摘要：本文首先設(shè)計(jì)了基于DSP的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其次，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的全數(shù)字雙閉環(huán)調(diào)速控制;最后，針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)存在的各種誤差，提出將先進(jìn)的模糊控制策略和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合的方法，可以使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度都得到進(jìn)一步的提高，并利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行了仿真。 1 引言 　　隨著計(jì)算機(jī)，微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。傳統(tǒng)的模擬控制方法已逐漸被以微控制器為核心的數(shù)字控制方法所取代。本文介紹的就是基于DSP的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的模糊控制仿真研究。 2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)中利用DSP實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的全數(shù)字雙閉環(huán)控制。給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。電流的反饋是通過檢測(cè)電阻R上的壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)的。速度反饋則是通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過計(jì)算得到的，同時(shí)位置傳感器輸出的位置量還用于換相控制。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。 　　在本系統(tǒng)中，控制器是其核心部件，它不僅要完成外部信號(hào)的處理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的給定，更重要的是完成整個(gè)系統(tǒng)的控制策略。本系統(tǒng)以TMS320LF2407A器件為控制核心，充分利用TMS320LF2407A的高速信號(hào)處理能力和電機(jī)控制優(yōu)化的外圍電路，具有控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)且成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可以為高性能傳動(dòng)控制提供可靠高效的信號(hào)處理與硬件控制。基于DSP的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。 3 全數(shù)字雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 　　如圖3是用 TMS320LF2407A DSP 實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)電路。其中，三個(gè)位置間隔 120 度分布的霍爾傳感器 H1、H2、H3 經(jīng)整形隔離電路后分別與 TMS320LF2407A 的三個(gè)捕捉引腳 CAP1、CAP2、CAP3 相連，通過產(chǎn)生捕捉中斷來(lái)給出換相時(shí)刻，同時(shí)給出位置信息。 [align=center] 圖3 DSP控制和驅(qū)動(dòng)電路[/align] 　　由于電動(dòng)機(jī)每次只有兩相通電，其中一相正向通電，另一相反向通電，形成一個(gè)回路，因此每次只須控制一個(gè)電流。用電阻R作為電流傳感器，將其安放在電源對(duì)地端，就可方便地實(shí)現(xiàn)電流反饋。電流反饋輸出經(jīng)濾波放大電路連接到TMS320 LF2407A的ADC輸入端ADCIN00，在每一個(gè)PWM周期都對(duì)電流進(jìn)行一次采樣，對(duì)速度（PWM占空比）進(jìn)行控制。 　　TMS320LF2407A通過PWM1～PWM6引腳經(jīng)一個(gè)反相驅(qū)動(dòng)電路分別連接到V1～V6等六個(gè)開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)定頻PWM和換相控制。 　　3.1 電流檢測(cè) 　　電流傳感器是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要元件。它的精度和動(dòng)態(tài)性能直接影響著系統(tǒng)的低速性能和快速性。電流檢測(cè)的方法有電阻檢測(cè)，光禍檢測(cè)等，本系統(tǒng)采用磁平衡原理實(shí)現(xiàn)的霍爾元件檢測(cè)電流的方法。所用器件為霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)補(bǔ)償式電流傳感器。它是國(guó)際上推薦為電力電子線路中的關(guān)鍵電流檢測(cè)器件。它把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路的思想集成一體。具有測(cè)量、反饋、保護(hù)三重功能。 　　它實(shí)際上是有源電流互感器，它的優(yōu)點(diǎn)是“磁場(chǎng)補(bǔ)償”，被測(cè)量的原邊磁場(chǎng)同測(cè)量繞組里的測(cè)量磁勢(shì)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償為零，也就是說，鐵芯里實(shí)際上沒有磁通，因而其體積可以做得很小，而不怕有鐵芯飽和，不用擔(dān)心頻率、諧波影響。之所以二者的磁勢(shì)能被充分補(bǔ)償，是由于霍爾效應(yīng)的作用。一旦二者不平衡，霍爾元件上就會(huì)有霍爾電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。它就作為以±15V供電的差分放大器輸入信號(hào)，放大器的輸出電流即為傳感器的測(cè)量電流，自動(dòng)迅速地恢復(fù)磁勢(shì)平衡，即霍爾輸出總保持為零。這樣電流的波形忠實(shí)的反映原邊被測(cè)電流的波形，只是一個(gè)匝比的關(guān)系。 　　3.2 位置檢測(cè) 　　本系統(tǒng)中，位置信號(hào)是通過三個(gè)霍爾傳感器得到的。每個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)，如圖4所示。三個(gè)霍爾傳感器的輸出信號(hào)互差120°相位差。這樣它們?cè)诿總€(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中共有6個(gè)上升沿或下降沿，正好對(duì)應(yīng)著6個(gè)換相時(shí)刻。通過將TMS320LF2407A設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6個(gè)時(shí)刻。 [align=center] 圖4 霍爾傳感器的輸出波形[/align] 　　需要注意的是，只有換相時(shí)刻還不能正確換相，還需要知道應(yīng)該換哪一相。通過將TMS320 LF2407A的捕捉口CAP1～CAP3設(shè)置為I/O口，并檢測(cè)該口的電平狀態(tài)，就可以知道哪一個(gè)霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。 　　3.3 速度計(jì)算 　　利用光電編碼器的檢測(cè)信號(hào)，由DSP計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。可以根據(jù)DSP的CAP/QEP引腳捕獲的A相和B相的信號(hào)，根據(jù)任意一相信號(hào)的上升沿及下降沿所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值可以方便的計(jì)算出速度值。也可以根據(jù)檢測(cè)到的在固定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，與固定時(shí)間之比即為電機(jī)的速度值。 　　速度計(jì)算和速度調(diào)節(jié)所使用的參數(shù)存放在數(shù)據(jù)區(qū)300H開始的6個(gè)單元中，AR2作為數(shù)據(jù)的地址指針。各單元存放的變量如表1所列。 　　表1 300H開始的6個(gè)單元中存放的變量 4 自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真 　　在本設(shè)計(jì)方案中，PID 參數(shù)自整定的思想就是先找出 PID 控制器的三個(gè)參數(shù)KP 、KI、 KD與誤差絕對(duì)值|E|和誤差變化率絕對(duì)值|EC|之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)|E|和|EC|，在根據(jù)模糊控制規(guī)則來(lái)對(duì)三個(gè)參量進(jìn)行在線修改，以滿足不同|E|和|EC|對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)，靜態(tài)性能。自適應(yīng)模糊 PID 參數(shù)控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。 [align=center] 圖5 自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真框圖[/align] 　　在 Simulink 環(huán)境對(duì)圖5所示的自適應(yīng)模糊 PID 控制系統(tǒng)進(jìn)行編輯，得到如圖6所示的系統(tǒng)仿真框圖。在系統(tǒng)仿真時(shí)，經(jīng)過分析，可得出被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：G（s）=1/（2s2+3s+1）。在系統(tǒng)輸入端給一個(gè)階躍信號(hào)，然后按 Simulink 仿真的正確步驟選擇計(jì)算步長(zhǎng)、模擬示波器 X/Y 軸參數(shù)等進(jìn)行仿真運(yùn)算，最后得出它的階躍響應(yīng)曲線如圖7所示。 [align=center] 圖7 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線[/align] 5 結(jié)束語(yǔ) 　　從仿真曲線圖可以看出，DSP和自適應(yīng)模糊 PID 控制策略相結(jié)合使系統(tǒng)的響應(yīng)速度更加快、調(diào)節(jié)精度更高、穩(wěn)態(tài)性能更好，并且沒有超調(diào)和振蕩，具有很強(qiáng)的魯棒性。