隨順科，孫長江，王 雁

（中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

無刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，使用了電子換相原理的無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等眾多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域。無刷直流電機(jī)控制器則經(jīng)歷了從分立元件的模擬電路，專用集成電路到全數(shù)字化控制電路的發(fā)展過程。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，采用以數(shù)字信號(hào)處理器為核心的控制技術(shù)，運(yùn)用智能控制理論為代表的控制策略，將實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)數(shù)字化、智能化控制。

1 總體硬件設(shè)計(jì)

1.1 無刷直流電機(jī)的組成

無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，它主要由電機(jī)本體、位置傳感器和電子換相器三部分組成。電機(jī)本體由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子由呈弧形的永磁鋼按照一定的極對(duì)數(shù)組成，定子繞組一般分成三相且多使用整距集中式繞組，磁極下定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，氣隙磁通密度呈梯形分布。位置傳感器安裝在定子線圈的相應(yīng)位置上，在直流無刷電機(jī)中起著檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的作用。電子換相

圖1 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

器主要由功率開關(guān)和位置信號(hào)處理電路組成，用來控制定子各繞組通電的順序和時(shí)間。

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

基于DSP的無刷直流電機(jī)總體硬件構(gòu)成如圖2所示，主要由DSP及外圍電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路及反饋檢測(cè)電路等構(gòu)成。DSP主控電路以TMS320LF2407A為控制核心，它是TI公司推出的一款功能較為齊全的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。能夠完成對(duì)各種信號(hào)的處理和系統(tǒng)的閉環(huán)控制，并且利用SCI接口實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)的通訊。整個(gè)控制系統(tǒng)的工作原理如下：在電機(jī)以一定方式啟動(dòng)后采用PWM方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中輸入交流經(jīng)過整流電路形成直流，穩(wěn)壓后向逆變電路提供直流電源。而給定的轉(zhuǎn)速則由DSP的I/O口輸入，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。位置信號(hào)用于控制換相，由位置參數(shù)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，與給定轉(zhuǎn)速比較，修正偏差產(chǎn)生的電流參考量與電流反饋量作比較，這樣就可以通過調(diào)節(jié)脈沖寬度改變控制功率管的開關(guān)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的控制。

下面針對(duì)DSP外圍電路中的PWM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。主電路中逆變器采用的是集成了驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路的智能功率模塊IPM，使得DSP和IPM的驅(qū)動(dòng)電路和接口變得簡(jiǎn)單。DSP芯片的PWM輸出電平為3.3V，由于受到驅(qū)動(dòng)能力的限制，所以選用6緩沖驅(qū)動(dòng)芯片74LS07，然后直接驅(qū)動(dòng)光耦組成IPM驅(qū)動(dòng)隔離電路。圖3為PWM輸出框圖。

圖3 PWM輸出框圖

功率驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，以完成對(duì)MOSFET或IGBT的驅(qū)動(dòng)。本文選取三相橋式驅(qū)動(dòng)器IR2130，它可以在低于600V的電路中工作，且具有欠壓保護(hù)和過流保護(hù)等功能。

直流電源電壓過高或過低都可能影響電機(jī)的正常工作。電壓過高會(huì)損壞功率器件和電機(jī)本體。而電源電壓過低會(huì)引起電流增大使開關(guān)損耗增加。為保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了欠壓、過壓保護(hù)電路。圖4為過壓保護(hù)電路，直流電源電壓經(jīng)分壓電路輸入到比較器的同相輸入端，比較器的反相輸入端接固定的電壓閥值。將電壓值與設(shè)定的閥值作比較，電壓正常時(shí)，比較器輸出低電平。當(dāng)電壓過高時(shí)，比較器輸出高電平。此時(shí)控制器立刻停止電機(jī)運(yùn)行，保護(hù)系統(tǒng)安全。同樣可以調(diào)整分壓阻值，將該電路設(shè)計(jì)為欠壓保護(hù)電路。

圖4 過壓保護(hù)電路圖

檢測(cè)電路包括電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)，下面主要對(duì)電流檢測(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中電流檢測(cè)主要用于電機(jī)定子電流反饋調(diào)節(jié)。圖5為電流檢測(cè)電路。通過檢測(cè)電阻兩端的電壓降，檢測(cè)出電阻兩端的電壓，然后就可以得出流過電阻的電流。

圖5 檢測(cè)電流電路圖

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的功能就是控制設(shè)計(jì)好的硬件電路，使其能夠按照預(yù)定的流程，進(jìn)行工作。為了能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境，本文引入遺傳優(yōu)化的模糊PID控制算法，使調(diào)節(jié)過程具有自適應(yīng)、自組織等智能特性。速度環(huán)使用遺傳優(yōu)化的模糊PID控制，給定速度與速度反饋形成偏差 ，相鄰采樣周期之差形成偏差變化率 ，利用偏差和偏差變化率查詢控制規(guī)則表，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制調(diào)節(jié)。

圖6為控制系統(tǒng)總體流程圖。系統(tǒng)得電后，DSP存儲(chǔ)單元和部分寄存器先初始化，等到電壓穩(wěn)定時(shí)等候電機(jī)啟動(dòng)指令的輸入。當(dāng)有啟動(dòng)指令時(shí)則進(jìn)行啟動(dòng)初始化，然后設(shè)置預(yù)定位步長和發(fā)送功率電路控制脈沖，當(dāng)預(yù)定位子程序結(jié)束時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子恰好處于一個(gè)確定位置，隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到一定值，這樣通過反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)就可以檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置，這樣根據(jù)檢測(cè)的速度和位置信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速。有保護(hù)中斷信號(hào)或停止信號(hào)時(shí)，電機(jī)關(guān)斷主電路，停止運(yùn)行。

圖6 控制系統(tǒng)總體流程圖

轉(zhuǎn)速控制子程序流程如圖7所示，這個(gè)過程中需要量化檢測(cè)到的偏差e(k)和偏差變化Δe(k)，控制規(guī)則表事先根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出了一個(gè)初始規(guī)則表，為了能夠控制的更加精準(zhǔn)，本文又引入了遺傳算法對(duì)規(guī)則表進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。

2.2 仿真驗(yàn)證

本文利用Matlab建立了控制系統(tǒng)仿真模型。圖8為遺傳模糊PID控制下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，在遺傳模糊PID控制下，系統(tǒng)在很短時(shí)間進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，在t=0.6秒時(shí)加負(fù)載，轉(zhuǎn)速發(fā)生突降，但很快又恢復(fù)到平衡狀態(tài)。

3 結(jié)束語

由于DSP芯片具有運(yùn)算快、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，使用DSP芯片控制無刷直流電機(jī)，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)了系統(tǒng)控制的快速性和靈活性。引入遺傳模糊PID控制算法，使控制器能夠自適應(yīng)的根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

圖7 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速子程序流程圖

圖8 遺傳模糊PID控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

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