吳 強(qiáng)，韓震宇，李 程

（四川大學(xué)，四川 成都 610065）

0 引言

無刷直流電機(jī)除了具有直流電機(jī)優(yōu)秀的線性機(jī)械特性、大啟動力矩、寬調(diào)速范圍、簡單的控制電路外，由于它利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，所以它又具有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。所以，無刷直流電機(jī)廣泛用于家電、汽車、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、固定升降平臺等領(lǐng)域。本系統(tǒng)利用TMS320LF2407FA芯片產(chǎn)生的PWM波信號通過IR2136驅(qū)動芯片來控制開關(guān)管的導(dǎo)通順序和開關(guān)通斷時(shí)間比來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度，通過霍爾傳感器測量電機(jī)電樞兩端的電流，通過電機(jī)位置傳感器輸出的位置信號計(jì)算轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)PID算法計(jì)算占空比來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制，有效的提高了系統(tǒng)的運(yùn)動精度，保證了電機(jī)轉(zhuǎn)動的快速響應(yīng)性和運(yùn)動平穩(wěn)性。

1 增量式PID算法原理

數(shù)字PID算法的基本原理就是利用偏差來計(jì)算系統(tǒng)的輸出量，實(shí)現(xiàn)不斷糾偏的過程，使系統(tǒng)最終趨于穩(wěn)定。數(shù)字PID控制分為位置式PID控制和增量式PID控制。由于位置式PID采用全量輸出，輸出的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對偏差進(jìn)行累加，工作計(jì)算量大，并且，一旦數(shù)據(jù)處理計(jì)算芯片出現(xiàn)問題，將會使輸出大幅波動，從而造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅波動，很有可能引起巨大的事故。而增量式PID每次只輸出控制量的增量，所以在一些安全性和穩(wěn)定性要求較高的場合使用增量式PID算法較好。所以本系統(tǒng)采用增量式PID算法。增量PID算法公式[4]如下所示：

式（1）中：Kp為比例系數(shù)；積分系數(shù)KI=

由于現(xiàn)在許多實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)都要求位置式輸出，而位置式輸出可由上次位置式輸出加本次增量輸出計(jì)算得到。所以由增量式控制算法來計(jì)算位置式輸出的公式為：

式（2）中，UK-1為第K-1次的全量輸出，ΔUK為第K次的增量輸出。

2 基于DSPTMS320LF2407FA芯片調(diào)速控制

PWM波調(diào)速控制是一種脈寬調(diào)制技術(shù)，無刷直流電流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是通過改變電機(jī)電樞兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)的[5]。本系統(tǒng)通過設(shè)置TMS320LF2407A的通用定時(shí)器1為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式、計(jì)算值為250來控制PWM波的周期，通過PID算法計(jì)算占空比值保存在通用定時(shí)器的比較寄存器T1CMP中，當(dāng)通用定時(shí)器1的計(jì)數(shù)值大于比較寄存器的值時(shí)，使T1PWM引腳輸出高電平，通過驅(qū)動電路，使響應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電樞電壓的控制。原理如圖1。

圖1 PWM波調(diào)速

根據(jù)PID控制原理，要對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，就必須獲得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)是通過電機(jī)的位置傳感器檢測電機(jī)的換向信號來計(jì)算轉(zhuǎn)速的[6]。要捕獲電機(jī)的位置信號，可通過DSP的捕捉口CAP1～CAP3，通過檢測該口的狀態(tài)來獲取是那個(gè)傳感器發(fā)出的上升沿或下降沿信號。由于采用的電機(jī)每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)有6次換相，電機(jī)每轉(zhuǎn)60度就有一個(gè)換向信號，所以可以通過測量兩次換相間的時(shí)間間隔Δt來計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。計(jì)算公式為ω=60°/Δt。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括控制芯片TMS320LF2407A、驅(qū)動芯片IR2136外圍電路設(shè)計(jì)，電源模塊電路設(shè)計(jì)，電平轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)。由于所用的開關(guān)電源為5 V，但是控制芯片TMS320LF2407A所用的電源為3.3 V，IR2136芯片為15 V供電，所以采用TPS7333實(shí)現(xiàn)5 V到3.3 V的電源轉(zhuǎn)換，用TPS65130實(shí)現(xiàn)5 V到15 V的電源轉(zhuǎn)換。而TMS320LF2407A的外圍器件的驅(qū)動電源有3.3 V供電，也有5 V供電，所以必須在TMS320LF2407A與外圍器件間做3.3～5 V和5～3.3 V的電平轉(zhuǎn)換，所以選用74LVC4245芯片實(shí)現(xiàn)3.3～5 V電平轉(zhuǎn)換，用74CBTD338實(shí)現(xiàn)5～3.3 V電平轉(zhuǎn)換。同時(shí)，還須對驅(qū)動板強(qiáng)電信號和控制板弱電信號進(jìn)行隔離，避免強(qiáng)電信號對控制板的影響，選用的芯片是HCPL-063?；驹砜驁D如圖2。

圖2 基本原理框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的開發(fā)軟件為CCS2.0版本，軟件質(zhì)量的高低對整個(gè)系統(tǒng)性能起決定性作用。為了提高系統(tǒng)的控制精度，抵消測量誤差、外部干擾、電機(jī)本身制造誤差等的影響，在軟件上，采用多次測量祛除粗大誤差，再求其平均值的辦法來抵消測量誤差和大的干擾值，采用軟件補(bǔ)償?shù)霓k法來抵消電機(jī)三相電阻的不均勻性。程序中采用的電流調(diào)節(jié)周期和速度調(diào)節(jié)周期分別為1ms和3 ms。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)控制對象為BM14182XF-500W48V型號永磁無刷直流電機(jī)，圖4為電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速為100 r/min條件下的響應(yīng)曲線，由曲線可知，采用增量式PID算法和PWM波脈寬調(diào)制技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制使電機(jī)轉(zhuǎn)速上升快、超調(diào)小、運(yùn)行穩(wěn)定。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

6 結(jié)束語

基于增量式的PID控制算法既具有算法簡單、易編程的優(yōu)點(diǎn)，又具有控制可靠、控制成本低、控制精度較高的特點(diǎn)。因此，PID算法在電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，本系統(tǒng)也通過實(shí)際的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)驗(yàn)有效的證明了PID算法在電機(jī)調(diào)速控制中的優(yōu)點(diǎn)。

［1］劉和平.DSP原理及電機(jī)控制應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［2］鐘德剛，方浩.兩相無槽無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制［J］.機(jī) 電 工 程 ， 2011 （12）：1502-1505.

［3］范前峰，傅惠南，徐宇.基于單片機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的無刷直流電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2012（7）：16-19.

［4］王曉明.電動機(jī)的單片機(jī)控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［5］孫立志.PWM與數(shù)字化電動機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［6］韓學(xué)軍，侯建勛，張根元.基于DSP的無刷直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（5）：121-123.