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直流无刷电机的控制技术

作者：曹志洪

来源：《科技传播》2011年第06期

摘要 围绕直流无刷电机控制运用广泛技术——基于DSP的控制系统进行了系统研究，采取模糊控制策略，设计出上位监控系统，数字化、智能化的控制系统提出方案，实践证明了系统的平稳性和快速性满足要求。

关键词 直流无刷电机；DSP控制；模糊控制

中图分类号TN91 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）39-0180-02 0引言

数字信号（Digital Signal Processing ， DSP）是涉及很多学科，它广泛被用于很多学科与技术领域。数字信号处理器称为DSP芯片，适用在数字信号处理运算的微处理器，能够快速的在数字信号处理算法上实现。现今，DSP芯片用于运动上的控制、数控机床的控制、航天航空的控制、电力系统上的操作、自动化仪器的控制等各个领域[1]，该文主要介绍这种基于DSP芯片控制直流无刷电机智能化控制系统的设计。 1 系统结构设计

系统组成由“PC 上位机、电源单元、TMS320LF2407 DSP芯片、无刷直流电机、检测单元、功率驱动模块、通讯接口”等。（见图1） 1.1 DSP芯片的选择

DSP芯片的选择是很重要的，选对了DSP芯片才能设计出其外围电路和其他电路。DSP芯片的选择要根据实际的应用系统进行确定。DSP芯片由于场合不同选择的也就不同，我们要考虑DSP芯片的运算速度、价格、运算精度、功耗、硬件的资源等。我们根据系统要求，选择TI公司TMS320LF2407芯片。 1.2无刷直流电机

该电机采取1500转/分, 无刷直流电机采用1.78A、27V电压进行供电，电机换向电路主要是由控制和驱动组成，直流无刷电机自身属于机电能量转换部分，该部分由电机电枢、永磁、传感器组成。我们把电机的电轴绕组在定子上、把永磁放在转子上，其目的是为了实现换向。无刷直流电机的工作方式是两相导通的星型3相6状态，这样操作方式是因为转子在旋转定子电流中进行不断换相来保证两个磁场电流方向不发生改变，控制3相定子电流通电顺序与大小控制电机旋转的速度。

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1.3功率的驱动模块

TOSHIBA公司采用IPM系列智能型模块，IPM主要集成了检测、控制、逻辑、保护电路这样有效提高了稳定性与可靠性。东芝的高速光耦TLP550（F）是为了实现隔离驱动，控制逆变器的工作状态主要用事件管理器EVA的PWM脉冲信号，根据转子磁极的位置对电机定子电流进行实时换相采用逻辑控制。 1.4位置的检测及速度的计算

A与B两路脉冲信号在送入DSP正交编码脉冲接口单元QEP的QEP1和QEP2引脚，经过译码逻辑单元产生CLK时钟与DIR转向信号，在时钟信号作为定时器时，用T1对时钟信号的脉冲进行计数,这样60度的电角度使脉冲信号中断。运用霍尔位置传感器状态信息与换相逻辑互相结合，逆变器的导通与停止是由DSP进行控制, 可以有效控制电机定子绕组电流的换相。速度检测则采用2000个脉冲\\转E6B2光电编码器,成脉冲信号的转换主要是由电机角度的模拟信号直接转换来的，控制周期与脉冲计数是用定时器进行设置,从而倍频、鉴相、转速测量、闭环控制的功能实现。 2直流无刷电机控制系统的设计 2.1直流无刷电机的系统控制策略

现在对直流无刷电机研究主要在电机的位置与速度的控制上，一般无刷直流电机的系统采用速度与电流双闭环控制系统。PI控制电流环与速度环，还可以通过电机的运行条件现在适合的控制方法。受到控制件与受控理论的制约，现在直流无刷电机多采用PD控制，它满足静态与动态的各种指标。采取模糊自整定PID控制计算方法来控制速度环控制器。电流跟随速度控制器输出可以起到抗干扰的作用,所以电流环控制器采取PID控制算法,DSP芯片代替单片机的所有接口，DSP的计算能力很快，能够实现复杂和智能化的控制算法，通过系统的不断升级扩展来实现速度、位置、电流的数字化系统控制，进而保证速度控制质量。 2.2直流无刷电机模糊控制规则设计

速度环模糊控制规则主要是由条件与结果形式进行表达,根据工作经验进行反复调试得到下面的控制系统的规则。

1）if E is NB and EC is NB then △Kp is PB, △Ki is NB,△Kd is PS; 2）if E is NB and EC is NM then △Kp is PB, △Ki is NB,△Kd is NS; ┋

49）if E is PB and EC is PB then △Kp is NB, △Ki is PB, △Kd is PB。

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2.3直流无刷电机控制程序的设计

在控制器TMS320LF2407 DSP上, 通过C语言与模块化的设计方法得出速度与电流控制器的应用程序，程序包括主程序、模糊自整定PID子程序、中断子程序、PID程序等从而完成系统的初始化、转换与运算、给定的参数、采集的数据、控制算法、逻辑换相、控制量的输出、ADC与PWM之间的中断、故障中的检测等, 从而对直流无刷电机的控制。 2.4直流无刷电机通讯与监控系统

运用中断程序的方法与C语言的信息从而设计出下位机通讯程序，端口进行初始化、确定通讯的波特率、奇偶位、校验位、地址等等。运用VB语言通讯控件MSComm 对通讯端口来确定通讯格式与初始化，针对面向对象的程序设计出相对应的上位监控系统，监控系统包括功能的组态、趋势的组态、系统的检测与命令等，按操作系统命令设置参数、设定速度、设定功能键。通过现场总线Modbus使上下位机进行信息之间交换，从而体现出操作上的方便灵活。 3 结论

本文创新点主要是“智能控制，现场总线，上位监控，数字检测”等实现技术之间的相互融合, 使系统之间得到充分的利用。发挥每个系统控件的优势发挥互补作用使直流无刷电机系统的反映速度、抗参数变化得到有效提高，使直流无刷电机技术不断发展、不断进步、性能不断提高。在设计直流无刷电机的通讯与上位监控系统的时候实现了系统的远程控制、实时监控，进而提现系统方便与灵活性，在实际调试的结果中证明该设计有效性。 参考文献

[1]张雄伟，邹霞.DSP芯片原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2005. [2]诸静.模糊控制原理与应用[M].机械工业出版社，2003.

[3]马秀坤，马学军.无刷直流电机智能控制系统[M].微计算机信息，2007.