摘要：本文首先設計了基于DSP的無刷直流電動機調速系統(tǒng)，其次，設計了無刷直流電動機的全數(shù)字雙閉環(huán)調速控制;最后，針對實際系統(tǒng)存在的各種誤差，提出將先進的模糊控制策略和傳統(tǒng)的PID控制相結合的方法，可以使系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度都得到進一步的提高，并利用Matlab/Simulink軟件進行了仿真。 1 引言 　　隨著計算機，微電子技術的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。傳統(tǒng)的模擬控制方法已逐漸被以微控制器為核心的數(shù)字控制方法所取代。本文介紹的就是基于DSP的永磁無刷直流電動機伺服系統(tǒng)的模糊控制仿真研究。 2 硬件系統(tǒng)的設計 　　本系統(tǒng)中利用DSP實現(xiàn)永磁無刷直流電動機的全數(shù)字雙閉環(huán)控制。給定轉速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度調節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實現(xiàn)電動機的速度控制。電流的反饋是通過檢測電阻R上的壓降來實現(xiàn)的。速度反饋則是通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過計算得到的，同時位置傳感器輸出的位置量還用于換相控制。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。 　　在本系統(tǒng)中，控制器是其核心部件，它不僅要完成外部信號的處理，電機驅動信號的給定，更重要的是完成整個系統(tǒng)的控制策略。本系統(tǒng)以TMS320LF2407A器件為控制核心，充分利用TMS320LF2407A的高速信號處理能力和電機控制優(yōu)化的外圍電路，具有控制精度高，抗干擾能力強且成本較低等優(yōu)點，可以為高性能傳動控制提供可靠高效的信號處理與硬件控制。基于DSP的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。 3 全數(shù)字雙閉環(huán)調速控制系統(tǒng)的設計 　　如圖3是用 TMS320LF2407A DSP 實現(xiàn)永磁無刷直流電動機調速的控制和驅動電路。其中，三個位置間隔 120 度分布的霍爾傳感器 H1、H2、H3 經(jīng)整形隔離電路后分別與 TMS320LF2407A 的三個捕捉引腳 CAP1、CAP2、CAP3 相連，通過產(chǎn)生捕捉中斷來給出換相時刻，同時給出位置信息。 [align=center] 圖3 DSP控制和驅動電路[/align] 　　由于電動機每次只有兩相通電，其中一相正向通電，另一相反向通電，形成一個回路，因此每次只須控制一個電流。用電阻R作為電流傳感器，將其安放在電源對地端，就可方便地實現(xiàn)電流反饋。電流反饋輸出經(jīng)濾波放大電路連接到TMS320 LF2407A的ADC輸入端ADCIN00，在每一個PWM周期都對電流進行一次采樣，對速度（PWM占空比）進行控制。 　　TMS320LF2407A通過PWM1～PWM6引腳經(jīng)一個反相驅動電路分別連接到V1～V6等六個開關管，實現(xiàn)定頻PWM和換相控制。 　　3.1 電流檢測 　　電流傳感器是伺服系統(tǒng)中的一個重要元件。它的精度和動態(tài)性能直接影響著系統(tǒng)的低速性能和快速性。電流檢測的方法有電阻檢測，光禍檢測等，本系統(tǒng)采用磁平衡原理實現(xiàn)的霍爾元件檢測電流的方法。所用器件為霍爾效應磁場補償式電流傳感器。它是國際上推薦為電力電子線路中的關鍵電流檢測器件。它把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路的思想集成一體。具有測量、反饋、保護三重功能。 　　它實際上是有源電流互感器，它的優(yōu)點是“磁場補償”，被測量的原邊磁場同測量繞組里的測量磁勢，實時補償為零，也就是說，鐵芯里實際上沒有磁通，因而其體積可以做得很小，而不怕有鐵芯飽和，不用擔心頻率、諧波影響。之所以二者的磁勢能被充分補償，是由于霍爾效應的作用。一旦二者不平衡，霍爾元件上就會有霍爾電動勢產(chǎn)生。它就作為以±15V供電的差分放大器輸入信號，放大器的輸出電流即為傳感器的測量電流，自動迅速地恢復磁勢平衡，即霍爾輸出總保持為零。這樣電流的波形忠實的反映原邊被測電流的波形，只是一個匝比的關系。 　　3.2 位置檢測 　　本系統(tǒng)中，位置信號是通過三個霍爾傳感器得到的。每個霍爾傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號，如圖4所示。三個霍爾傳感器的輸出信號互差120°相位差。這樣它們在每個機械轉中共有6個上升沿或下降沿，正好對應著6個換相時刻。通過將TMS320LF2407A設置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6個時刻。 [align=center] 圖4 霍爾傳感器的輸出波形[/align] 　　需要注意的是，只有換相時刻還不能正確換相，還需要知道應該換哪一相。通過將TMS320 LF2407A的捕捉口CAP1～CAP3設置為I/O口，并檢測該口的電平狀態(tài)，就可以知道哪一個霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。 　　3.3 速度計算 　　利用光電編碼器的檢測信號，由DSP計算出電機轉速?？梢愿鶕?jù)DSP的CAP/QEP引腳捕獲的A相和B相的信號，根據(jù)任意一相信號的上升沿及下降沿所對應的時間值可以方便的計算出速度值。也可以根據(jù)檢測到的在固定時間內(nèi)的脈沖數(shù)，與固定時間之比即為電機的速度值。 　　速度計算和速度調節(jié)所使用的參數(shù)存放在數(shù)據(jù)區(qū)300H開始的6個單元中，AR2作為數(shù)據(jù)的地址指針。各單元存放的變量如表1所列。 　　表1 300H開始的6個單元中存放的變量 4 自適應模糊PID控制器的設計及系統(tǒng)仿真 　　在本設計方案中，PID 參數(shù)自整定的思想就是先找出 PID 控制器的三個參數(shù)KP 、KI、 KD與誤差絕對值|E|和誤差變化率絕對值|EC|之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測|E|和|EC|，在根據(jù)模糊控制規(guī)則來對三個參量進行在線修改，以滿足不同|E|和|EC|對控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的動，靜態(tài)性能。自適應模糊 PID 參數(shù)控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。 [align=center] 圖5 自適應模糊PID控制系統(tǒng)仿真框圖[/align] 　　在 Simulink 環(huán)境對圖5所示的自適應模糊 PID 控制系統(tǒng)進行編輯，得到如圖6所示的系統(tǒng)仿真框圖。在系統(tǒng)仿真時，經(jīng)過分析，可得出被控對象的傳遞函數(shù)為：G（s）=1/（2s2+3s+1）。在系統(tǒng)輸入端給一個階躍信號，然后按 Simulink 仿真的正確步驟選擇計算步長、模擬示波器 X/Y 軸參數(shù)等進行仿真運算，最后得出它的階躍響應曲線如圖7所示。 [align=center] 圖7 系統(tǒng)階躍響應曲線[/align] 5 結束語 　　從仿真曲線圖可以看出，DSP和自適應模糊 PID 控制策略相結合使系統(tǒng)的響應速度更加快、調節(jié)精度更高、穩(wěn)態(tài)性能更好，并且沒有超調和振蕩，具有很強的魯棒性。