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無(wú)刷直流電動(dòng)機作為一種新型的無(wú)級變速電動(dòng)機，不僅具有交流電機的體積小、重量輕、慣量小等特點(diǎn)，而且還有直流電動(dòng)機優(yōu)良的調速性能，但又沒(méi)有機械換向器的缺點(diǎn)，因此得到了廣泛的應用。無(wú)論在數控機床、機器人等制造加工領(lǐng)域，還是家用電器如洗衣機、電腦硬盤(pán)等場(chǎng)合都日益受到重視。以往的無(wú)刷直流電機多由單片機附加許多種接口設備構成。不僅復雜，而且速度也受到限制，難于實(shí)現從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數字控制，也不方便擴展。而應用數字信號處理器(DSP)實(shí)現的電機伺服系統卻可以只用芯片DSP就可以替代單片機和各種接口，且由于DSP芯片的快速運算能力，可以實(shí)現更復雜、更智能化的算法；可以通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò )接口進(jìn)行系統升級和擴展；可以實(shí)現位置、速度和電流環(huán)的全數字化控制。 本文介紹使用，TI公司的TMS320IF2407DSP為控制器，組成無(wú)刷直流電機的伺服控制系統。首先介紹了元刷直流電機的原理，然后說(shuō)明軟硬件設計方法，最后給出了實(shí)驗結論。 1 無(wú)刷直流電機的工作原理 無(wú)刷直流電動(dòng)機基本上是一個(gè)永磁同步電動(dòng)機，定子三相繞組通過(guò)交流方波，轉子為永磁體。勵磁由轉子的永磁體提供，定子的三相繞組中的交流電產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)。電樞磁勢和轉子磁勢共同作用產(chǎn)生電磁轉矩。仿照直流電機特性，如果兩個(gè)磁場(chǎng)始終垂直，則產(chǎn)生的電磁轉矩為最大。由于轉子是轉動(dòng)的，其磁場(chǎng)方向也是旋轉的，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)使其與轉子磁場(chǎng)基本垂直(即轉矩角為90°)。實(shí)際上，定子換相邏輯是使其轉矩角的平均值為90°。首先應知道目前轉子的位置，再根據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)機需要轉子位置傳感器的原因。本實(shí)驗中轉子磁極位置由敷貼在定子鐵心表面的霍爾元件來(lái)檢測。 電機采用y型連接，三對橋式逆變電路驅動(dòng)，工作在兩相導通三相六狀態(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)，即每60°就變換一個(gè)不同的狀態(tài)。根據傳感器狀態(tài)信息，結合換相邏輯控制，使三相定子的PWM逆變器模塊的6個(gè)功率晶體管導通或截止，就可以滿(mǎn)足轉矩角要求，使轉子持續獲得穩定電磁轉矩。由于任一時(shí)刻只有兩相導通，其電流大小相等，方向相反，因此可以認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動(dòng)的特性，又因為換向是通過(guò)電子電路或軟件而不是電刷完成，故稱(chēng)其為無(wú)刷直流電動(dòng)機。 2 無(wú)刷直流電機實(shí)驗控制系統構成 TI公司的TMS320IF2407是專(zhuān)門(mén)面向運動(dòng)控制應用的數字信號處理器，其上包含了電機控制應用所需要的各個(gè)主要功能模塊。它不僅有16位定點(diǎn)處理器內核，更重要的是它將許多電機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)生器能驅動(dòng)兩臺電機，編碼器檢測電路能直接與電機的編碼器連接；標準的CAN現場(chǎng)總線(xiàn)可與外界高速通訊；同步與異步串行端口SPI和SCI可與多種標準串行設備通信；通用雙向I／O通道及AD轉換接口直接采集現場(chǎng)數據；這些使得用DSP實(shí)現的電機控制系統簡(jiǎn)單化、模塊化。系統硬件基本上包括一個(gè)以TMS320IF2407為處理核心的DSP板，一個(gè)配套的功率驅動(dòng)板和PM50電動(dòng)機。 本系統利用SCI接口與主PC機進(jìn)行串行通訊；AD轉換接口用于測量電機的相電流ia、ib，PWM發(fā)生器用于產(chǎn)生需要的PWM信號以驅動(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；編碼器安裝在電機轉子上，用于測量電機的位置，并經(jīng)過(guò)微分得到電機速度。 定子電流檢測是通過(guò)在逆變器的下橋臂上串接電阻進(jìn)行的。將定子電流以0．395 V／A的增益轉換成對應的電壓量后，送入DSP的AD接口。此處只需檢測a、b兩相電流，c相電流可通過(guò)ia+ih+ic=O求得。這種電流檢測方法比較簡(jiǎn)單，但要求軟件上必須保證在輸出PWM逆變器的命令時(shí)，同時(shí)檢測PWM逆變器下橋臂的電流，以保證電流檢測的正確性。 DSP主程序采用循環(huán)方式不斷調用數據記錄模塊、與主機串行通訊的監視模塊等。在主程序執行過(guò)程中，不斷有t1中斷發(fā)生，在中斷服務(wù)程序中處理電流讀取、換算，編碼器讀取、速度換算等。更重要的是要完成電流控制和速度控制環(huán)的計算。電流控制器和速度控制器采用的都是PI控制，無(wú)刷直流電機像直流電動(dòng)機一樣只需要一個(gè)電流調節器，而不像正弦波永磁同步電動(dòng)機那樣需要兩個(gè)電流調節器。由軟件完成的電壓換相模塊實(shí)現對施加于逆變器的相電壓參考值的計算。實(shí)際上DSP控制器接受三相參考電壓，由6個(gè)全比較PWM輸出逆變器模塊所需要的方波脈沖。在一個(gè)給定位置，只有兩相導通，只需控制逆變器的四個(gè)晶體管。系統存在三個(gè)閉環(huán)路，實(shí)際控制時(shí)，外環(huán)位置和速度控制的周期為1 ms，而內環(huán)電流控制的周期為O．1 ms。這是因為內環(huán)的電流變化速度快，較短的控制周期可使轉矩波動(dòng)減小。 3 模糊控制方法 位置伺服系統要求快速準確、無(wú)超調等，而常規的PID控制較難滿(mǎn)足上述控制要求。特別是系統中存在的一些非確定性因素如模型的時(shí)變和對象的非線(xiàn)性，這使得控制器應具有較強的魯棒性。而模糊方法不依賴(lài)對象模型，具有較好的適應性，可以使用較為復雜、智能的控制方法。因此這里將模糊邏輯用于位置控制器，而速度和電流控制器仍采用PID控制。此處將位置誤差e和誤差的變化量ec作為位置控制器的輸入，輸出是速度指令值。按照模糊控制理論將輸入和輸出分別劃分為7個(gè)模糊子集即nl(負大)、nm(負中)、ns(負小)、ze(零)、ps(正小)、pm(正中)、pl(正大)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，輸入的隸屬度函數采用三角函數，而輸出的隸屬度為單值函數。 模糊推理時(shí)，先根據隸屬函數形式對輸入變量模糊化，然后以規則前件的模糊交運算求各規則的適應強度，再根據規則后件得輸出量的各子集的模糊化值。由于輸出的隸屬函數為單值函數，故反模糊化就是求輸出量模糊子集的重心。這些復雜計算都用C語(yǔ)言在PC機上編寫(xiě)，然后與匯編語(yǔ)言實(shí)現的電流控制、PWM輸出等模塊共同鏈接形成DSP可執行文件。最后通過(guò)PC機串口下載到DSP板上。 根據以上原理和控制方法，進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗。實(shí)驗裝置為永磁同步電機、功率模塊、DSP板組成。伺服電機帶500線(xiàn)的編碼器用于提供電機位置，本系統將其微分后得到速度信息。電機的基本參數為：相電阻5．25ω，相電感0．46 mh反電勢常數2．62 V／l 000 r·min-1，額定電壓19．1 V，額定電流1．16 A，轉子慣量9×10 kg·m2。 實(shí)際上，模糊控制中，模糊子集的劃分是比較困難的事情。因為在整個(gè)控制過(guò)程中，誤差和誤差的變化值都是有一定域的，稱(chēng)為變量的論域。起始論域為(-5 000，5 000)，隨著(zhù)誤差的減小，其可能取值范圍也越來(lái)越小。這時(shí)候若仍然使用原來(lái)的論域進(jìn)行推理，雖然也可以最終達到誤差趨于零，但一個(gè)較小的誤差在這種情況下，將過(guò)早地進(jìn)入收斂期，有可能帶來(lái)比較大的定位誤差。因此我們在實(shí)現模糊控制時(shí)，根據實(shí)際控制進(jìn)程不斷改變變量的論域。 4 結論 無(wú)刷直流電機的優(yōu)越性能使它得到了廣泛應用，而使用DSP實(shí)現無(wú)刷直流電機控制則不僅比傳統的模擬電路成本低，而且結構簡(jiǎn)單，方便擴展。DSP的快速運算能力還可以實(shí)現更復雜的控制算法，可以將速度環(huán)和電流環(huán)都以數字方式實(shí)現，形成全數字形式的無(wú)刷直流電機控制系統。本文利用DSP實(shí)現了無(wú)刷直流電機的模糊控制。通過(guò)實(shí)驗說(shuō)明模糊控制的位置控制器有比PID控制更好的定位精度和快速響應能力，尤其是采用變化的論域的模糊算法可得到更優(yōu)的控制性能。 |
