摘要：為了提高永磁無刷直流電機的控制性能，設計了DSP的永磁無刷直流電機雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，詳細論述了系統(tǒng)的硬件電路和軟件設計，并進行了仿真和實驗驗證.實驗結(jié)果表明，基于DSP的永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件和軟件設計合理.可靠性高.控制高.超調(diào)小.具有自適應能力.

　　0引言

　　隨著電子技術(shù).功率半導體技術(shù)和高性能磁性材料制造技術(shù)的飛速發(fā)展，永磁無刷直流電動機（簡寫為PMBLDCM）以其結(jié)構(gòu)簡單.運行可靠.維護方便.調(diào)速性能好.效率高.輕量化程度高等一系列優(yōu)點，迅速的發(fā)展起來，并在航空航天.電子設備.家電.汽車.數(shù)控機床.機器人及醫(yī)療設備等多個領域得到了廣泛的應用.

　　永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)一般由電機本體.控制器和驅(qū)動器三部分組成，控制器是永磁無刷直流電機正常運行及實現(xiàn)調(diào)速功能的.

　　目前，永磁無刷直流電機的控制器大致有三種實現(xiàn)方式：1）專用集成電路控制芯片；2）單片機；3）數(shù)字信號處理器DSP.利用專用集成電路控制芯片的電機控制系統(tǒng)電路簡單和成本低廉，但系統(tǒng)功能不能進一步擴展，限制了專用集成電路控制芯片在一些場合的應用；以單片機為處理器的電機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)功能可以編程實現(xiàn)，但外圍電路復雜，計算速度慢，高性能控制算法難以實現(xiàn)；DSP數(shù)據(jù)運算速度高.存儲量大.數(shù)字輸入輸出口多.具有邏輯控制和各種中斷處理功能及PWM輸出，可以實現(xiàn)復雜的控制算法，因此，DSP成為電機控制器的.

　　通常直流電機調(diào)速系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的PID控制，這種控制算法簡單.控制高.穩(wěn)定性好.易于實現(xiàn)，但PID控制算法過于依賴控制對象的模型參數(shù)，魯棒性差，在實際的電機控制過程中，難以取得理想的控制效果.而模糊控制不依賴控制對象的模型.動態(tài)響應好.魯棒性強，但控制不高.因此，本文針對永磁無刷直流電機，結(jié)合模糊控制和PI控制的優(yōu)點，設計了以TI公司TMS320F2808DSP為處理器的轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以期滿足PMBLDCM調(diào)速系統(tǒng)的高.快速性.穩(wěn)定性和魯棒性的要求.

　　1 PMBLDCM控制系統(tǒng)總體方案設計

　　1.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　永磁無刷直流電機的基本構(gòu)成包括電機本體.控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分，其控制系統(tǒng)硬件電路以DSP為控制，由CPLD邏輯綜合電路.驅(qū)動電路.功率逆變電路.信號檢測電路和反饋電路等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示.

　　1.2工作原理

　　永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速.電流雙閉環(huán)數(shù)字串級控制，速度環(huán)采用模糊PI控制算法，電流環(huán)采用PI控制算法.電機啟動后，首先，DSP根據(jù)霍爾位置檢測電路檢測到的電動機轉(zhuǎn)子位置信號，計算出電機當前轉(zhuǎn)速，與給定轉(zhuǎn)速比較，得到轉(zhuǎn)速誤差信號，經(jīng)過模糊PI控制器調(diào)節(jié)以后，得到相應的電流參考信號；該電流參考信號與電流檢測電路測得的電流信號進行比較，其偏差經(jīng)電流PI控制器調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實現(xiàn)電動機的速度控制；DSP輸出的6路PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路放大后，施加到功率逆變電路上，通過控制功率開關管的開通關斷順序和時間，改變電機定子繞組中的電流大小和繞組的導通順序，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的控制.

　　2系統(tǒng)硬件設計

　　永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件電路主要包括DSP及其外圍電路.驅(qū)動及逆變電路.電機本體及檢測電路等.

　　2.1 DSP及其外圍電路

　　DSP及其外圍電路是整個電機控制系統(tǒng)的部分，由DSP芯片.上電復位電路.鍵盤顯示電路.兩相電流采樣電路.保護電路.外部輸入輸出接口電路等組成，如圖2所示.DSP作為處理器，負責處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令，本文采用TI公司的TMS320F2808作為處理器.TMS320F2808是專用于控制的高性能32位定點DSP芯片，運行速度可達100 MIPS,片上集成128K字節(jié)的FLASH,18K字節(jié)的SRAM及8K字節(jié)的BOOT ROM,指令系統(tǒng)還支持程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸，可將算法中可能用到的表或系數(shù)直接放在程序存儲空間內(nèi).另9bTMS320F2808還集成了增強型捕獲單元（eCAP）.增強型PWM產(chǎn)生單元（ePWM）.快速ADC單元以及SCI.SPI.eCAN通訊模塊.克服了TMS320LF2407或TMS320F2812作為處理器所存在的不足，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能瞄.

　　2.2驅(qū)動及逆變電路

　　驅(qū)動及逆變電路是永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的重要組成部分.DSP產(chǎn)生的PWM信號不能直接驅(qū)動功率逆變器，須經(jīng)一個驅(qū)動電路對PWM信號進行功率放大.本文驅(qū)動電路的主芯片采用美國IR公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動芯片IR2130,其內(nèi)部設有自舉懸浮驅(qū)動電源，只需一個供電電源即可驅(qū)動橋式逆變電路的4個功率開關器件，且對同一橋臂上下2個功率器件的門極驅(qū)動信號產(chǎn)生2us互鎖延時，避免上下橋臂直通，使整個驅(qū)動電路設計更加簡化可靠.為防止電機驅(qū)動部分瞬間過流.過壓對DSP造成損壞，在DSP的PWM輸出與IR2130的6路輸入端口之間采用高速光耦進行了隔離.功率逆變器采用MOSFET管IRF840A組成三相逆變橋，根據(jù)驅(qū)動電路放大的PWM信號，輸出永磁無刷直流電機的電壓信號.

　　2.3檢測電路

　　為了實現(xiàn)電流電壓雙閉環(huán)控制以及避免定子電流過流.過壓對電機造成損壞，需要檢測直流母線電壓和電機線電流.本文采用霍爾元件對電流進行檢測，從霍爾輸出的電壓信號經(jīng)過分壓.跟隨器以及限幅后，將信號送至DSP的A/D轉(zhuǎn)換器：采用隔離放大器光耦對電壓進行檢測，它帶有短路和過載保護的隔離放大器，這樣既實現(xiàn)了直流母線電壓的檢測，又對整個電路起到實時保護效果.

　　3軟件設計

　　3.1系統(tǒng)控制策略

　　在永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)中，為使控制系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，通常采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)串級控制.轉(zhuǎn)速環(huán)用以增強系統(tǒng)對負載變化的抗干擾能力，抑制轉(zhuǎn)速波動；電流環(huán)使電流緊緊跟隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出，對電網(wǎng)電壓的波動及時抗擾.控制算法常采用傳統(tǒng)的PID控制器，其算法簡單.穩(wěn)態(tài)高.易于實現(xiàn)；但當被控對象參數(shù)發(fā)生改變或者受非線性因素影響發(fā)生變化時，PID參數(shù)不能隨之改變，無法滿足高性能和高的控制要求.

　　模糊控制是一種基于規(guī)則的模擬人類思維的控制策略，可以很好的處理不確定性.非線性.時變性和耦合性，但單純的模糊控制不高，因此本文結(jié)合模糊控制和PID控制的優(yōu)勢，設計了轉(zhuǎn)速環(huán)模糊PI控制算法，使其既具有模糊控制靈活而適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制較高的優(yōu)點.

　　3.2軟件流程

　　本系統(tǒng)的控制軟件采用模塊化設計方法，主要有初始化程序.主程序和中斷服務子程序.初始化程序?qū)崿F(xiàn)對DSP和可編程邏輯電路的工作模式以及各變量進行初始化；主程序的主要功能是完成對DSP的系統(tǒng)上電復位和看門狗復位的自檢，對鍵盤顯示.控制算法.通訊等中斷子程序的主流程控制；中斷服務子程序主要完成系統(tǒng)控制算法.數(shù)據(jù)采集.保護以及故障處理等功能.中斷服務子程序在系統(tǒng)軟件中處于地位，電機的電子換相，轉(zhuǎn)速計算和控制算法均在中斷服務子程序中實現(xiàn)，控制算法中斷服務子程序流程圖如圖3所示.

　　4仿真與實驗

　　本文使用Matlab的模糊工具箱結(jié)合電氣系統(tǒng)

　　具箱對所設計的模糊PI控制算法進行仿真，電柵參數(shù)如下：額定電壓290V,額定轉(zhuǎn)速2000r/min,極對數(shù)為4.圖4是采用模糊PI控制算法的雙閉朝控制的速度仿真曲線.圖5是在電機啟動后在負載突增的電機速度仿真曲線.

　　從仿真結(jié)果可以看出：電機響應快.超調(diào)小.穩(wěn)態(tài)無誤差，負載突變下能快速在線調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)動靜態(tài)性能良好.為了進一步驗證本支所設計的永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的控制效暑和實用性，進行了基于DSP的轉(zhuǎn)速.電流雙閉環(huán)調(diào)速實驗，系統(tǒng)階躍響應如圖6所示.電機啟動時，給定轉(zhuǎn)速為1000r/min,5分鐘后上調(diào)給定轉(zhuǎn)速芫2000r/min.經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試與測試后，利用excel剝測試數(shù)據(jù)進行處理，并作出了相應的擬合曲線，從圖中可以看出，電機啟動較為平滑，控制高，響應快，無超調(diào)，達到了預期設計目標.

　　兩種插值算法取得的插值細化數(shù)據(jù).

　　通過對比表慚表2的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：1）在邊緣插值的方向上有很大改進，2）上相對原插值算法也有很大提高.

　　5結(jié)論

　　本算法充分利用方向模板確定梯度的方向，這樣就大大減少了丟失邊緣點方向信息的可能性.利用梯度圖像加權(quán)值后設定閾值對圖像邊緣進行細化，不但能提高，而且能減小偽邊緣.把有方向選擇的多項式插值應用在亞像素插值中，不但提高了，而且降低了誤差.