基于DSP的無刷直流電動機(jī)的模糊控制系統(tǒng)研究

摘要：介紹一種數(shù)字信號處理器(DSP)控制的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。利用TMS320IF2407的運(yùn)動控制接口形成單片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。最后給出了實驗結(jié)果和結(jié)論。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī)；數(shù)字信號處理器；換相邏輯；模糊控制

O 引言
無刷直流電動機(jī)作為一種新型的無級變速電動機(jī)，不僅具有交流電機(jī)的體積小、重量輕、慣量小等特點，而且還有直流電動機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，但又沒有機(jī)械換向器的缺點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。無論在數(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)、電腦硬盤等場合都日益受到重視。以往的無刷直流電機(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)字信號處理器(DSP)實現(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，可以實現(xiàn)更復(fù)雜、更智能化的算法；可以通過高速網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行系統(tǒng)升級和擴(kuò)展；可以實現(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，然后說明軟硬件設(shè)計方法，最后給出了實驗結(jié)論。

1 無刷直流電機(jī)的工作原理
無刷直流電動機(jī)基本上是一個永磁同步電動機(jī)，定子三相繞組通過交流方波，轉(zhuǎn)子為永磁體。勵磁由轉(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。電樞磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢共同作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。仿照直流電機(jī)特性，如果兩個磁場始終垂直，則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為最大。由于轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動的，其磁場方向也是旋轉(zhuǎn)的，因此必須通過控制三相定子的通電順序來改變定子磁場使其與轉(zhuǎn)子磁場基本垂直(即轉(zhuǎn)矩角為90°)。實際上，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，這也就是無刷直流電動機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置傳感器的原因。本實驗中轉(zhuǎn)子磁極位置由敷貼在定子鐵心表面的霍爾元件來檢測。
電機(jī)采用y型連接，三對橋式逆變電路驅(qū)動，工作在兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式。三個霍爾元件給出60°電度角位置信息，即它們互差120°脈沖寬度為180°。三個霍爾元件的組合在一個周期可給出6個狀態(tài)(另兩個狀態(tài)一般不出現(xiàn))，即每60°就變換一個不同的狀態(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)行適時的換相，就可以保持這種直流驅(qū)動的特性，又因為換向是通過電子電路或軟件而不是電刷完成，故稱其為無刷直流電動機(jī)。

2 無刷直流電機(jī)實驗控制系統(tǒng)構(gòu)成
TI公司的TMS320IF2407是專門面向運(yùn)動控制應(yīng)用的數(shù)字信號處理器，其上包含了電機(jī)控制應(yīng)用所需要的各個主要功能模塊。它不僅有16位定點處理器內(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DSP控制器上。如擁有兩個事件管理器，其中有定時器和PWM發(fā)生器能驅(qū)動兩臺電機(jī)，編碼器檢測電路能直接與電機(jī)的編碼器連接；標(biāo)準(zhǔn)的CAN現(xiàn)場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)場數(shù)據(jù)；這些使得用DSP實現(xiàn)的電機(jī)控制系統(tǒng)簡單化、模塊化。系統(tǒng)硬件基本上包括一個以TMS320IF2407為處理核心的DSP板，一個配套的功率驅(qū)動板和PM50電動機(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信號以驅(qū)動功率模塊上的PWM逆變器；使用通用定時器產(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，用于測量電機(jī)的位置，并經(jīng)過微分得到電機(jī)速度。