基于增量式PID算法的無刷直流電機PWM調速研究

吳 強，韓震宇，李 程

（四川大學，四川 成都 610065）

0 引言

無刷直流電機除了具有直流電機優秀的線性機械特性、大啟動力矩、寬調速范圍、簡單的控制電路外，由于它利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，所以它又具有交流電機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點[1-3]。所以，無刷直流電機廣泛用于家電、汽車、數控機床、機器人、固定升降平臺等領域。本系統利用TMS320LF2407FA芯片產生的PWM波信號通過IR2136驅動芯片來控制開關管的導通順序和開關通斷時間比來控制電機的轉向和速度，通過霍爾傳感器測量電機電樞兩端的電流，通過電機位置傳感器輸出的位置信號計算轉速，然后根據PID算法計算占空比來實現對電機速度的控制，有效的提高了系統的運動精度，保證了電機轉動的快速響應性和運動平穩性。

1 增量式PID算法原理

數字PID算法的基本原理就是利用偏差來計算系統的輸出量，實現不斷糾偏的過程，使系統最終趨于穩定。數字PID控制分為位置式PID控制和增量式PID控制。由于位置式PID采用全量輸出，輸出的是執行機構的實際位置，每次輸出均與過去狀態有關，計算時要對偏差進行累加，工作計算量大，并且，一旦數據處理計算芯片出現問題，將會使輸出大幅波動，從而造成執行機構大幅波動，很有可能引起巨大的事故。而增量式PID每次只輸出控制量的增量，所以在一些安全性和穩定性要求較高的場合使用增量式PID算法較好。所以本系統采用增量式PID算法。增量PID算法公式[4]如下所示：

式（1）中：Kp為比例系數；積分系數KI=

由于現在許多實際應用系統都要求位置式輸出，而位置式輸出可由上次位置式輸出加本次增量輸出計算得到。所以由增量式控制算法來計算位置式輸出的公式為：

式（2）中，UK-1為第K-1次的全量輸出，ΔUK為第K次的增量輸出。

2 基于DSPTMS320LF2407FA芯片調速控制

PWM波調速控制是一種脈寬調制技術，無刷直流電流電機轉速控制是通過改變電機電樞兩端的電壓來實現的[5]。本系統通過設置TMS320LF2407A的通用定時器1為連續增/減計數模式、計算值為250來控制PWM波的周期，通過PID算法計算占空比值保存在通用定時器的比較寄存器T1CMP中，當通用定時器1的計數值大于比較寄存器的值時，使T1PWM引腳輸出高電平，通過驅動電路，使響應的開關管導通，從而實現對電機電樞電壓的控制。原理如圖1。

圖1 PWM波調速

根據PID控制原理，要對電機轉速進行控制，就必須獲得電機的實際轉速。本系統是通過電機的位置傳感器檢測電機的換向信號來計算轉速的[6]。要捕獲電機的位置信號，可通過DSP的捕捉口CAP1～CAP3，通過檢測該口的狀態來獲取是那個傳感器發出的上升沿或下降沿信號。由于采用的電機每個機械轉有6次換相，電機每轉60度就有一個換向信號，所以可以通過測量兩次換相間的時間間隔Δt來計算電機的轉速。計算公式為ω=60°/Δt。

3 系統硬件電路設計

系統硬件電路設計主要包括控制芯片TMS320LF2407A、驅動芯片IR2136外圍電路設計，電源模塊電路設計，電平轉換模塊電路設計。由于所用的開關電源為5 V，但是控制芯片TMS320LF2407A所用的電源為3.3 V，IR2136芯片為15 V供電，所以采用TPS7333實現5 V到3.3 V的電源轉換，用TPS65130實現5 V到15 V的電源轉換。而TMS320LF2407A的外圍器件的驅動電源有3.3 V供電，也有5 V供電，所以必須在TMS320LF2407A與外圍器件間做3.3～5 V和5～3.3 V的電平轉換，所以選用74LVC4245芯片實現3.3～5 V電平轉換，用74CBTD338實現5～3.3 V電平轉換。同時，還須對驅動板強電信號和控制板弱電信號進行隔離，避免強電信號對控制板的影響，選用的芯片是HCPL-063。基本原理框圖如圖2。

圖2 基本原理框圖

4 系統軟件設計

本系統選用的開發軟件為CCS2.0版本，軟件質量的高低對整個系統性能起決定性作用。為了提高系統的控制精度，抵消測量誤差、外部干擾、電機本身制造誤差等的影響，在軟件上，采用多次測量祛除粗大誤差，再求其平均值的辦法來抵消測量誤差和大的干擾值，采用軟件補償的辦法來抵消電機三相電阻的不均勻性。程序中采用的電流調節周期和速度調節周期分別為1ms和3 ms。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

5 實驗結果

本系統控制對象為BM14182XF-500W48V型號永磁無刷直流電機，圖4為電機在給定轉速為100 r/min條件下的響應曲線，由曲線可知，采用增量式PID算法和PWM波脈寬調制技術對電機進行閉環控制使電機轉速上升快、超調小、運行穩定。

圖4 電機轉速響應曲線

6 結束語

基于增量式的PID控制算法既具有算法簡單、易編程的優點，又具有控制可靠、控制成本低、控制精度較高的特點。因此，PID算法在電機調速控制系統中獲得廣泛的應用。同時，本系統也通過實際的硬件電路設計和軟件編程實驗有效的證明了PID算法在電機調速控制中的優點。

［1］劉和平.DSP原理及電機控制應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［2］鐘德剛，方浩.兩相無槽無刷直流電機的無位置傳感器控制［J］.機 電 工 程 ， 2011 （12）：1502-1505.

［3］范前峰，傅惠南，徐宇.基于單片機平穩運行的無刷直流電機無傳感器控制系統設計［J］.機電工程技術，2012（7）：16-19.

［4］王曉明.電動機的單片機控制［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［5］孫立志.PWM與數字化電動機控制技術應用［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［6］韓學軍，侯建勛，張根元.基于DSP的無刷直流電機速度控制系統［J］.現代電子技術，2008，31（5）：121-123.