DSP在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)用

黃　斌

(中船重工750試驗(yàn)場(chǎng)，云南昆明650010)

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DSP在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)用

黃斌

(中船重工750試驗(yàn)場(chǎng)，云南昆明650010)

摘要介紹了基于DSP在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中有位置控制的設(shè)計(jì)原理和過(guò)程，針對(duì)在無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速中PID算法存在的問(wèn)題，采用了非線性變速積分PID算法，成功地應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，控制技術(shù)采用了PWM控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電機(jī)起動(dòng)快、穩(wěn)定，具有較寬的調(diào)速范圍，可靠性高，應(yīng)用前景非常廣泛。

關(guān)鍵詞無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；PWM；PID算法；DSP

0引言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)利用電子換向器取代了電刷和機(jī)械換向器，因此它不僅保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，而且具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及[1]。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,單片機(jī)的性能得以不斷提高,基于TMS320F2812的DSP的控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)三相繞組直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制的智能化控制,并具有成本低、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。

1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制方案

1.1　控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

在系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)中，根據(jù)功能將系統(tǒng)分為驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路、DSP主控電路、顯示控制電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和無(wú)刷直流電機(jī)七個(gè)模塊，如圖1所示[3]。

圖1　系統(tǒng)總體方案框圖

系統(tǒng)的核心是DSP主控電路模塊，該模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)的波形，與顯示模塊進(jìn)行通信，處理由電流檢測(cè)模塊和轉(zhuǎn)子測(cè)速模塊反饋信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，DSP送出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路送到逆變電路，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目的；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的作用是把霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)反饋給DSP計(jì)算轉(zhuǎn)子的位置，電流檢測(cè)電路是對(duì)電流采樣，用于電流環(huán)控制回路。

1.2　控制機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)采用電流環(huán)和速度環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)。

圖2　無(wú)刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中，轉(zhuǎn)速環(huán)的作用是對(duì)轉(zhuǎn)速抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差，其輸出的限幅值決定允許的最大電流。電流環(huán)的作用是電流跟隨，過(guò)流保護(hù)，及時(shí)抑制電壓擾動(dòng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的順序是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)取決于穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)校正的要求。具體對(duì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，先設(shè)計(jì)電流環(huán)，然后把整個(gè)電流調(diào)節(jié)環(huán)當(dāng)做轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。

2控制策略

2.1　PID算法的選擇

控制策略好壞的選擇直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的性能。對(duì)于任何控制系統(tǒng)而言，都要求做到穩(wěn)、準(zhǔn)、快。穩(wěn)是最根本的要求；準(zhǔn)是穩(wěn)態(tài)要求(穩(wěn)態(tài)誤差要小)；快是動(dòng)態(tài)要求(超調(diào)量要小，調(diào)節(jié)時(shí)間要短)。無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)多變量，強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。隨著對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)要求的提高，傳統(tǒng)的PID控制很難得到令人滿意的結(jié)果。本文針對(duì)傳統(tǒng)的PID而言，采用非線性變速PID算法。

變速積分PID是：改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差速度相對(duì)應(yīng)；偏差越大，積分越慢，反之越快。為此，可以取非線性函數(shù)f[e(k)]。

(1)

這時(shí)PID算法可以改進(jìn)為

KD[e(k)-e(k-1)]

(2)

f的值在0~1之間變化，當(dāng)偏差大于A+B時(shí)，證明此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入飽和區(qū)，這是f=0，不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加；|e(k)|≤A+B，f隨偏差的減小而增大，累加速度加快，直至偏差小于B后，累加速度達(dá)到最大值1。這種算法對(duì)A，B兩參數(shù)的要求不精確，當(dāng)A，B兩參數(shù)的要求不夠精確。當(dāng)A，B值選的越大，變速積分對(duì)飽和抑制作用越弱，反之越強(qiáng)。變速積分用比例作用消除了大偏差，用積分作用消除了小偏差，大部分情況下可消除積分飽和現(xiàn)象，同時(shí)大大減小了超調(diào)量，容易使系統(tǒng)穩(wěn)定，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，但對(duì)于|e(k)|在大范圍突然變化時(shí)產(chǎn)生的積分飽和現(xiàn)象仍不能很好消除，這時(shí)可采用非線性變積分的PID。

圖3　非線性變速積分PID算法程序框圖

2.2　控制芯片的選用

控制芯片采用TI公司的TMS320F2812芯片，所實(shí)現(xiàn)的軟件包括電機(jī)狀態(tài)值的采用與計(jì)算、控制算法的實(shí)施以及PWM信號(hào)的輸出，此外還包括故障檢測(cè)與保護(hù)、數(shù)據(jù)交換與通信功等。

綜合考慮本系統(tǒng)對(duì)控制芯片的要求和控制芯片自身的性能特點(diǎn)，選擇DSP芯片TMS320F2812作為無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制芯片。

2.3　控制方法

對(duì)于星行連接的三相無(wú)刷直流電機(jī)，在理想情況下，任何時(shí)刻只有兩相定子繞組導(dǎo)電。令加在兩相通電繞組上的平均電壓為Vd，則電壓平衡方程式

Vd=2Em+ImR=2keφmn+ImR

(3)

(4)

式中，Em—各相反電動(dòng)勢(shì)；Im—各相相電流；n—無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速；R—回路等效電阻，包括電機(jī)兩相電阻。由式(4)可知，無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)改變外施平均電壓Vd來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

改變電樞電壓是直流調(diào)速的主要方法，本系統(tǒng)采用PWN(脈寬調(diào)制)調(diào)速方法，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的PWM觸發(fā)信號(hào)的占空比來(lái)改變外施的平均電壓Vd，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速方法。

在一般情況下，采用單極性PWM控制的電流波動(dòng)最大值只有采用雙極性PWM控制的電流波動(dòng)最大值的一半，因此為了減小電流脈動(dòng)和功率管的開(kāi)關(guān)損耗，本電機(jī)控制系統(tǒng)采用單極性的PWM控制技術(shù)[5]。

3控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求根據(jù)獲得的電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值，以及從傳感器信號(hào)測(cè)得的電機(jī)時(shí)實(shí)轉(zhuǎn)速，用非線性變積分方法PID算法計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制量，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值[6]。根據(jù)轉(zhuǎn)速的控制量和電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，依照控制算法算出PWM的占空比，更新定時(shí)器的設(shè)定值，從而形成PWM信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂栖浖譃橹鞒绦蚝椭袛喾?wù)子程序兩大部分。其中主程序包括初始化子程序、啟動(dòng)子程序等，中斷服務(wù)子程序主要有捕獲中斷子程序、換向子程序、A/D中斷子程序、功率保護(hù)中斷、雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)子程序等具體見(jiàn)圖4、圖5、圖6。

圖4　主程序框圖

圖5　電機(jī)起動(dòng)子程序框圖

圖6　捕獲中斷子程序

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)磁粉制動(dòng)器對(duì)電機(jī)進(jìn)行加載，可以得到調(diào)整負(fù)載時(shí)的速度波形和負(fù)載波形見(jiàn)圖7、圖8。

圖7　調(diào)整負(fù)載時(shí)電機(jī)的速度波形

圖8　調(diào)整負(fù)載時(shí)電機(jī)的負(fù)載波形

從轉(zhuǎn)矩波動(dòng)圖可得到，系統(tǒng)不受負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響，在給定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行并伴有小幅度的振動(dòng)。由上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的速度響應(yīng)性能，實(shí)驗(yàn)表明電機(jī)在起動(dòng)和調(diào)速過(guò)程正常，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程正常。

本文針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)，采用C語(yǔ)言完成了控制算法的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了控制算法的先進(jìn)性和電機(jī)控制的可行性。

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Application of DSP to Control System of BLDC Motor

HuangBin

(CSIC 750 Proving Ground, Kunming 650010, China)

AbstractThis paper introduces the design principle and procedure of DSP in position control of brushless DC motor control system. For the problem of PID algorithm in speed regulation of brushless DC motor, the nonlinear variable-speed integration PID algorithm is selected and successfully applied in design, and PWM control technology is used in control system. The experimental results show that the system has the advantages of simple control structure, fast and stable motor start, wide speed adjustment range and high reliability. The application prospect of the system is very broad.

Key wordsBrushless DC motor;PWM;PID algorithm;DSP

收稿日期：2015-09-28

作者簡(jiǎn)介：黃斌男1986年生；畢業(yè)于重慶大學(xué)車(chē)輛工程專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)技術(shù)工作.

中圖分類號(hào)：TM301.2；TM33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2015)06-0014-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.05