摘要： 介紹了TMS320LF2407 DSP在無刷直流電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，采用了模糊控制策略，設(shè)計了上位監(jiān)控系統(tǒng)，給出了數(shù)字化、智能化的實現(xiàn)方案，實踐結(jié)果證明了系統(tǒng)的平穩(wěn)性和快速性滿足要求。

　　1 引言

　　永磁無刷直流電機具有交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等特點，又具有直流電機調(diào)速性能好、運行效率高、無機械換向等優(yōu)點，使它在機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械、儀器儀表等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是采用了DSP數(shù)字信號處理器、電子換向器、光電編碼器等，使得無刷直流電機的數(shù)字化、智能化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能，也是當今研究與應(yīng)用的熱點。但由于無刷直流電機本身存在非線性、數(shù)學(xué)模型難以建立等問題，單純用傳統(tǒng)的PID難以獲得較好的速度控制效果；加上以往用單片機實現(xiàn)，線路復(fù)雜、速度慢，難以實現(xiàn)數(shù)字化、智能化控制。

　　本設(shè)計是在我所研制的DSP數(shù)字控制實踐開發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以TMS320LF2407 DSP控制器為；以無刷直流電機為被控對象；以模糊PI為智能控制策略；以霍爾電流傳感器及光電編碼器為檢測手段，利用DSP速度快、運算能力強、資源豐富的優(yōu)勢，對無刷直流電機的控制與應(yīng)用進行了研究。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　系統(tǒng)由“PC上位機、TMS320LF2407 DSP控制器、功率驅(qū)動模塊、無刷直流電機、檢測單元、通訊接口”等組成，如圖1所示。

　　2.1 DSP控制器

　　TMS320LF2407是一種具有高速的運算能力與面向電機高效控制的數(shù)字信號處理器，集成了針對電機控制所需要的CPU、片內(nèi)RAM、ROM/FLASH、SCI、事件管理器等功能模塊資源。CPU具有獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，高速的運算能力，可完成復(fù)雜的控制算法與先進的控制策略；SCI串行通訊接口與PC上位機進行實時通訊，完成程序設(shè)計、數(shù)據(jù)采集及上位監(jiān)控等功能；事件管理器的通用定時器用于產(chǎn)生電流和速度控制周期；16位脈寬調(diào)制PWM通道產(chǎn)生的信號供給驅(qū)動模塊IGBT，通過調(diào)整PWM的占空比，進行電壓自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對無刷直流電機的轉(zhuǎn)速和電流的控制；10位A/D轉(zhuǎn)換接口用于測量電機的定子電流；正交編碼器接口QEP用于接收光電編碼器的反饋信號并計算轉(zhuǎn)速；5個外部實時中斷用于電機驅(qū)動保護和復(fù)位；3個捕捉單元可對電機轉(zhuǎn)子位置進行檢測等，這些資源為實現(xiàn)無刷直流電機數(shù)字化、智能化的研究與應(yīng)用提供了極大方便，也是目前具有競爭力的數(shù)字電機控制器。

　　2.2 無刷直流電機

　　采用1500轉(zhuǎn)/分，1.78A，27V電壓供電的無刷直流電機，定子為三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子是永磁體結(jié)構(gòu)，采用星形接法兩相通電三相6狀態(tài)運行方式。當定子繞組兩相通上方波電流產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場垂直時，則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)定子電流需要不斷換相，才能保證兩個磁場下的電流方向不變，因此通過控制三相定子電流的通電順序和大小，就可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。

　　2.3 功率驅(qū)動模塊

　　功率驅(qū)動采用東芝公司的IPM模塊，包括驅(qū)動電路、逆變電路及保護電路，逆變電路采用6單元IGBT三相星形全橋連接驅(qū)動方式。利用高速光耦TLP550實現(xiàn)隔離驅(qū)動，使用事件管理器EVA的PWM脈沖信號控制逆變器的工作狀態(tài)，再根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置進行電機定子電流實時換相的邏輯控制；通過調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比可改變電機繞組的平均電壓，從而控制定子電流的大??；使用可編程PWM死區(qū)控制可以防止逆變橋短路的現(xiàn)象。

　　2.4 定子電流檢測

　　電流檢測采用2個霍爾電流傳感器CSNE151，分別檢測A、B兩相的相電流（因為任一時刻只有兩相通電），再整合成一直流電流，經(jīng)濾波后送DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊，則系統(tǒng)可采用一個電流調(diào)節(jié)器對電機的電流進行閉環(huán)控制。

　　2.5 位置檢測與速度計算

　　轉(zhuǎn)子位置是通過3個互差120°脈沖寬度為180°的霍爾位置傳感器，來實時檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的6個循環(huán)變化狀態(tài)，每個60°電角度對應(yīng)電機的某一對磁極下的一個位置，轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)每變化，繞組導(dǎo)通就改變。A、B兩路脈沖信號送入DSP的正交編碼脈沖接口單元QEP的QEP1和QEP2引腳，經(jīng)譯碼邏輯單元產(chǎn)生時鐘信號CLK和轉(zhuǎn)向信號DIR，將CLK作為定時器1的時鐘輸入，由T1對CLK進行脈沖計數(shù)，可以產(chǎn)生60°電角度脈沖信號的中斷。即根據(jù)霍爾位置傳感器的狀態(tài)信息，結(jié)合換相邏輯，DSP控制逆變器的導(dǎo)通或截止，從而控制電機定子繞組電流的換相。

　　速度檢測采用2000個脈沖/每轉(zhuǎn)的E6B2光電編碼器，直接將電機角度的模擬信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，分別用定時器設(shè)置控制周期和對脈沖進行計數(shù)，實現(xiàn)鑒相、倍頻、轉(zhuǎn)速測量與閉環(huán)控制功能。系統(tǒng)各檢測狀態(tài)與換相邏輯如表1所示。

　　3 控制系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)方框圖

　　控制系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)控制，速度環(huán)的作用是增強系統(tǒng)對負載變化的抗干擾能力，抑制轉(zhuǎn)速波動，為提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能，速度環(huán)控制器采用模糊自整定PID控制算法。電流環(huán)使電流緊緊跟隨速度控制器的輸出，對系統(tǒng)的擾動起抗干擾作用，為此電流環(huán)控制器采用PID控制算法，DSP通過速度環(huán)和電流環(huán)實時調(diào)節(jié)PWM的占空比來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。模糊自整定PID與PID控制算法的有效結(jié)合，使系統(tǒng)具有較強的適應(yīng)性，確保速度主被控量的控制質(zhì)量。

　　控制系統(tǒng)方塊圖如圖2所示，其中nr為系統(tǒng)速度給定量；Un為速度控制器輸出的控制量；Ui為電流控制器輸出的控制量；UKf為電流環(huán)反饋量；Uk為功率模塊輸出的控制量；nnf為速度環(huán)反饋量；n為速度環(huán)的被控量。

　　3.2 模糊子集及隸屬函數(shù)

　　速度環(huán)控制器的轉(zhuǎn)速給定nR和轉(zhuǎn)速反饋值nnf的誤差e（E）和誤差變化率ec（EC）作為模糊控制器的輸入，以Kp、Ki、Kd作為輸出，找出PID與誤差E和誤差變化率EC的模糊關(guān)系，運行中不斷檢測E和EC，再根據(jù)模糊控制控制原理對PID進行在線調(diào)整，以滿足不同的E和EC下被控過程對△Kp、△Ki、△Kd的要求。

　　模糊子集為E=EC=△Kp=△Ki=△Kd=﹛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB﹜=﹛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大﹜；輸入變量論域為E=EC=﹛-3，-2，-1，0，1，2，3﹜；輸出變量論域為△Kp=﹛-0.3，0.3﹜，△Ki=﹛-0.08，0.08﹜，△Kd=﹛-3，3﹜。隸屬度函數(shù)采用靈敏性較強的三角函數(shù)，E、EC隸屬度函數(shù)如圖3所示。

　　3.3 模糊控制規(guī)則設(shè)計

　　速度環(huán)模糊控制規(guī)則采用if（條件） and  then（結(jié)果）的形式表達，根據(jù)經(jīng)驗并通過反復(fù)調(diào)試得到下述49條控制規(guī)則，模糊控制規(guī)則如表2所示。

　?。?） if E is NB and EC is NB  then △Kp is PB，△Ki is NB，△Kd is PS；

　?。?） if E is NB and EC is NM  then △Kp is PB，△Ki is NB，△Kd is NS；

　　┋

　?。?9） if E is PB and EC is PB  then △Kp is NB，△Ki is PB，△Kd is PB。

　　3.4 模糊推理與模糊判決

　　根據(jù)模糊控制規(guī)則，求出△KP、△Ki、△Kd的隸屬度P△K、i△K、d△K；采用加權(quán)平均法計算出輸出量△Kp、△Ki、△Kd的確定值；再將Kp、Ki、Kd的代入PID控制算法中，計算出速度環(huán)輸出的控制量Un，完成了PID參數(shù)的在線自整定過程。

　　T=10ms為采樣周期。

　　3.5 控制程序設(shè)計

　　在TMS320LF2407 DSP控制器上，采用C語言和模塊化設(shè)計方法，設(shè)計出速度控制器和電流控制器的應(yīng)用程序，包括主程序、模糊自整定PID子程序、PID程序、中斷子程序等，完成初始化、參數(shù)給定、數(shù)據(jù)采集、運算與轉(zhuǎn)換、控制算法、控制量輸出、PWM與ADC中斷、邏輯換相、故障檢測等，實現(xiàn)了對直流無刷電機的實時控制。模糊自整定PID子程序如圖4所示。

　　4 通訊與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　采用現(xiàn)場總線Modbus和上位監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計了通訊與監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序。用C語言和中斷程序法設(shè)計了下位機通訊程序，包括端口初始化、確定通訊波特率、校驗位、奇偶位、地址等。用VB語言的通訊控件MSComm對通訊端口進行初始化和通訊格式確定，并應(yīng)用面向?qū)ο蟮某绦蚍椒ㄔO(shè)計了上位監(jiān)控系統(tǒng)，包括系統(tǒng)命令、趨勢組態(tài)、功能組態(tài)、狀態(tài)檢測等，如按下系統(tǒng)命令中的“參數(shù)設(shè)置”功能按鈕，可進行速度給定nr，Kp0、Ki0、Kd0初值等值的設(shè)定；按下“顯示設(shè)置”可觀察Kp、Ki、Kd、n等實時參數(shù)。實現(xiàn)了上、下位機通過現(xiàn)場總線Modbus進行信息交換，人-機界面友好，操作方便靈活。

　　5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

　　系統(tǒng)速度環(huán)給定為650轉(zhuǎn)/分，啟動并運行系統(tǒng)，由上位機監(jiān)控的可視化運行曲線可知，速度響應(yīng)快，無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間短，能快速實現(xiàn)正、反向運行，獲得了較好的的起動性能與運行性能，滿足了無刷直流電機系統(tǒng)對速度調(diào)節(jié)的平穩(wěn)性和快速性的要求，轉(zhuǎn)速特性如圖5所示。

　　6 結(jié)束語

　　本文的創(chuàng)新點是融合了“現(xiàn)場總線，智能控制，數(shù)字檢測，上位監(jiān)控”等多種先進技術(shù)，充分利用了DSP速度快、運算能力強、資源豐富的優(yōu)勢；發(fā)揮了模糊自整定PID和PID控制算法的優(yōu)勢，使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和抗參數(shù)變化的魯棒性；設(shè)計的通訊與上位監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控與遠程控制，方便靈活，實際調(diào)試結(jié)果證明了該設(shè)計的有效性。我所研制的DSP實踐開發(fā)系統(tǒng)已在高校和企業(yè)培訓(xùn)中心得到了應(yīng)用，并具有較好的推廣前景。（作者：馬秀坤　馬學(xué)軍   微計算機信息 ）

參考文獻:

[1]. TMS320LF2407 datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/TMS320LF2407_309787.html.
[2]. TLP550 datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/TLP550_652722.html.
[3]. CSNE151 datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/CSNE151_2332642.html.