基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

梁永春+王少坤+劉雅麗

摘 要

為提升無刷直流電機(jī)的控制能力，筆者設(shè)計(jì)一個(gè)以數(shù)字信號(hào)處理器（簡(jiǎn)稱DSP）為核心的電機(jī)控制系統(tǒng)。文中先分析無刷直流電機(jī)的原理，基于此設(shè)計(jì)出雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時(shí)從硬、軟件2方面去實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。最后通過MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)予以仿真實(shí)驗(yàn)，得出該控制系統(tǒng)有調(diào)速性好、啟動(dòng)快速穩(wěn)定、控制精度高等諸多優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】DSP 無刷直流電機(jī) 控制 算法 仿真

舊有的無刷直流電機(jī)其控制方式都面臨著運(yùn)算精度小、外圍電路轉(zhuǎn)換率低等不足，如今正在為基于DSP的控制方式替代。DSP控制方式的發(fā)展經(jīng)歷了由小模數(shù)分立元器控制→專用集成控制器→MCU→DSP的演變過程。最近幾年，外國(guó)部分大企業(yè)逐步推出性價(jià)比較高的DSP控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的無刷直流電機(jī)控制盡管起步相對(duì)晚些，但業(yè)已制定無刷直流電機(jī)的國(guó)家規(guī)范。借助DSP的性能，不但可以增強(qiáng)各種算法的控制精度以及穩(wěn)定性，還能拓展無刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍，故而利用DSP控制有較好的發(fā)展前景。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制原理

理想情況下的無刷直流電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)以及電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式分別是式（1）與（2）中所示的：

這里面：N是定子上的繞組數(shù)；r是轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑；i是每相的相電流；B是轉(zhuǎn)子的磁通密度；L是相感抗；ω是角速度；R是相電抗；θ是轉(zhuǎn)子的位置角。從公式可以得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)矩與相電流也成正比關(guān)系，因此可利用改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及電流的辦法去控制電機(jī)。

1.2 系統(tǒng)的控制方法

主控芯片是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，大多采用T1公司生產(chǎn)的TMS320F2812型號(hào)處理器，這種處理器是專門用于電機(jī)的，功能非常強(qiáng)大，能夠?qū)π盘?hào)處理以及計(jì)算方面具有很強(qiáng)的功能。電機(jī)是Y型進(jìn)行連接，對(duì)轉(zhuǎn)子測(cè)試位置是利用霍爾傳感器。其中功率變換器是三相全橋電路，由六個(gè)MOSFET組成，采用PWM控制來調(diào)制逆變器。DSP控制和驅(qū)動(dòng)電路具體如圖1所示。

第一步，DSP參照CAP端所捕到的傳感器信號(hào)而計(jì)算得到實(shí)際轉(zhuǎn)速，把其與給定轉(zhuǎn)速予以對(duì)比從而獲得速度的偏差量，把這個(gè)偏差量借助速度調(diào)節(jié)器獲得電流參考值。第二步，把其與系統(tǒng)反饋的電流值予以對(duì)比得到差值以后借助電流調(diào)節(jié)器得到PWM占空比的控制量，這個(gè)控制量就能夠調(diào)節(jié)MOSFET的導(dǎo)通次序進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓平均值的改變。第三步，就能夠改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速并予以換相，以保證電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)行。為有效保障控制精度因而運(yùn)用雙閉環(huán)控制的方式，其中外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，兩環(huán)都是運(yùn)用PID算法以保障系統(tǒng)沒有靜差。

1.3 對(duì)電流進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)

從系統(tǒng)性價(jià)比以及集成程度來看的話，在電流采樣的時(shí)候，需要對(duì)電壓母線和地間的電阻采樣，這樣就發(fā)現(xiàn)電流經(jīng)過濾波電路走到ADCINOO。電流檢測(cè)的作用多重，既能夠檢測(cè)過流，又能夠反饋電流閉環(huán)時(shí)候的電流量。但是，有些注意事項(xiàng)需要多加注意，不能再電流不穩(wěn)定的時(shí)候進(jìn)行檢測(cè)，這樣影響采樣的精確度，應(yīng)該在中斷比較穩(wěn)定的時(shí)間采樣，這樣就能夠有有效保障其精確度。

1.4 驅(qū)動(dòng)電路

由DSP發(fā)生的PWM波對(duì)于電子開關(guān)器而言并不會(huì)有直接的驅(qū)動(dòng)作用，故而應(yīng)于DSP與電子開關(guān)器間構(gòu)建起驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而把PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為適于電子開關(guān)器運(yùn)行的開關(guān)信號(hào)。系統(tǒng)選用Rectifier出產(chǎn)的適合無刷直流電機(jī)的芯片IR2136。其能只用1路電源去產(chǎn)生6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以使得驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)造變得相對(duì)簡(jiǎn)單一些，還能有效減少制造的成本。

2 對(duì)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)之后，就要考慮系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)了，軟件流程是否合理非常關(guān)鍵，制約著整個(gè)系統(tǒng)的功能，同時(shí)硬件和軟件的共同控制著電機(jī)，發(fā)揮關(guān)鍵作用的程序和模塊分別是主程序以及中斷程序模塊。主程序模塊的作用就是要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中I/O端口以及時(shí)間等軟硬件的初始化功能，另外，在系統(tǒng)軟件的具體設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的程序是能夠捕捉中斷的子程序，轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速都是在中斷處實(shí)現(xiàn)。

3 匯總仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為有效驗(yàn)證系統(tǒng)的性能和PID控制算法的合理性，筆者借助MATLAB搭建起仿真模型。仿真的時(shí)候先將電機(jī)進(jìn)行空載啟動(dòng)，等進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后于t=0.1s的時(shí)刻加入負(fù)載，目的是檢驗(yàn)電機(jī)控制系統(tǒng)有沒有較好的靜動(dòng)態(tài)性。電機(jī)于n=1500r/min的轉(zhuǎn)速時(shí)啟動(dòng)的較為迅速并十分穩(wěn)定，空載的時(shí)候不計(jì)系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)的時(shí)候轉(zhuǎn)矩恒定，而電磁轉(zhuǎn)矩的均值是0。加入負(fù)載之后的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速均產(chǎn)生波動(dòng)，轉(zhuǎn)速突然下降，不過可以很快恢復(fù)平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)時(shí)沒有靜差。結(jié)果表面電機(jī)有較強(qiáng)的自適應(yīng)性能，結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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