基于DSP的无刷直流电机智能控制系统研究

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                    　　摘要： 介绍了TMS320LF2407 DSP在无刷直流电机控制系统中的应用研究，采用了模糊控制策略，设计了上位监控系统，给出了数字化、智能化的实现方案，实践结果证明了系统的平稳性和快速性满足要求。
　　1 引言
　　永磁无刷直流电机具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点，又具有直流电机调速性能好、运行效率高、无机械换向等优点，使它在机器人、数控机床、医疗器械、仪器仪表等各领域得到了广泛的应用。尤其是采用了DSP数字信号处理器、电子换向器、光电编码器等，使得无刷直流电机的数字化、智能化控制系统的实现成为可能，也是当今研究与应用的热点。但由于无刷直流电机本身存在非线性、数学模型难以建立等问题，单纯用传统的PID难以获得较好的速度控制效果；加上以往用单片机实现，线路复杂、速度慢，难以实现数字化、智能化控制。
　　本设计是在我所研制的DSP数字控制实践开发系统的基础上，以TMS320LF2407 DSP控制器为核心；以无刷直流电机为被控对象；以模糊PI为智能控制策略；以霍尔电流传感器及光电编码器为检测手段，利用DSP速度快、运算能力强、资源丰富的优势，对无刷直流电机的控制与应用进行了研究。
　　2 系统结构设计
　　系统由“PC上位机、TMS320LF2407 DSP控制器、功率驱动模块、无刷直流电机、检测单元、通讯接口”等组成，如图1所示。






　　2.4 定子电流检测
　　电流检测采用2个霍尔电流传感器CSNE151，分别检测A、B两相的相电流（因为任一时刻只有两相通电），再整合成一直流电流，经滤波后送DSP的A/D转换模块，则系统可采用一个电流调节器对电机的电流进行闭环控制。
　　2.5 位置检测与速度计算
　　转子位置是通过3个互差120°脉冲宽度为180°的霍尔位置传感器，来实时检测转子磁极位置的6个循环变化状态，每个60°电角度对应电机的某一对磁极下的一个位置，转子位置状态每变化一次，绕组导通就改变一次。A、B两路脉冲信号送入DSP的正交编码脉冲接口单元QEP的QEP1和QEP2引脚，经译码逻辑单元产生时钟信号CLK和转向信号DIR，将CLK作为定时器1的时钟输入，由T1对CLK进行脉冲计数，可以产生60°电角度脉冲信号的中断。即根据霍尔位置传感器的状态信息，结合换相逻辑，DSP控制逆变器的导通或截止，从而控制电机定子绕组电流的换相。
　　速度检测采用2000个脉冲/每转的E6B2光电编码器，直接将电机角度的模拟信号转换成脉冲信号，分别用定时器设置控制周期和对脉冲进行计数，实现鉴相、倍频、转速测量与闭环控制功能。系统各检测状态与换相逻辑如表1所示。






　　3.3 模糊控制规则设计
　　速度环模糊控制规则采用if（条件） and? then（结果）的形式表达，根据经验并通过反复调试得到下述49条控制规则，模糊控制规则如表2所示。
　　（1） if E is NB and EC is NB? then △Kp is PB，△Ki is NB，△Kd is PS；
　　（2） if E is NB and EC is NM? then △Kp is PB，△Ki is NB，△Kd is NS；
　　┋
　　（49） if E is PB and EC is PB? then △Kp is NB，△Ki is PB，△Kd is PB。






　　T=10ms为采样周期。
　　3.5 控制程序设计
　　在TMS320LF2407 DSP控制器上，采用C语言和模块化设计方法，设计出速度控制器和电流控制器的应用程序，包括主程序、模糊自整定PID子程序、PID程序、中断子程序等，完成初始化、参数给定、数据采集、运算与转换、控制算法、控制量输出、PWM与ADC中断、逻辑换相、故障检测等，实现了对直流无刷电机的实时控制。模糊自整定PID子程序如图4所示。






　　6 结束语
　　本文的创新点是融合了“现场总线，智能控制，数字检测，上位监控”等多种先进技术，充分利用了DSP速度快、运算能力强、资源丰富的优势；发挥了模糊自整定PID和PID控制算法的优势，使系统具有较快的响应速度和抗参数变化的鲁棒性；设计的通讯与上位监控系统，实现了系统的实时监控与远程控制，方便灵活，实际调试结果证明了该设计的有效性。我所研制的DSP实践开发系统已在高校和企业培训中心得到了应用，并具有较好的推广前景。（作者：马秀坤　马学军?? 微计算机信息 ）