基于DSP的三相8極無(wú)刷直流電機控制設計

　　以TMS320F28335 DSP作為核心控制器，提出三相8極無(wú)刷直流電機控制系統的設計方案。對主要硬件電路和軟件程序做了詳細設計，并給出了相應的電路原理圖和程序流程圖。其中轉速調節算法采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應PID控制算法，通過(guò)自適應調整控制參數，提高了控制系統對環(huán)境的自適應性。通過(guò)實(shí)驗可知：所設計的無(wú)刷直流電機控制系統是可行的，采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應PID控制算法可以使無(wú)刷直流電機的響應時(shí)間更短，超調量和波動(dòng)更小。

　　0 引言

　　無(wú)刷直流電機是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論和電機技術(shù)相結合的產(chǎn)物。具有啟動(dòng)時(shí)間短、啟動(dòng)轉矩和制動(dòng)轉矩大、調速范圍大、結構簡(jiǎn)單、噪聲低、可靠性高、維護周期長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應用于國防、航空航天、機器人、自平衡車(chē)、無(wú)人機、電動(dòng)汽車(chē)、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)刷直流電機的控制系統設計方案，對控制系統的主要硬件電路模塊進(jìn)行了詳細設計，包括電機驅動(dòng)電路和控制電路的設計。并給出了轉速調節子程序的設計方法。

　　速度調節算法通常采用傳統PID控制算法，但它的控制參數采用一次整定方式，要想在各個(gè)運行階段都達到良好的控制效果，參數的確定往往難以實(shí)現。文獻［3］提出了一種基于模糊調節的免疫反饋PID控制，具有傳統PID控制結構簡(jiǎn)單、可靠性高、魯棒性強等優(yōu)點(diǎn)，提高了抗干擾性和對工況的適應性；文獻［4］將微粒群優(yōu)化算法和單神經(jīng)元自適應控制結合，應用在無(wú)刷直流電機的控制系統中，提高了系統的自適應性；文獻［5］將遺傳算法和模糊控制結合，對電機進(jìn)行優(yōu)化控制，控制系統的自適應性得到了提高。文獻［6］利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對無(wú)刷直流電機控制系統進(jìn)行優(yōu)化，對電機轉速和相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的權向量，通過(guò)控制電樞電壓實(shí)現對電機轉速的控制。

　　本文采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應PID控制算法，可以對控制參數進(jìn)行自適應調整，從而提高系統對環(huán)境的自適應性。實(shí)驗表明，采用的改進(jìn)單神經(jīng)元自適應PID控制算法可以使無(wú)刷直流電機的響應時(shí)間更短，超調量和波動(dòng)更小。

　　1 系統總體設計方案

　　以TMS320F28335 DSP為核心控制芯片，設計了無(wú)刷直流電機控制系統。DSP通過(guò)捕獲口CAPl、CAP2、CAP3捕捉位置傳感器的跳變信號，觸發(fā)捕獲中斷，通過(guò)讀取3個(gè)CAP口的電平狀態(tài)，得到電機控制字，然后DSP發(fā)出相應的控制指令，以改變PWM信號的開(kāi)關(guān)量，進(jìn)而改變開(kāi)關(guān)管的導通順序，實(shí)現對電機轉速和旋轉方向的控制?？刂葡到y的設計框圖如圖1所示。

　　控制系統的控制對象為24 V/65 W的三相8極無(wú)刷直流電機，采用轉速、電流雙閉環(huán)實(shí)現對電機的轉速控制。系統的外環(huán)為速度環(huán)，DSP根據給定速度值與經(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PID控制算法得到電流給定值。內環(huán)為電流環(huán)，對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PID控制算法，給出對應的PWM控制信號，實(shí)現對電機的調速控制。

　　2 硬件電路設計

　　2.1 無(wú)刷直流電機驅動(dòng)電路

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

　　驅動(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動(dòng)器集成電路，適用于驅動(dòng)無(wú)刷直流電機、永磁同步和交流異步電機等。驅動(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電壓，導致電壓增大。設計升壓電路是為了提高驅動(dòng)電壓幅值，使驅動(dòng)芯片能夠可靠地驅動(dòng)高壓側功率管的開(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的控制信號相互關(guān)聯(lián)。所以，前3個(gè)ePWM子模塊（ePWM1、ePWM2、ePWM3）就可以滿(mǎn)足無(wú)刷直流電機的控制要求，PWM控制信號分別為ePWM1A和ePWM1B、ePWM2A和ePWM2B、ePWM3A和ePWM3B。因為DSP引腳輸出信號的負載能力有限，所以輸出的PWM信號需要經(jīng)過(guò)功率放大器提升負載能力，選用的功率放大器為74HC245，相應的電路如圖3所示。

　　3 轉速調節子程序

　　釆用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應PID控制算法實(shí)現轉速的調節，算法可以對控制參數進(jìn)行自適應調整，從而提高系統的抗干擾性和對環(huán)境的自適應性。算法表達式如下：

　　式中，ηI、ηP、ηD分別為積分、比例、微分的學(xué)習速率；wi（k）為加權系數；K為比例系數，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)現過(guò)程為：電機運行時(shí)，通過(guò)DSP的通用定時(shí)器可以獲取相鄰兩次霍爾信號變化的時(shí)間間隔，從而計算出電機的實(shí)時(shí)轉速。與給定速度比較，可以得到轉速的偏差error。與上次得到的偏差error_1相減，可得偏差的變化量d_error。根據算法表達式，可以得到程序的流程圖，如圖4所示。

　　圖中，r為給定轉速，y為電機反饋的實(shí)際轉速，error和error_1為轉速偏差，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)習速率，wp、wi、wd、wp_1、wi_1、wd_1、wp_11、wi_11、wd_11、wadd為加權系數，K為比例系數，u和u_1為系統的輸出。

　　4 實(shí)驗結果與分析

　　4.1 PWM控制信號的測試

　　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 轉速信號檢測

　　轉速調節程序中首先采用傳統PID控制算法，設置電機的運行時(shí)間為5 s，給定轉速為2 500 r/min。電機開(kāi)始運行，期間每隔50 ms計算一次轉速，并保存在數組中，5 s后電機停止運行。轉速調節程序采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應PID控制算法，重復上述實(shí)驗，分別得到如圖7、圖8所示的速度響應曲線(xiàn)。

　　通過(guò)對比上面速度響應曲線(xiàn)，可以得出：在給定轉速（2 500 r/min）下，采用傳統PID控制算法，系統自空載啟動(dòng)到達穩態(tài)所需時(shí)間為0.6 s，且超調量較大，約為20%；采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應PID控制算法，系統自空載啟動(dòng)后在較短時(shí)間內（約0.2 s）進(jìn)入穩定狀態(tài)，超調量很小，僅為1%左右，此外，速度曲線(xiàn)的波動(dòng)很小。

　　5 結論

　　本文以三相8極無(wú)刷直流電機為控制對象，設計了無(wú)刷直流電機控制系統，對主要硬件電路和軟件程序做了詳細設計，并給出了相應的電路原理圖和程序流程圖，其中轉速調節算法采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應PID控制算法。實(shí)驗表明，所設計的無(wú)刷直流電機控制系統是可行的，轉速調節采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應PID控制算法，可以使無(wú)刷直流電機的響應時(shí)間更短，超調量和波動(dòng)更小，達到了預期目的。

　　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)應用第4期