基于DSP的三相8極無(wú)刷直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)

　　以TMS320F28335 DSP作為核心控制器，提出三相8極無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)主要硬件電路和軟件程序做了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并給出了相應(yīng)的電路原理圖和程序流程圖。其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)算法采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)，提高了控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：所設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是可行的，采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法可以使無(wú)刷直流電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間更短，超調(diào)量和波動(dòng)更小。

　　0 引言

　　無(wú)刷直流電機(jī)是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論和電機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。具有啟動(dòng)時(shí)間短、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲低、可靠性高、維護(hù)周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天、機(jī)器人、自平衡車、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)汽車、家用電器、辦公自動(dòng)化以及工業(yè)過(guò)程控制等領(lǐng)域。

　　本文給出了基于TMS320F28335 DSP的無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)控制系統(tǒng)的主要硬件電路模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的設(shè)計(jì)。并給出了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序的設(shè)計(jì)方法。

　　速度調(diào)節(jié)算法通常采用傳統(tǒng)PID控制算法，但它的控制參數(shù)采用一次整定方式，要想在各個(gè)運(yùn)行階段都達(dá)到良好的控制效果，參數(shù)的確定往往難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［3］提出了一種基于模糊調(diào)節(jié)的免疫反饋PID控制，具有傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提高了抗干擾性和對(duì)工況的適應(yīng)性；文獻(xiàn)［4］將微粒群優(yōu)化算法和單神經(jīng)元自適應(yīng)控制結(jié)合，應(yīng)用在無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性；文獻(xiàn)［5］將遺傳算法和模糊控制結(jié)合，對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制，控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性得到了提高。文獻(xiàn)［6］利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)向量，通過(guò)控制電樞電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

　　本文采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，可以對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)表明，采用的改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法可以使無(wú)刷直流電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間更短，超調(diào)量和波動(dòng)更小。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　以TMS320F28335 DSP為核心控制芯片，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。DSP通過(guò)捕獲口CAPl、CAP2、CAP3捕捉位置傳感器的跳變信號(hào)，觸發(fā)捕獲中斷，通過(guò)讀取3個(gè)CAP口的電平狀態(tài)，得到電機(jī)控制字，然后DSP發(fā)出相應(yīng)的控制指令，以改變PWM信號(hào)的開(kāi)關(guān)量，進(jìn)而改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的控制。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為24 V/65 W的三相8極無(wú)刷直流電機(jī)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。系統(tǒng)的外環(huán)為速度環(huán)，DSP根據(jù)給定速度值與經(jīng)霍爾傳感器得到的速度值通過(guò)改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法得到電流給定值。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，對(duì)速度控制器的輸出電流給定值與由經(jīng)A/D采樣得到的電流值比較，通過(guò)傳統(tǒng)PID控制算法，給出對(duì)應(yīng)的PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　功率變換電路的主要功能是將直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟妷簛?lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)。本文的控制對(duì)象是65 W的中小型電機(jī)，因此功率變換電路采用驅(qū)動(dòng)芯片+MOSFE的方式，DSP輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大、光電隔離處理后送入驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)功率管MOSFET開(kāi)通和關(guān)斷。

　　驅(qū)動(dòng)芯片選用International Rectifier公司生產(chǎn)的IR2136，此芯片為三相逆變電路驅(qū)動(dòng)器集成電路，適用于驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步和交流異步電機(jī)等。驅(qū)動(dòng)芯片的電路圖如圖2所示。

　　圖2中，二極管D1、D2、D4與電容C4、C5、C6組成升壓電路，二極管的作用是防止電流倒灌，電容的作用是存儲(chǔ)電壓。脈沖頻率較高時(shí)，升壓電路的電壓為輸入電壓加上電容存儲(chǔ)電壓，導(dǎo)致電壓增大。設(shè)計(jì)升壓電路是為了提高驅(qū)動(dòng)電壓幅值，使驅(qū)動(dòng)芯片能夠可靠地驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)功率管的開(kāi)通。

　　2.2 控制電路

　　TMS320F28335的ePWM模塊有ePWM1~ePWM6共6個(gè)子模塊，每個(gè)ePWM子模塊有兩路PWM輸出，分別為ePWMxA和ePWMxB。三相電流橋由6個(gè)功率管MOSFET組成，每個(gè)橋臂上的兩個(gè)功率管MOSFET的控制信號(hào)相互關(guān)聯(lián)。所以，前3個(gè)ePWM子模塊（ePWM1、ePWM2、ePWM3）就可以滿足無(wú)刷直流電機(jī)的控制要求，PWM控制信號(hào)分別為ePWM1A和ePWM1B、ePWM2A和ePWM2B、ePWM3A和ePWM3B。因?yàn)镈SP引腳輸出信號(hào)的負(fù)載能力有限，所以輸出的PWM信號(hào)需要經(jīng)過(guò)功率放大器提升負(fù)載能力，選用的功率放大器為74HC245，相應(yīng)的電路如圖3所示。

　　3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序

　　釆用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，算法可以對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性和對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)性。算法表達(dá)式如下：

　　式中，ηI、ηP、ηD分別為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率；wi（k）為加權(quán)系數(shù)；K為比例系數(shù)，K》0；e（k）為速度偏差；De（k）為速度偏差的變化量。

　　算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)DSP的通用定時(shí)器可以獲取相鄰兩次霍爾信號(hào)變化的時(shí)間間隔，從而計(jì)算出電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。與給定速度比較，可以得到轉(zhuǎn)速的偏差error。與上次得到的偏差error_1相減，可得偏差的變化量d_error。根據(jù)算法表達(dá)式，可以得到程序的流程圖，如圖4所示。

　　圖中，r為給定轉(zhuǎn)速，y為電機(jī)反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速，error和error_1為轉(zhuǎn)速偏差，d_error為偏差的變化量，lr_p、lr_i、lr_d分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率，wp、wi、wd、wp_1、wi_1、wd_1、wp_11、wi_11、wd_11、wadd為加權(quán)系數(shù)，K為比例系數(shù)，u和u_1為系統(tǒng)的輸出。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　4.1 PWM控制信號(hào)的測(cè)試

　　為了降低功率管MOSFET的功率損耗，采用上橋臂工作于PWM狀態(tài)進(jìn)行調(diào)壓的控制方法，下橋臂工作于常通狀態(tài)。如圖5、圖6分別為A相上橋臂和下橋臂的MOSFET工作波形。

　　4.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測(cè)

　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序中首先采用傳統(tǒng)PID控制算法，設(shè)置電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間為5 s，給定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，期間每隔50 ms計(jì)算一次轉(zhuǎn)速，并保存在數(shù)組中，5 s后電機(jī)停止運(yùn)行。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，分別得到如圖7、圖8所示的速度響應(yīng)曲線。

　　通過(guò)對(duì)比上面速度響應(yīng)曲線，可以得出：在給定轉(zhuǎn)速（2 500 r/min）下，采用傳統(tǒng)PID控制算法，系統(tǒng)自空載啟動(dòng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間為0.6 s，且超調(diào)量較大，約為20%；采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，系統(tǒng)自空載啟動(dòng)后在較短時(shí)間內(nèi)（約0.2 s）進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，超調(diào)量很小，僅為1%左右，此外，速度曲線的波動(dòng)很小。

　　5 結(jié)論

　　本文以三相8極無(wú)刷直流電機(jī)為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)主要硬件電路和軟件程序做了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并給出了相應(yīng)的電路原理圖和程序流程圖，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)算法采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是可行的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，可以使無(wú)刷直流電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間更短，超調(diào)量和波動(dòng)更小，達(dá)到了預(yù)期目的。

　　作者：岳學(xué)磊，白 鵬，楊瑞坤，華偉民

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　　2016年電子技術(shù)應(yīng)用第4期