基于DSP的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊 瑞 張?jiān)圃?/p>

（集寧師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

1 引言

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是利用電子換向器取代機(jī)械電刷，將電子線路與電機(jī)融為一體，用無(wú)接觸式的轉(zhuǎn)子位置傳感器代替基于接觸導(dǎo)電的電刷.轉(zhuǎn)子為永磁體，通過(guò)控制定子繞組的電流來(lái)進(jìn)一步控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn).已被廣泛應(yīng)用于汽車、軍事、航空航天、家用電器等領(lǐng)域，受到人們的青睞.

2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)是由功率板、DSP控制器、鍵盤顯示板、永磁無(wú)刷直流電機(jī)構(gòu)成.功率驅(qū)動(dòng)板包括功率放大電路、電流檢測(cè)電路、接口電路和電源變換電路等，它可保證驅(qū)動(dòng)板電壓的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù).DSP控制器采用TI公司的TMS320LF2812芯片，它不僅數(shù)字信號(hào)處理能力強(qiáng)，還具有強(qiáng)大的事件管理能力，適用于需要處理大量數(shù)據(jù)的各種測(cè)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信、控制算法和監(jiān)控.鍵盤顯示板通過(guò)串口控制，按下顯示板上的按鈕，向DSP板發(fā)送電機(jī)啟停、轉(zhuǎn)速等控制信號(hào)，控制電機(jī)按照設(shè)定的方式和狀態(tài)運(yùn)行.電機(jī)采用三相Y型全控橋電路，磁極對(duì)數(shù)為3.

3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制任務(wù)，采用模塊化的編程思想，在CCS3.3調(diào)試仿真軟件中使用C語(yǔ)言對(duì)TMS320LF2812進(jìn)行編程.本系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)的復(fù)合控制方式，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，使電流跟隨給定電流而變化，保證起動(dòng)時(shí)電機(jī)能獲得允許的最大電流，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，采用時(shí)不變PI控制.外環(huán)為速度環(huán)，使轉(zhuǎn)速跟隨給定速度變化，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，采用時(shí)變PI控制.控制原理如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)控制原理圖

軟件系統(tǒng)主要包含主程序、中斷子程序、斜坡子程序、PID調(diào)節(jié)子程序、PWM脈寬調(diào)制程序.

3.1 主程序

對(duì)項(xiàng)目整體進(jìn)行了詳細(xì)的需求分析的基礎(chǔ)上，確定了軟件系統(tǒng)的整體流程如圖2所示：

在主程序中首先初始化變量和DSP，電機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)之后，循環(huán)等待定時(shí)器周期中斷和鍵盤輸入并及時(shí)更新顯示.在定時(shí)器中斷處理程序中完成A/D轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)速度的計(jì)算，并進(jìn)行速度和電流的PID調(diào)節(jié).

圖2 軟件系統(tǒng)流程圖

3.2 初始化模塊

設(shè)置系統(tǒng)控制寄存器PLLCR的值為10，HISPCP、LOSPCP的值分別為 0和 2，這樣，在外部晶振為 30MHz的情況下，SYSCLKOUT=30 MHz×10/2=150 MHz，高速、低速外設(shè)時(shí)鐘分別為SYSCLKOT/1和 SYSCLKOUT/4.通過(guò)對(duì) PCLKCR賦值，使事件管理器EV、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、串行通信接口SCI等外設(shè)時(shí)鐘.設(shè)置SCI模塊的通信數(shù)據(jù)格式為波特率9600，數(shù)據(jù)位為8位，無(wú)極性校驗(yàn)，停止位1位，使能SCIA和SCIB的發(fā)送中斷、接收中斷和I/O引腳.初始化事件管理器EVA，設(shè)置中斷類型為定時(shí)器2周期中斷，周期為50us，計(jì)數(shù)模式為連續(xù)增計(jì)數(shù)模式.初始化ADC模塊，設(shè)置ADC的內(nèi)核時(shí)鐘為HSPCLK/12，允許EVA觸發(fā)啟動(dòng)SEQ1,順序采樣，自動(dòng)轉(zhuǎn)換序列中完成的最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)為4，采樣頻率為 20KHZ， 采樣的通道順序?yàn)?0、1、2、3.定義并初始化了用于HALL信號(hào)處理、速度計(jì)算等整型變量，聲明用于PID控制的PIDREG3類型變量，用于換相控制的PWMGEN類型變量，用于電流采集的ADCVALS類型變量，用于緩沖調(diào)節(jié)的RMPCNTL 類 型 變 量 .PIDREG3、PWMGEN、ADCVALS、RMPCNTL等都為頭文件中聲明的結(jié)構(gòu)體類型.

3.3 定時(shí)器中斷子程序（主中斷程序）

當(dāng)定時(shí)器2發(fā)生周期中斷時(shí)，執(zhí)行主中斷程序.定時(shí)器2每發(fā)生一次周期中斷就啟動(dòng)一次ADC進(jìn)行電流采集并將轉(zhuǎn)換結(jié)果累加到靜態(tài)局部變量中，連續(xù)采樣18次，去掉最大值和最小值，最后求16次采樣的平均值，即為當(dāng)前電流值，賦給system.I_DC.

三相Y型繞組全控橋式結(jié)構(gòu)的永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在任意時(shí)刻有兩相繞組導(dǎo)通，第三相繞組處于懸空狀態(tài).功率管有6種觸發(fā)狀態(tài)，每隔1/6周期（1/6圈）換相一次，即HALL信號(hào)每變化一次，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò) 1/6圈.用一個(gè)變量hall_change_time_ave統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)過(guò)1/6圈所用的周期數(shù)，每個(gè)周期的時(shí)間為50us，將微秒轉(zhuǎn)化為秒 ， 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 可 表 示 為 ：（1/6）轉(zhuǎn)/（50*hall_change_time_ave*10-6/60）分 ， 即200000/hall_change_time_ave 轉(zhuǎn)/分.

求出實(shí)際轉(zhuǎn)速和當(dāng)前電流后，調(diào)用速度環(huán)和電流環(huán)程序.電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和速度參考值進(jìn)行速度PID調(diào)節(jié)，得到電流參考值，與當(dāng)前采樣到的實(shí)際電流值一并輸入電流PID調(diào)節(jié)器，輸出調(diào)節(jié)電流，進(jìn)行PWM脈沖調(diào)制，達(dá)到對(duì)電機(jī)速度控制的目的.

3.4 電流環(huán)程序

電流環(huán)采用時(shí)不變PID調(diào)節(jié)，具體采用增量式PID控制算法，可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)和無(wú)靜差調(diào)節(jié).公式為：

u(t)=u(t-1)+△u(t)，其中 kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，e(t)為第t時(shí)刻的偏差信號(hào)，u(t)為第t時(shí)刻的控制量，△u(t)為第t時(shí)刻的控制調(diào)節(jié)增量.電流調(diào)節(jié)參數(shù)賦值如下：

為速度輸出，即電流參考值

為當(dāng)前實(shí)際電流

3.5 速度環(huán)程序

速度調(diào)節(jié)采用時(shí)變PID調(diào)節(jié)，計(jì)算公式如下：Ireft=Ireft-1+kp（e(t)-e(t-1)）+kiTe(t)其中，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，T為速度調(diào)節(jié)周期，值為12.8ms，即255個(gè)PWM周期（每個(gè)PWM周期為50us）.kp和ki的值不是固定的，而是隨e(t)的變化而變化，kp和ki的表達(dá)式如下：

在速度調(diào)節(jié)程序中，使用if條件語(yǔ)句對(duì)e（t）的絕對(duì)值進(jìn)行判斷，進(jìn)而靈活地確定kp和ki的值.

3.6 斜坡程序

通過(guò)顯示板設(shè)定輸出占空比，從而改變輸出電壓的大小，最終改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度.為了避免電壓劇烈的變化引起電機(jī)的振動(dòng)，占空比信號(hào)首先輸入給RMPCNTL模塊，此模塊將產(chǎn)生一個(gè)斜坡函數(shù)，按照一定的延遲率在一定時(shí)間內(nèi)線性加大或減小，逐步達(dá)到輸入，這樣便可以消除輸入突變產(chǎn)生的振動(dòng).

3.7 PWM脈寬調(diào)制程序

通過(guò)改變PWM脈寬達(dá)到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的.此處采用全橋調(diào)制方式，即在任意時(shí)刻，對(duì)功率逆變電路的T1-T6進(jìn)行脈寬調(diào)制.將電流調(diào)節(jié)的輸出pid1_idc.Out作為PWM調(diào)節(jié)的輸入.代碼如下：

PWM脈寬調(diào)制程序代碼如下：

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試，通過(guò)串口SCI將電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出到串口調(diào)試助手中，然后利用EXCEL根據(jù)收集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)繪制了轉(zhuǎn)速變化曲線圖：

圖3 轉(zhuǎn)速=1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速變化曲線圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，采用復(fù)合控制的永磁無(wú)刷直流電機(jī)精密伺服系統(tǒng)響應(yīng)快，運(yùn)行平穩(wěn)，具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性，跟蹤性能優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制下的伺服系統(tǒng)，取得了較為滿意的效果，具有較好的實(shí)用價(jià)值.

圖4 轉(zhuǎn)速=2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速變化曲線圖

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