基于C#的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

阮　波, 陳永軍

(長(zhǎng)江大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 荊州　434023)

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基于C#的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

阮波, 陳永軍

(長(zhǎng)江大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 荊州434023)

介紹了基于C#的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖和無刷直流電機(jī)無霍爾傳感器控制的流程圖以及上位機(jī)通信接口的協(xié)議。針對(duì)PI控制參數(shù)難以整定的難題,設(shè)計(jì)了上位機(jī)速度監(jiān)控程序,能直觀地對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,能選擇適合在不同的轉(zhuǎn)速下最佳的PI調(diào)節(jié)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高精度速度控制,為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

無刷直流電機(jī);PI控制; 穩(wěn)態(tài)誤差

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的理論知識(shí),必須研制和開發(fā)一套基于微控制器、電力電子以及監(jiān)控軟件的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDC)[1]不僅克服了傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向帶來的一系列缺點(diǎn),而且保留了傳統(tǒng)的直流電機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能,在工業(yè)上獲得了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)在參數(shù)選擇上由于難以獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù),很難確定出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)最穩(wěn)定的控制參數(shù),實(shí)驗(yàn)教學(xué)迫切需要一套可以實(shí)時(shí)觀測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控軟件。

本文基于無刷直流電機(jī)工作在無霍爾傳感器的狀態(tài)下,通過反電勢(shì)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)換向；在反電勢(shì)檢測(cè)方面使用擇多函數(shù)檢測(cè)信號(hào)的過零點(diǎn),克服硬件比較器檢測(cè)過零點(diǎn)帶來的相移。控制算法設(shè)計(jì)中,為了克服電機(jī)控制系統(tǒng)在PI調(diào)節(jié)方面控制對(duì)象不直觀、參數(shù)難以整定,設(shè)計(jì)了一套基于C#上位機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng),可選擇一組最好的控制系數(shù)讓電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)以滿足在對(duì)工業(yè)上對(duì)轉(zhuǎn)速要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)所。

1　無刷直流電機(jī)的控制原理

本系統(tǒng)所選擇的的無刷直流電機(jī)采用三相電壓源型逆變器供電[2-4],電機(jī)的定子繞組采用星型接法,主電路見圖1。

圖1　主電路圖

電機(jī)的反電勢(shì)為梯形波、電流為方波。為了使無刷直流電機(jī)在單位電流內(nèi)能夠輸出最大的轉(zhuǎn)矩,每相繞組電流必須與該相反電勢(shì)保持一致的相位。因此一個(gè)電周期內(nèi)換相6次,每60°電角度換相1次。無刷直流電動(dòng)機(jī)斷開繞組的過零點(diǎn)領(lǐng)先該相繞組換相信號(hào)30°。圖2為理想條件下的反電勢(shì)波形和控制換相信號(hào)關(guān)系圖。

圖2　反電勢(shì)波形和控制換相信號(hào)關(guān)系圖

假設(shè)無刷直流電機(jī)三相繞組對(duì)稱,忽略齒槽效應(yīng)和磁路飽和,不計(jì)渦流和磁滯損耗,不考慮電樞反應(yīng),可以得到電機(jī)三相繞組的端電壓方程如下：

(1)

其中，Ux表示各相相電壓、Ix表示各相相電流、R為各相的等效電阻、L為各相定子繞組的等效電感、Un表示電機(jī)電樞繞組中心點(diǎn)電壓,ex為反電動(dòng)勢(shì)。

假設(shè)此時(shí)開關(guān)管T1和T6導(dǎo)通,這時(shí)C相沒有電流流過，即IC=0,可以建立C相電壓Uc與反電勢(shì)ec的關(guān)系如下式:

(2)

不難得到該相反電勢(shì)電壓等于相電壓減去定子繞組中心點(diǎn)電壓。由于電機(jī)的中心點(diǎn)沒有引出來，需要建立中心點(diǎn)電壓與相電壓的關(guān)系。將式(1)相加得

Ua+Ub+Uc=ea+eb+ec+3Un

(3)

由于A相和B相流過的電流方向相反,所以產(chǎn)生的反電勢(shì)大小相等方向相反,可以得到中心點(diǎn)電壓與相電壓的關(guān)系如式(4)所示：

(4)

可見通過比較各相相電壓與三相相電壓的平均值可以得到換向信號(hào)[5-6]。

2　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括高性能數(shù)字信號(hào)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)主電路、MAX232通信接口電路,反電勢(shì)檢測(cè)電路等4大核心硬件。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3　電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)控制器采用Microchip公司的dsPIC33FJ32MC204芯片[3],是一款工業(yè)應(yīng)用型的高性能數(shù)字信號(hào)控制器,它采用改進(jìn)的哈佛架構(gòu),優(yōu)化的C編譯器指令集,具有DSP的雙數(shù)據(jù)取操作特性,以及16x16位單周期硬件小數(shù)/整數(shù)乘法器；具有24位寬指令總線和16位寬數(shù)據(jù)總線,最高32KB的片上閃存程序空間、2KB的片上數(shù)據(jù)RAM、運(yùn)行速度最高為30MIPS；具有10 位、12位AD轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到500ks/s。

與其他方案相比,采用dsPIC33FJ32MC204進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅能夠達(dá)到較高的控制精度,并且高度集成了控制系統(tǒng)的外圍設(shè)備,這樣在很大程度上簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)的兼容能力和穩(wěn)定性,具有低成本、低功耗、高處理速度等諸多特點(diǎn)。

2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)主電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇了全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主電路,驅(qū)動(dòng)電路見圖4。MOSFET屬于電壓控制型器件，其輸入阻抗高,需要的靜態(tài)功率非常小。在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中特別是在高頻時(shí)候,驅(qū)動(dòng)電路必須能夠?qū)ζ浼纳娙菅杆俚爻浞烹?所以對(duì)其驅(qū)動(dòng)信號(hào)在上升沿和下降沿提出了較苛刻的要求。并且為了MOSFET保證有效的開通,需要驅(qū)動(dòng)電壓高于開啟電壓[7]。

圖4　驅(qū)動(dòng)電路圖

考慮到以上要求,本控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路采用的5kHz的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)由微控制器產(chǎn)生,控制器產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)過鎖存器74HC573隔離后,由IR公司驅(qū)動(dòng)芯片IR2181去驅(qū)動(dòng)MOSFET的門極該芯片兼容3.3V和5V輸入,最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到1.4A。為了防止IR2181引起MOSFET門極電壓振蕩,在驅(qū)動(dòng)芯片與門極之間串聯(lián)一個(gè)27Ω的電阻。

2.2反電勢(shì)檢測(cè)電路

反電勢(shì)檢測(cè)電路見圖5,該電路實(shí)際上為一個(gè)純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)一個(gè)0.1μF的電容。純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)確?？刂破鰽D端口所輸入的采樣的電壓滿足量程需要,電容起濾波作用。端電壓經(jīng)過處理后直接

圖5　反電勢(shì)檢測(cè)電路圖

連接到微控制器的ADC檢測(cè)模塊通道,經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到電壓信號(hào)[8]。

2.3控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖6給出了無刷直流電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖,該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由軟件監(jiān)控系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)以及控制對(duì)象電機(jī)構(gòu)成。監(jiān)控軟件基于C#開發(fā),控制系統(tǒng)基于dsPIC電機(jī)控制專用芯片。

3　BLDC控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件程序主要由初始化模塊程序、主函數(shù)模塊程序和中斷服務(wù)函數(shù)程序組成,各功能模塊軟件流程框圖見圖7。其中初始化模塊主要負(fù)責(zé)各功能

模塊的初始化和控制變量的初始化設(shè)置,主函數(shù)具有電機(jī)的啟動(dòng)與停止功能。

圖6　控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

ADC中斷服務(wù)函數(shù)完成三相信號(hào)反電勢(shì)的采集并根據(jù)式(4)計(jì)算出電機(jī)中心點(diǎn)電壓并與各相電壓比較。PWM中斷服務(wù)函數(shù)利用則多函數(shù)檢測(cè)反電勢(shì)[4],若為真則計(jì)算30°電角度時(shí)間啟動(dòng)定時(shí)器1進(jìn)行換向,若沒有檢測(cè)到反電勢(shì)、電機(jī)的啟動(dòng)序列被激活則進(jìn)行相同換向1024次搜尋檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置[9]。

串口接受函數(shù)根據(jù)應(yīng)用層定義的幀結(jié)構(gòu)接受數(shù)據(jù)并解析改變下位機(jī)變量DesiredSpeed的值,根據(jù)接受到的DesiredSpeed值來改變積分常數(shù)的值。串口發(fā)送數(shù)據(jù)有定時(shí)器2來控制,在定時(shí)器2初始化的時(shí)候?qū)⑵涠〞r(shí)器的值設(shè)置為200ms,由定時(shí)器2中斷服務(wù)函數(shù)將發(fā)送數(shù)據(jù)幀發(fā)送給PC機(jī)[10]。

4　上位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)使用了微軟公司的C#編程語(yǔ)言,結(jié)合VisualStudio2010的窗體界面的設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

上位機(jī)設(shè)計(jì)軟件有4個(gè)部分組成，即串口參數(shù)選擇、電機(jī)控制、PI控制[6]和電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線顯示。串口參數(shù)的選擇主要是設(shè)置當(dāng)前串口的波特率、端口名稱、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。電機(jī)控制模塊通過Button控件來控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止、通過trackBar控件來給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且通過textBox控件顯示當(dāng)前的給定轉(zhuǎn)速和單片機(jī)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速。PI控制模塊主要是顯示后臺(tái)計(jì)算出來的穩(wěn)態(tài)誤差,通過穩(wěn)態(tài)誤差來調(diào)節(jié)積分常數(shù)。電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示模塊主要利用NETFramework4.0中所提供的二維圖像處理功能(簡(jiǎn)稱GDI)顯示當(dāng)前給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速直觀的波形。

2.3.1 理論考核。以出科考核方式（選擇題與病案分析題）對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，主要考察以下幾個(gè)方面：對(duì)急性心肌梗死這一嚴(yán)重胸痛疾病的理論知識(shí)的掌握，如病理學(xué)分析、診斷及鑒別診斷、治療；實(shí)踐患者的病史采集、體格檢查、疾病診斷及鑒別診斷、治療方案。結(jié)合帶教老師對(duì)學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)的評(píng)定，在成績(jī)中予以一定的比例（20%）。即總成績(jī)=理論成績(jī)（80%）+平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)（20%）。規(guī)定“優(yōu)秀”≥85分，“良好”≥75分，“及格”≥60分，“不及格”＜60分。

4.1監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議

監(jiān)控軟件在物理層本系統(tǒng)使用的是雙工通信接口MAX232串行通信協(xié)議。

在應(yīng)用層接收數(shù)據(jù)的協(xié)議見表1,PC接受第1個(gè)字節(jié)是起始幀為0xff,考慮到數(shù)據(jù)幀里面不能出現(xiàn)與起始幀相同的數(shù)據(jù),在下位機(jī)控制程序中由于研究的轉(zhuǎn)速在1 000～3 000r/min,所以高八位是不會(huì)出現(xiàn)起始幀數(shù)據(jù)0xff。在低八位中下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)前進(jìn)行判斷,若結(jié)果等于0xff則將其變成0xfe,反之就直接發(fā)送。

表1　接收數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)見表2,發(fā)送數(shù)據(jù)幀第1位起始幀使用0Xff后面3位為數(shù)據(jù)幀,分別是控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止、電機(jī)轉(zhuǎn)速的給定值?？紤]到起始幀數(shù)據(jù),在拖動(dòng)控件trackBar控件后觸發(fā)事件來發(fā)送數(shù)據(jù),在發(fā)送數(shù)據(jù)之前進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)低八位數(shù)據(jù)是為0xFF則將其變?yōu)?xFE以確保通信系統(tǒng)的有效性。

表2　發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

說明：0x99表示電機(jī)的啟動(dòng),0x55表示電機(jī)的停止，正常情況下為0x00。

4.2監(jiān)控系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)

考慮到電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速情況下所需要的比例常數(shù)(P)和積分常數(shù)(I)不同。故系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候根據(jù)上位機(jī)轉(zhuǎn)速分析曲線調(diào)試出在不同給定轉(zhuǎn)速情況下,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的最佳控制參數(shù)見表3。當(dāng)通過控件trackBar來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)候,下位機(jī)串口接受中斷服務(wù)函數(shù)接受到一幀完整數(shù)據(jù)后根據(jù)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速的給定值對(duì)應(yīng)表3來調(diào)節(jié)PI控制器比例和積分常數(shù)[11-12]。

表3　BLDC在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間最佳P、I參數(shù)

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8為在無霍爾模式下電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為1 870r/min時(shí)的換向信號(hào)與反電勢(shì)關(guān)系的波形圖。圖9為在當(dāng)前給定轉(zhuǎn)速情況下主電路產(chǎn)生的反電勢(shì)波形圖與經(jīng)過分壓、濾波處理后所輸出的波形圖。

圖8　換相信號(hào)(上)和反電勢(shì)(下)波形圖

圖9　反電勢(shì)(下)及經(jīng)過分壓、濾波處理后的波形(上)圖

圖10是通過上位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)當(dāng)前電機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)速度與給定轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系圖,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)在給定轉(zhuǎn)速突變的情況下,實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速的上升時(shí)間較短、超調(diào)較小、穩(wěn)態(tài)誤差較小。圖11是PC通過trackBar控件連續(xù)改變電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)的追蹤性能測(cè)試圖,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)的追蹤性能很好，并且當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.001%。

6　結(jié)論

本文介紹了BLDC無霍爾的工作模式的工作原理,考慮到無刷直流電動(dòng)機(jī)的PI控制算法中參數(shù)難以調(diào)節(jié),基于C#開發(fā)軟件設(shè)計(jì)了一套上位機(jī)軟件,方便對(duì)電機(jī)在不同的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下選擇最佳的PI調(diào)節(jié)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差小于1%,可以滿足電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求比較高的場(chǎng)合。

圖10　實(shí)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖

圖11　測(cè)量系統(tǒng)的追蹤性能

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DevelopmentofcomprehensiveexperimentalplatformforBLDCMcontrolsystembasedonC#

RuanBo,ChenYongjun

(CollegeofElectronicsandInformation,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,China)

ThispaperproposesthedevelopmentofcomprehensiveexperimentalplatformforBLDCMcontrolsystembasedonC#,whichgivesthehardwareblockdiagramofthecontrolsystemandacontrolflowchartofBLDCMwithoutHallcontrol,andprotocolsofPCcommunicationinterface.AccordingtothatthePIparameterisdifficulttotuning,thisarticledevelopsthemonitoringprogram,whichcangivespeedforresearchersmonitoringreal-timelycombiningwiththevelocitydisplaybyPCeasilyandintuitively,whichcanchoosethebestPIadjustmentparametersunderdifferentspeeds.Experimentalresultsshowthatthedesignedparametersadjustmentsystemcanreducethesteady-stateerror,andalsoitissuitableforhighprecisionmotorcontrol,meanwhile,aninnovativeexperimentalplatformisgivenforstudents.

BLDCM;PIcontrol;steady-stateerror

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.026

2015- 10- 12

湖北省教育廳教學(xué)研究項(xiàng)目(2014261)

阮波(1990—)，男，湖北仙桃，碩士研究生，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置

陳永軍(1972—)，男，吉林白城，博士，教授，長(zhǎng)江大學(xué)國(guó)家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心常務(wù)副主任，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理.

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1002-4956(2016)5- 0099- 06