0 引言

    無刷直流電機(jī)是電力電子技術(shù),、微電子技術(shù),、控制理論和電機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。具有啟動(dòng)時(shí)間短,、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,、調(diào)速范圍大,、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低,、可靠性高,、維護(hù)周期長等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于國防,、航空航天,、機(jī)器人、自平衡車,、無人機(jī),、電動(dòng)汽車、家用電器,、辦公自動(dòng)化以及工業(yè)過程控制等領(lǐng)域,。

    本文給出了基于TMS320F28335 DSP的無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)控制系統(tǒng)的主要硬件電路模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的設(shè)計(jì),。并給出了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序的設(shè)計(jì)方法^[1-2]。

    速度調(diào)節(jié)算法通常采用傳統(tǒng)PID控制算法,，但它的控制參數(shù)采用一次整定方式,，要想在各個(gè)運(yùn)行階段都達(dá)到良好的控制效果，參數(shù)的確定往往難以實(shí)現(xiàn),。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于模糊調(diào)節(jié)的免疫反饋PID控制,，具有傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高,、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),，提高了抗干擾性和對(duì)工況的適應(yīng)性；文獻(xiàn)[4]將微粒群優(yōu)化算法和單神經(jīng)元自適應(yīng)控制結(jié)合,，應(yīng)用在無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性,；文獻(xiàn)[5]將遺傳算法和模糊控制結(jié)合,，對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制，控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性得到了提高,。文獻(xiàn)[6]利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)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(quán)向量,，通過控制電樞電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,。

    本文采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，可以對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,，從而提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)性,。實(shí)驗(yàn)表明,，采用的改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法可以使無刷直流電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間更短，超調(diào)量和波動(dòng)更小,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

    以TMS320F28335 DSP為核心控制芯片,，設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。DSP通過捕獲口CAPl,、CAP2,、CAP3捕捉位置傳感器的跳變信號(hào)，觸發(fā)捕獲中斷,，通過讀取3個(gè)CAP口的電平狀態(tài),，得到電機(jī)控制字，然后DSP發(fā)出相應(yīng)的控制指令,，以改變PWM信號(hào)的開關(guān)量,，進(jìn)而改變開關(guān)管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的控制,?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

    控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為24 V/65 W的三相8極無刷直流電機(jī),，采用轉(zhuǎn)速,、電流雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。系統(tǒng)的外環(huán)為速度環(huán),，DSP根據(jù)給定速度值與經(jīng)霍爾傳感器得到的速度值通過改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法得到電流給定值,。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，對(duì)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,，通過傳統(tǒng)PID控制算法,，給出對(duì)應(yīng)的PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制,。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

    功率變換電路的主要功能是將直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟妷簛眚?qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn),。本文的控制對(duì)象是65 W的中小型電機(jī)，因此功率變換電路采用驅(qū)動(dòng)芯片+MOSFE的方式,，DSP輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過功率放大,、光電隔離處理后送入驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)功率管MOSFET開通和關(guān)斷,。

    驅(qū)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(qū)動(dòng)器集成電路，適用于驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī),、永磁同步和交流異步電機(jī)等,。驅(qū)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(chǔ)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(chǔ)電壓，導(dǎo)致電壓增大,。設(shè)計(jì)升壓電路是為了提高驅(qū)動(dòng)電壓幅值,，使驅(qū)動(dòng)芯片能夠可靠地驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)功率管的開通。

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(hào)相互關(guān)聯(lián),。所以，前3個(gè)ePWM子模塊（ePWM1,、ePWM2,、ePWM3）就可以滿足無刷直流電機(jī)的控制要求，PWM控制信號(hào)分別為ePWM1A和ePWM1B,、ePWM2A和ePWM2B,、ePWM3A和ePWM3B。因?yàn)镈SP引腳輸出信號(hào)的負(fù)載能力有限,，所以輸出的PWM信號(hào)需要經(jīng)過功率放大器提升負(fù)載能力,，選用的功率放大器為74HC245，相應(yīng)的電路如圖3所示,。

3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序

    釆用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),，算法可以對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性和對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)性,。算法表達(dá)式如下：

式中,，η_I、η_P,、η_D分別為積分、比例,、微分的學(xué)習(xí)速率,；w_i(k)為加權(quán)系數(shù)；K為比例系數(shù),，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(xiàn)過程為：電機(jī)運(yùn)行時(shí),，通過DSP的通用定時(shí)器可以獲取相鄰兩次霍爾信號(hào)變化的時(shí)間間隔,，從而計(jì)算出電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。與給定速度比較,，可以得到轉(zhuǎn)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(jù)算法表達(dá)式,，可以得到程序的流程圖，如圖4所示,。

    圖中,，r為給定轉(zhuǎn)速，y為電機(jī)反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速,，error和error_1為轉(zhuǎn)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(xí)速率,，wp、wi,、wd,、wp_1、wi_1,、wd_1,、wp_11、wi_11,、wd_11,、wadd為加權(quán)系數(shù)，K為比例系數(shù),，u和u_1為系統(tǒng)的輸出,。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 PWM控制信號(hào)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(diào)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(zhuǎn)速信號(hào)檢測

    轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序中首先采用傳統(tǒng)PID控制算法,，設(shè)置電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間為5 s,，給定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。電機(jī)開始運(yùn)行,，期間每隔50 ms計(jì)算一次轉(zhuǎn)速,，并保存在數(shù)組中，5 s后電機(jī)停止運(yùn)行,。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，分別得到如圖7,、圖8所示的速度響應(yīng)曲線,。

    通過對(duì)比上面速度響應(yīng)曲線，可以得出：在給定轉(zhuǎn)速(2 500 r/min)下,，采用傳統(tǒng)PID控制算法,，系統(tǒng)自空載啟動(dòng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間為0.6 s，且超調(diào)量較大,，約為20%,；采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，系統(tǒng)自空載啟動(dòng)后在較短時(shí)間內(nèi)(約0.2 s)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),，超調(diào)量很小,，僅為1%左右，此外,，速度曲線的波動(dòng)很小,。

5 結(jié)論

    本文以三相8極無刷直流電機(jī)為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng),，對(duì)主要硬件電路和軟件程序做了詳細(xì)設(shè)計(jì),，并給出了相應(yīng)的電路原理圖和程序流程圖，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)算法采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,。實(shí)驗(yàn)表明,，所設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是可行的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,，可以使無刷直流電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間更短,，超調(diào)量和波動(dòng)更小，達(dá)到了預(yù)期目的,。

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