永磁无刷直流电机数字控制系统设计与DSP实现

　　摘要：为了提高永磁无刷直流电机的控制性能，设计了DSP的永磁无刷直流电机双闭环数字控制系统，详细论述了系统的硬件电路和软件设计，并进行了仿真和实验验证.实验结果表明，基于DSP的永磁无刷直流电机控制系统硬件和软件设计合理.可靠性高.控制高.超调小.具有自适应能力.

　　0引言

　　随着电子技术.功率半导体技术和高性能磁性材料制造技术的飞速发展，永磁无刷直流电动机（简写为PMBLDCM）以其结构简单.运行可靠.维护方便.调速性能好.效率高.轻量化程度高等一系列优点，迅速的发展起来，并在航空航天.电子设备.家电.汽车.数控机床.机器人及医疗设备等多个领域得到了广泛的应用.

　　永磁无刷直流电机控制系统一般由电机本体.控制器和驱动器三部分组成，控制器是永磁无刷直流电机正常运行及实现调速功能的.

　　目前，永磁无刷直流电机的控制器大致有三种实现方式：1）专用集成电路控制芯片；2）单片机；3）数字信号处理器DSP.利用专用集成电路控制芯片的电机控制系统电路简单和成本低廉，但系统功能不能进一步扩展，限制了专用集成电路控制芯片在一些场合的应用；以单片机为处理器的电机控制系统，系统功能可以编程实现，但外围电路复杂，计算速度慢，高性能控制算法难以实现；DSP数据运算速度高.存储量大.数字输入输出口多.具有逻辑控制和各种中断处理功能及PWM输出，可以实现复杂的控制算法，因此，DSP成为电机控制器的.

　　通常直流电机调速系统采用传统的PID控制，这种控制算法简单.控制高.稳定性好.易于实现，但PID控制算法过于依赖控制对象的模型参数，鲁棒性差，在实际的电机控制过程中，难以取得理想的控制效果.而模糊控制不依赖控制对象的模型.动态响应好.鲁棒性强，但控制不高.因此，本文针对永磁无刷直流电机，结合模糊控制和PI控制的优点，设计了以TI公司TMS320F2808DSP为处理器的转速和电流双闭环控制系统，以期满足PMBLDCM调速系统的高.快速性.稳定性和鲁棒性的要求.

　　1 PMBLDCM控制系统总体方案设计

　　1.1控制系统结构

　　永磁无刷直流电机的基本构成包括电机本体.控制器和转子位置传感器三部分，其控制系统硬件电路以DSP为控制，由CPLD逻辑综合电路.驱动电路.功率逆变电路.信号检测电路和反馈电路等组成，系统硬件结构框图如图l所示.

　　1.2工作原理

　　永磁无刷直流电机控制系统采用转速.电流双闭环数字串级控制，速度环采用模糊PI控制算法，电流环采用PI控制算法.电机启动后，首先，DSP根据霍尔位置检测电路检测到的电动机转子位置信号，计算出电机当前转速，与给定转速比较，得到转速误差信号，经过模糊PI控制器调节以后，得到相应的电流参考信号；该电流参考信号与电流检测电路测得的电流信号进行比较，其偏差经电流PI控制器调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度控制；DSP输出的6路PWM信号经驱动电路放大后，施加到功率逆变电路上，通过控制功率开关管的开通关断顺序和时间，改变电机定子绕组中的电流大小和绕组的导通顺序，从而实现电机转速和输出转矩的控制.

　　2系统硬件设计

　　永磁无刷直流电机控制系统硬件电路主要包括DSP及其外围电路.驱动及逆变电路.电机本体及检测电路等.

　　2.1 DSP及其外围电路

　　DSP及其外围电路是整个电机控制系统的部分，由DSP芯片.上电复位电路.键盘显示电路.两相电流采样电路.保护电路.外部输入输出接口电路等组成，如图2所示.DSP作为处理器，负责处理采集到的数据和发送控制命令，本文采用TI公司的TMS320F2808作为处理器.TMS320F2808是专用于控制的高性能32位定点DSP芯片，运行速度可达100 MIPS,片上集成128K字节的FLASH,18K字节的SRAM及8K字节的BOOT ROM,指令系统还支持程序存储器和数据存储器之间的数据传输，可将算法中可能用到的表或系数直接放在程序存储空间内.另9bTMS320F2808还集成了增强型捕获单元（eCAP）.增强型PWM产生单元（ePWM）.快速ADC单元以及SCI.SPI.eCAN通讯模块.克服了TMS320LF2407或TMS320F2812作为处理器所存在的不足，提高了系统的抗干扰性能瞄.

　　2.2驱动及逆变电路

　　驱动及逆变电路是永磁无刷直流电机控制系统的重要组成部分.DSP产生的PWM信号不能直接驱动功率逆变器，须经一个驱动电路对PWM信号进行功率放大.本文驱动电路的主芯片采用美国IR公司生产的专用驱动芯片IR2130,其内部设有自举悬浮驱动电源，只需一个供电电源即可驱动桥式逆变电路的4个功率开关器件，且对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2us互锁延时，避免上下桥臂直通，使整个驱动电路设计更加简化可靠.为防止电机驱动部分瞬间过流.过压对DSP造成损坏，在DSP的PWM输出与IR2130的6路输入端口之间采用高速光耦进行了隔离.功率逆变器采用MOSFET管IRF840A组成三相逆变桥，根据驱动电路放大的PWM信号，输出永磁无刷直流电机的电压信号.

　　2.3检测电路

　　为了实现电流电压双闭环控制以及避免定子电流过流.过压对电机造成损坏，需要检测直流母线电压和电机线电流.本文采用霍尔元件对电流进行检测，从霍尔输出的电压信号经过分压.跟随器以及限幅后，将信号送至DSP的A/D转换器：采用隔离放大器光耦对电压进行检测，它带有短路和过载保护的隔离放大器，这样既实现了直流母线电压的检测，又对整个电路起到实时保护效果.

　　3软件设计

　　3.1系统控制策略

　　在永磁无刷直流电机控制系统中，为使控制系统具有较好的动态性能，通常采用转速和电流双闭环串级控制.转速环用以增强系统对负载变化的抗干扰能力，抑制转速波动；电流环使电流紧紧跟随转速调节器的输出，对电网电压的波动及时抗扰.控制算法常采用传统的PID控制器，其算法简单.稳态高.易于实现；但当被控对象参数发生改变或者受非线性因素影响发生变化时，PID参数不能随之改变，无法满足高性能和高的控制要求.

　　模糊控制是一种基于规则的模拟人类思维的控制策略，可以很好的处理不确定性.非线性.时变性和耦合性，但单纯的模糊控制不高，因此本文结合模糊控制和PID控制的优势，设计了转速环模糊PI控制算法，使其既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制较高的优点.

　　3.2软件流程

　　本系统的控制软件采用模块化设计方法，主要有初始化程序.主程序和中断服务子程序.初始化程序实现对DSP和可编程逻辑电路的工作模式以及各变量进行初始化；主程序的主要功能是完成对DSP的系统上电复位和看门狗复位的自检，对键盘显示.控制算法.通讯等中断子程序的主流程控制；中断服务子程序主要完成系统控制算法.数据采集.保护以及故障处理等功能.中断服务子程序在系统软件中处于地位，电机的电子换相，转速计算和控制算法均在中断服务子程序中实现，控制算法中断服务子程序流程图如图3所示.

　　4仿真与实验

　　本文使用Matlab的模糊工具箱结合电气系统

　　具箱对所设计的模糊PI控制算法进行仿真，电栅参数如下：额定电压290V,额定转速2000r/min,极对数为4.图4是采用模糊PI控制算法的双闭朝控制的速度仿真曲线.图5是在电机启动后在负载突增的电机速度仿真曲线.

　　从仿真结果可以看出：电机响应快.超调小.稳态无误差，负载突变下能快速在线调节，控制系统动静态性能良好.为了进一步验证本支所设计的永磁无刷直流电机控制系统的控制效暑和实用性，进行了基于DSP的转速.电流双闭环调速实验，系统阶跃响应如图6所示.电机启动时，给定转速为1000r/min,5分钟后上调给定转速芫2000r/min.经过现场调试与测试后，利用excel剥测试数据进行处理，并作出了相应的拟合曲线，从图中可以看出，电机启动较为平滑，控制高，响应快，无超调，达到了预期设计目标.

　　两种插值算法取得的插值细化数据.

　　通过对比表惭表2的数据，可以得出以下结论：1）在边缘插值的方向上有很大改进，2）上相对原插值算法也有很大提高.

　　5结论

　　本算法充分利用方向模板确定梯度的方向，这样就大大减少了丢失边缘点方向信息的可能性.利用梯度图像加权值后设定阈值对图像边缘进行细化，不但能提高，而且能减小伪边缘.把有方向选择的多项式插值应用在亚像素插值中，不但提高了，而且降低了误差.