基于DSP的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的模糊控制系統(tǒng)研究

摘要：介紹一種數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。利用TMS320IF2407的運(yùn)動(dòng)控制接口形成單片DSP控制的電機(jī)系統(tǒng)。采用霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，形成電子換相邏輯。由pi進(jìn)行速度和電流控制，用模糊邏輯進(jìn)行位置控制，文中討論了模糊變量的域的選取和變域控制方法。最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；數(shù)字信號(hào)處理器；換相邏輯；模糊控制

O 引言
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為一種新型的無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)，不僅具有交流電機(jī)的體積小、重量輕、慣量小等特點(diǎn)，而且還有直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，但又沒(méi)有機(jī)械換向器的缺點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)論在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等制造加工領(lǐng)域，還是家用電器如洗衣機(jī)、電腦硬盤等場(chǎng)合都日益受到重視。以往的無(wú)刷直流電機(jī)多由單片機(jī)附加許多種接口設(shè)備構(gòu)成。不僅復(fù)雜，而且速度也受到限制，難于實(shí)現(xiàn)從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數(shù)字控制，也不方便擴(kuò)展。而應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)伺服系統(tǒng)卻可以只用芯片DSP就可以替代單片機(jī)和各種接口，且由于DSP芯片的快速運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更智能化的算法；可以通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展；可以實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。
本文介紹使用，TI公司的TMS320IF2407DSP為控制器，組成無(wú)刷直流電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)。首先介紹了元刷直流電機(jī)的原理，然后說(shuō)明軟硬件設(shè)計(jì)方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

1 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本上是一個(gè)永磁同步電動(dòng)機(jī)，定子三相繞組通過(guò)交流方波，轉(zhuǎn)子為永磁體。勵(lì)磁由轉(zhuǎn)子的永磁體提供，定子的三相繞組中的交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)共同作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。仿照直流電機(jī)特性，如果兩個(gè)磁場(chǎng)始終垂直，則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為最大。由于轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動(dòng)的，其磁場(chǎng)方向也是旋轉(zhuǎn)的，因此必須通過(guò)控制三相定子的通電順序來(lái)改變定子磁場(chǎng)使其與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)基本垂直(即轉(zhuǎn)矩角為90°)。實(shí)際上，定子換相邏輯是使其轉(zhuǎn)矩角的平均值為90°。首先應(yīng)知道目前轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)換相要求確定三相定子的通電順序，這也就是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置傳感器的原因。本實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)子磁極位置由敷貼在定子鐵心表面的霍爾元件來(lái)檢測(cè)。
電機(jī)采用y型連接，三對(duì)橋式逆變電路驅(qū)動(dòng)，工作在兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式。三個(gè)霍爾元件給出60°電度角位置信息，即它們互差120°脈沖寬度為180°。三個(gè)霍爾元件的組合在一個(gè)周期可給出6個(gè)狀態(tài)(另兩個(gè)狀態(tài)一般不出現(xiàn))，即每60°就變換一個(gè)不同的狀態(tài)。根據(jù)傳感器狀態(tài)信息，結(jié)合換相邏輯控制，使三相定子的PWM逆變器模塊的6個(gè)功率晶體管導(dǎo)通或截止，就可以滿足轉(zhuǎn)矩角要求，使轉(zhuǎn)子持續(xù)獲得穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩。由于任一時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，其電流大小相等，方向相反，因此可以認(rèn)為其效果等同于直流電流。整體上，定子電流為方波，只要按照轉(zhuǎn)子的磁極位置進(jìn)行適時(shí)的換相，就可以保持這種直流驅(qū)動(dòng)的特性，又因?yàn)閾Q向是通過(guò)電子電路或軟件而不是電刷完成，故稱其為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。

2 無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)構(gòu)成
TI公司的TMS320IF2407是專門面向運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理器，其上包含了電機(jī)控制應(yīng)用所需要的各個(gè)主要功能模塊。它不僅有16位定點(diǎn)處理器內(nèi)核，更重要的是它將許多電機(jī)控制常用的接口集成到一個(gè)DSP控制器上。如擁有兩個(gè)事件管理器，其中有定時(shí)器和PWM發(fā)生器能驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，編碼器檢測(cè)電路能直接與電機(jī)的編碼器連接；標(biāo)準(zhǔn)的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線可與外界高速通訊；同步與異步串行端口SPI和SCI可與多種標(biāo)準(zhǔn)串行設(shè)備通信；通用雙向I／O通道及AD轉(zhuǎn)換接口直接采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；這些使得用DSP實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單化、模塊化。系統(tǒng)硬件基本上包括一個(gè)以TMS320IF2407為處理核心的DSP板，一個(gè)配套的功率驅(qū)動(dòng)板和PM50電動(dòng)機(jī)。
本系統(tǒng)利用SCI接口與主PC機(jī)進(jìn)行串行通訊；AD轉(zhuǎn)換接口用于測(cè)量電機(jī)的相電流ia、ib，PWM發(fā)生器用于產(chǎn)生需要的PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)功率模塊上的PWM逆變器；使用通用定時(shí)器產(chǎn)生電流和速度控制的周期；編碼器安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，用于測(cè)量電機(jī)的位置，并經(jīng)過(guò)微分得到電機(jī)速度。