《電子技術(shù)應(yīng)用》
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三相8極無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
岳學(xué)磊,白 鵬,楊瑞坤,華偉民
空軍工程大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安710051
摘要: 以TMS320F28335 DSP作為核心控制器,提出三相8極無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。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,通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù),提高了控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知:所設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是可行的,采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法可以使無(wú)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。
中圖分類號(hào): TM36+1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.017
中文引用格式: 岳學(xué)磊,白鵬,楊瑞坤,等. 三相8極無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(4):60-62,66.
英文引用格式: Yue Xuelei,Bai Peng,Yang Ruikun,et al. Design of control system for three-phase 8 pole brushless DC motor[J].Application of Electronic Technique,2016,42(4):60-62,66.
Design of control system for three-phase 8 pole brushless DC motor
Yue Xuelei,Bai Peng,Yang Ruikun,Hua Weimin
College of Science,Air Force Engineering University,Xi′an 710051,China
Abstract: By applying TMS320F28335 DSP as the core controller, the design scheme of the control system of three-phase 8 pole brushless DC motor was given. The main hardware circuit and software were designed in detail, and the corresponding circuit schematic diagram and program flow chart were given. The speed adjusting algorithm adopts improved single neuron adaptive PID control algorithm. Through adaptive adjustment of control parameters, the adaptability to the environment control system was improved. The experiment showed that: the design of brushless DC motor control system is feasible with the improved single neuron adaptive PID control algorithm, the response time of the brushless DC motor was shorter, overshoot and the curve of speed wave were smaller.
Key words : brushless DC motor;hardware circuit;control software;single neuron

0 引言

    無(wú)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(jiǎn)單、噪聲低、可靠性高、維護(hù)周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天、機(jī)器人、自平衡車、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)汽車、家用電器、辦公自動(dòng)化以及工業(yè)過(guò)程控制等領(lǐng)域。

    本文給出了基于TMS320F28335 DSP的無(wú)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(jiǎn)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。DSP通過(guò)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(guò)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。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

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    控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為24 V/65 W的三相8極無(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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?lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)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(guò)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(wú)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。

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    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(wú)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(guò)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。

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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:

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式中,ηI、ηP、ηD分別為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率;wi(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(guò)程為:電機(jī)運(yùn)行時(shí),通過(guò)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。

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    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(cè)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。

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4.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測(cè)

    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。

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    通過(guò)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(wú)刷直流電機(jī)為控制對(duì)象,設(shè)計(jì)了無(wú)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(wú)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(wú)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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