基于DSP的无传感器无刷直流电动机控制系统的设计

摘 要：随着对无刷直流电机（BLDCM）调速系统的调速精度和鲁棒性的要求越来越高，智能控制方法开始得到普遍的关注。本文以TMS320F2812A DSP为核心，采用线电压差转子位置检测法，并将单神经元自适应PID智能控制算法运用于电流环和速度环控制，设计了无位置传感器的无刷直流电动机的DSP控制系统。

关键词：无刷直流电机； 线电压差； 人工神经网络； DSP芯片； 仿真建模

中图分类号：TM331 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2015）05-181-003

1.引言

近些年来，随着永磁材料，微电子技术，自动控制技术，电力电子技术，大功率半导体器件的快速发展，无刷直流电机得到迅速发展，它是利用电子换相技术代替直流电动机电刷换相的机电一体化产品，无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、起动转矩大、调速范围广、无励磁损耗、调速性能好等特点，因此在当今国民经济的各个领域（如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面）中应用日益广泛。

随着直流电动机的不断发展，性能的不断提高，需要配合更先进的控制算法来构成高性能的控制系统。同时，传统的控制器已经无法满足这种对控制精度日益提高的要求，而智能控制理论近年来发展迅速，这些理论的共同特点是无需对象精确的数学模型，并具有较强的鲁棒性，所以许多学者都将智能控制方法（如专家系统、模糊控制、人工神经网络控制等）引入了电动机控制系统。

2.控制系统原理图及设计思想

本文的主要任务是基于TMS320F2812数字信号处理器（DSP），设计单神经元自适应PID智能控制下的无位置传感器的无刷直流电机的控制系统。其控制系统原理图如图1.1所示

图1.1无刷电机控制系统原理图

无刷电动机转子位置的检测是一个关键问题。其一般是通过检测定子绕组的反电势过零点来实现的。本文采用的线电压差法是新近提出的间接检测绕组反电势过零点的方法，可以准确有效地解决无传感器电机的转子位置检测问题，而且实现了宽速度范围的位置闭环控制。

在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对电动机转速的稳定提出较严格的要求。当电动机的调速性能要求较高时，必须采用闭坏调速系统。具体实现是通过调节电动机的电流占空比（PWM）的方法来达到改变相电流的目的，相应地改变了转矩的大小。由以上分析，可以确定控制方案如图1.2所示。

图1.2 刷直流电动机控制系统框图

作为构成神经网络基本单元的单神经元，具有自学习和自适应能力，而且结构简单，易于计算。而传统的PID控制器也具有结构简单、调整方便和控制策略直观等特点。将这两者有机的结合起来，就形成了单神经元自适应PID控制器，从而可在一定程度上克服传统PID控制器不易实现在线实时调整参数、难以对一些复杂过程和时变系统进行有效控制的不足。单神经元自适应PID控制系统的结构如图1.3所示。

图1.3单神经元自适应PID控制系统结构图

3.系统仿真

为了从理论上验证本文采用的智能算法控制下的无位置传感器的无刷直流电动机控制系统中的可行性和有效性，并给实际系统的实验结果作一个必要的参考，因此需要建立一个强大的仿真平台和一个直观、有效的仿真模型。

本文以无刷直流电机的电气原理图为基础，调用SIMULINK库模块和利用S函数，构建无刷直流电机仿真模型，并给出了仿真的实验结果。

在MATLAB7.9的SIMULINK环境下，采用双闭环的控制策略建立了系统模型，外环（转速环）由智能PID控制器构成，内环（电流环）由电流滞环调节器构成。整个系统的仿真框图如图1.4所示，采用模块化的方法，通过对多个相对独立的功能子模块进行连接，完成了该无刷电机系统的搭建。该模型与整体分析的仿真模型相比，不但提高了系统模型的可移植性，而且可以方便的对电机的相电流、反电动势、电磁转矩和转速进行动态分析。本文所研究的无刷直流电机仿真模型主要由电机本体模块、速度控制模块、电流控制模块、PWM发生模块和逆变器模块组成。

图1.4 无刷直流电机方框图

4.仿真与分析

仿真用的电机参数根据实际所用三相无刷直流电机确定功率为94W，反电势常数为8V/1000rpm，额定电压24V，额定电流为3.5A，最大转速n=3000rpm。

图1.5给定为3000rpm的PID控制速度响应曲线对比图

在系统参数不变的情况下，速度环控制器分别采用常规PID，单神经元自适应PID控制器进行了仿真。仿真条件先设定为：给定转速3000 rpm，系统空载起动，在0.05秒时突加负载转矩=0.06Nm。此条件下两种算法的速度响应曲线如图1.5所示。从中可以发现：前者的上升时间为1.9ms，超调量为2%；后者的上升时间为2.1ms，超调量只有0.6%，仅为前者的1/3。系统以较少的增加上升时间的代价换取了超调量的明显改观。由此表明，智能PID算法的调速性能和鲁棒性都大大优于常规的PID算法。

5.控制系统硬件设计

主控电路采用TI公司的TMS320F2812 DSP作为核心芯片，端电压及速度控制信号均由该芯片进行A/D转换后在片内进行处理，产生驱动直流无刷电动机的六路PWM控制信号，完成对系统的控制，并为软件提供运行平台。整个系统硬件部分包括以下几个部分： 功率驱动电路、DSP控制电路、隔离电路、电源电路、转子位置检测电路和电机本体。

本系统硬件为低频电路，虽不像高频系统那样易受干扰，但为了保证控制系统工作时的稳定性和可靠性，在系统设计时仍应充分考虑到系统工作时的各种干扰情况，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。

图1.6 IR2130驱动芯片与逆变电路的接线图

图1.7 DSP与电机控制板连接框图

图1.8 HCPL-061A光耦合器接线示意图

图1.9 简单的电平转换电源电路

图1.10线电压差法转子位置检测电路

6.控制系统软件设计

整个控制系统的软件开发是在TI公司的CCS（code composer studio 2000）软件集成开发环境中完成。程序设计尽量做到程序结构清晰、功能完善、程序模块化，应具有较好的维护性和较高的执行效率。整个系统程序采用C语言编写。系统的软件设计主要包含以下六个部分：即初始化子程序、启动子程序、更新比较值或换相子程序、AD中断服务子程序、电流环控制子程序和转速环控制子程序。其中初始化子程序、启动子程序和更新比较值或换相子程序均是在main主程序中调用。main主程序流程图如图1.11所示。

图1.11 main主程序流程图

7.系统的实验结果及分析

整个实验系统实物包括稳压电源（24V）、DSP开发板、驱动板、电机。调试工具包括开发板配套的USB仿真器、PC、14pin JTAG连线等。测试工具包括RIGOL DS1104B型数字示波器、fluke 15B数字万用表。

程序调试成功之后，用PC上的CCS软件将生成的out文件通过JTAG口下载到开发板上的程序存储器中，就可以运行了。考虑到试验系统的安全和电源条件的限制等问题，实验时供电电压选择为24V。

图1.12 无刷电动机的整体试验样机图

图1.13单神经元自适应PID在实际运行时的转速响应与在仿真时的转速响应曲线对比图

图1.14仿真波形与实验波形比较

图1.13（a）是给定速度为3000rpm时，单神经元自适应PID算法控制下的实际的转速响应曲线，采样周期为1ms；图1.13（b）为调整了采样周期后的同一算法的仿真曲线。因为所绘制的是1秒种内的响应波形，时间轴较长，所以两条曲线几乎没有差别，都显示出了极好的控制性能。图1.14给出了单神经元自适应PID在实际运行时的转速响应和仿真时的转速响应的比较图。可以看到，实验波形的上升时间约为7.5ms，超调量为1%，经过一次振荡后即进入稳态（这里所说的稳态是指系统响应在调节时间之后的稳定状态），由图1.14可知，稳态误差小于1%，稳态时有较多的尖峰出现；仿真波形的上升时间约为4ms，超调量为0.7%。以上结果反映出的系统实际调速性能比仿真时的性能稍差，但是根据仿真的总体情况和电机的性能来看，实际的响应结果也达到了预期的调速性能。而且考虑到仿真所用的无刷直流电机模型忽略了电机内部的一些难以描述的非线性物理效应，考虑到电子开关电路中功率管的开关特性、电机实际运行时的摩擦等情况，实验结果还是与仿真结果相符的。

由实验结果可以看出，由于采用了单神经元PID控制算法，系统的端电压波形比较理想，所设计的控制系统使三相无刷直流电动机能够快速起动和精确调速，较好地实现了无刷电机的高性能控制，同时也表明了基于DSP的无刷直流电机高性能调速系统可以在保证系统实时性的前提下实现较复杂的智能控制算法。

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