時突加800 N·m的負(fù)載。為了直觀地反映速度，實(shí)驗(yàn)中安裝了直流測速發(fā)電動機(jī)ZCF361，其主要參數(shù)如表1。傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和模糊自適應(yīng)PID控制的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖12、13所示。

對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，使用模糊自適應(yīng)PID控制，系統(tǒng)無超調(diào)，能很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài);并且在突加負(fù)載時，使用模糊自適應(yīng)PID控制，轉(zhuǎn)速能夠很快地恢復(fù)到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。結(jié)果表明應(yīng)用模糊自適應(yīng)PID的控制系統(tǒng)具有更好的魯棒性。

6 結(jié)語

針對無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能的要求，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的無刷直流電動機(jī)模糊控制器。并通過實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)通過集中管理與分散控制很好地實(shí)現(xiàn)了多臺直流無刷電動機(jī)間快速協(xié)調(diào)控制的同時，模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)提高了系統(tǒng)的魯棒性，收到了滿意的控制效果。

表1 直流測速發(fā)電動機(jī)ZCF361主要參數(shù)

1 孫文煥等.多電動機(jī)協(xié)調(diào)控制的發(fā)展［J］.電氣傳動，2008(6)

2 王成元，夏加寬，楊俊友等.電動機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工程出版社，2006.

3 紀(jì)志成，沈艷霞，薛花.無刷直流電動機(jī)自適應(yīng)模糊控制的研究［J］.中國電動機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(5):104～109

4 周勇，張占生，黃文才等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID控制器應(yīng)用于螺桿泵井過程控制［J］.石油儀器，2004，18(3).5 ～8