基于CAN總線的無刷直流電動(dòng)機(jī)模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，且具有直流電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速性能而無機(jī)械換向器等優(yōu)點(diǎn)在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。故多直流無刷電動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制的分布式系統(tǒng)具有廣闊的前景。

但由于無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)存在不同程度的非線性、時(shí)變性、換向效應(yīng)等不確定性，影響了伺服系統(tǒng)的性能。因此，普通PI控制器難以獲得滿意的控制效果，從而限制了無刷直流電動(dòng)機(jī)的使用。

本文提出一種電流環(huán)采用經(jīng)典PI而速度環(huán)采用模糊自適應(yīng)PID控制方法，并設(shè)計(jì)了以PICl8F458為中央處理器的基于CAN總線技術(shù)的無刷直流電動(dòng)機(jī)模糊自適應(yīng)控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)通過集中管理與分散控制很好地實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)直流無刷電動(dòng)機(jī)間快速協(xié)調(diào)控制，同時(shí)也通過模糊控制策略減小跟蹤誤差，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

1 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式選擇

無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組分Y繞組和△繞組兩類，換相方式一般也有橋式和半橋式之分。常見的

主驅(qū)動(dòng)類型有：三相半控、三相Y連接全控、三相△連接全控。其中三相半控電路的特點(diǎn)是簡單，但電動(dòng)機(jī)本體的利用率很低，而且在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大；而三相△形連接全控電路在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用又較少。故一般采用三相Y連接全控模式，其又分兩兩導(dǎo)通模式和三三導(dǎo)通模式。

三三導(dǎo)通模式繞組利用率高，各相繞組在每一時(shí)刻都有電流通過，正向和反向電流各1/2時(shí)間，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，繞組利用率高于兩兩導(dǎo)通模式；但合成電磁轉(zhuǎn)矩比兩兩導(dǎo)通模式小，且易出現(xiàn)橋臂短路危險(xiǎn)。

經(jīng)綜合評(píng)定確定電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于三相Y連接全控模式的“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”，如圖1。

2 控制策略與控制方法選擇

根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，選擇恰當(dāng)?shù)目刂品桨?。本系統(tǒng)所采用的模糊自適應(yīng)PID控制算法的轉(zhuǎn)速PWM控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由模糊控制和參數(shù)可調(diào)PID系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。這樣，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化或有不確定性的干擾時(shí)就能夠迅速做出有效的判斷，并予以克服。其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 控制器硬件實(shí)現(xiàn)

在根據(jù)控制結(jié)構(gòu)與控制方法選擇主控制芯片，并根據(jù)實(shí)際要求將控制系統(tǒng)劃分為12個(gè)單元，分別為：PIC控制器單元；按鍵與顯示控制單元；CAN總線通訊單元；電流檢測(cè)單元；電壓檢測(cè)單元；報(bào)警單元；邏輯換相與保護(hù)單元；驅(qū)動(dòng)電路；逆變電路；泄放單元；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元；BLDCM調(diào)速系統(tǒng)本體單元。下面就其主要單元硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要描述。

3.1 CAN總線通訊單元

與其它總線相比，CAN總線具有成本低，開發(fā)應(yīng)用方便的優(yōu)點(diǎn)，易于采用現(xiàn)有的開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)。它主要被廣泛應(yīng)用在抗干擾和實(shí)時(shí)通訊能力要求較高的小型網(wǎng)絡(luò)?；贑AN總線的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用其作為上位機(jī)與下位機(jī)的通信方式。系統(tǒng)采用MCP2551芯片，其為高性能CAN總線收發(fā)器。電路如圖3所示。

3.2副電源上電檢測(cè)單元(圖4)

此部分的作用是檢測(cè)控制電路是否上電正常。如果+15 V，+12 V，-12 V全部供電正常，PIC的RA4端口為高電平，表明主電路可以上電；否則，系統(tǒng)顯示副電源供電不正常，主電路不上電。

3.3主電路控制單元(圖5)

此部分的作用是在副電源供電正常時(shí)，PIC的引腳RCO輸出1，主電路通過繼電器上電。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，RCO輸出0，關(guān)斷主電路。