基于DSP的无刷直流电机智能控制系统研究

2011-03-28 09:37:17来源: 互联网

介绍了TMS320LF2407 DSP在无刷直流电机控制系统中的应用研究,采用了模糊控制策略,设计了上位监控系统,给出了数字化、智能化的实现方案,实践结果证明了系统的平稳性和快速性满足要求。

1 引言

永磁无刷直流电机具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点,又具有直流电机调速性能好、运行效率高、无机械换向等优点,使它在机器人、数控机床、医疗器械、仪器仪表等各领域得到了广泛的应用。尤其是采用了DSP数字信号处理器、电子换向器、led/' target='_blank'>光电编码器等,使得无刷直流电机的数字化、智能化控制系统的实现成为可能,也是当今研究与应用的热点。但由于无刷直流电机本身存在非线性、数学模型难以建立等问题,单纯用传统的PID难以获得较好的速度控制效果;加上以往用单片机实现,线路复杂、速度慢,难以实现数字化、智能化控制。

本设计是在我所研制的DSP数字控制实践开发系统的基础上,以TMS320LF2407 DSP控制器为核心;以无刷直流电机为被控对象;以模糊PI为智能控制策略;以霍尔电流传感器及光电编码器为检测手段,利用DSP速度快、运算能力强、资源丰富的优势,对无刷直流电机的控制与应用进行了研究。

2 系统结构设计

系统由“PC上位机、TMS320LF2407 DSP控制器、功率驱动模块、无刷直流电机、检测单元、通讯接口”等组成,如图1所示。

2.1 DSP控制器

TMS320LF2407是一种具有高速的运算能力与面向电机高效控制的数字信号处理器,集成了针对电机控制所需要的CPU、片内RAM、ROM/FLASH、SCI、事件管理器等功能模块资源。CPU具有独立的数据总线和地址总线,高速的运算能力,可完成复杂的控制算法与先进的控制策略;SCI串行通讯接口与PC上位机进行实时通讯,完成程序设计、数据采集及上位监控等功能;事件管理器的通用定时器用于产生电流和速度控制周期;16位脉宽调制PWM通道产生的信号供给驱动模块IGBT,通过调整PWM的占空比,进行电压自动调节,实现对无刷直流电机的转速和电流的控制;10位A/D转换接口用于测量电机的定子电流;正交编码器接口QEP用于接收光电编码器的反馈信号并计算转速;5个外部实时中断用于电机驱动保护和复位;3个捕捉单元可对电机转子位置进行检测等,这些资源为实现无刷直流电机数字化、智能化的研究与应用提供了极大方便,也是目前具有竞争力的数字电机控制器。

2.2 无刷直流电机

采用1500转/分,1.78A,27V电压供电的无刷直流电机,定子为三相对称绕组,转子是永磁体结构,采用星形接法两相通电三相6状态运行方式。当定子绕组两相通上方波电流产生的磁场与转子永磁磁场垂直时,则产生最大的电磁转矩驱动转子旋转。随着转子的旋转定子电流需要不断换相,才能保证两个磁场下的电流方向不变,因此通过控制三相定子电流的通电顺序和大小,就可实现电机转速的控制。

2.3 功率驱动模块

功率驱动采用东芝公司的IPM模块,包括驱动电路、逆变电路及保护电路,逆变电路采用6单元IGBT三相星形全桥连接驱动方式。利用高速光耦TLP550实现隔离驱动,使用事件管理器EVA的PWM脉冲信号控制逆变器的工作状态,再根据转子磁极的位置进行电机定子电流实时换相的逻辑控制;通过调节PWM脉冲的占空比可改变电机绕组的平均电压,从而控制定子电流的大小;使用可编程PWM死区控制可以防止逆变桥短路的现象。

2.4 定子电流检测

电流检测采用2个霍尔电流传感器CSNE151,分别检测A、B两相的相电流(因为任一时刻只有两相通电),再整合成一直流电流,经滤波后送DSP的A/D转换模块,则系统可采用一个电流调节器对电机的电流进行闭环控制。

2.5 位置检测与速度计算

转子位置是通过3个互差120°脉冲宽度为180°的霍尔位置传感器,来实时检测转子磁极位置的6个循环变化状态,每个60°电角度对应电机的某一对磁极下的一个位置,转子位置状态每变化一次,绕组导通就改变一次。A、B两路脉冲信号送入DSP的正交编码脉冲接口单元QEP的QEP1和QEP2引脚,经译码逻辑单元产生时钟信号CLK和转向信号DIR,将CLK作为定时器1的时钟输入,由T1对CLK进行脉冲计数,可以产生60°电角度脉冲信号的中断。即根据霍尔位置传感器的状态信息,结合换相逻辑,DSP控制逆变器的导通或截止,从而控制电机定子绕组电流的换相。

速度检测采用2000个脉冲/每转的E6B2光电编码器,直接将电机角度的模拟信号转换成脉冲信号,分别用定时器设置控制周期和对脉冲进行计数,实现鉴相、倍频、转速测量与闭环控制功能。系统各检测状态与换相逻辑如表1所示。

3 控制系统设计

3.1 系统方框图

控制系统采用速度、电流双闭环控制,速度环的作用是增强系统对负载变化的抗干扰能力,抑制转速波动,为提高系统的动态和静态性能,速度环控制器采用模糊自整定PID控制算法。电流环使电流紧紧跟随速度控制器的输出,对系统的扰动起抗干扰作用,为此电流环控制器采用PID控制算法,DSP通过速度环和电流环实时调节PWM的占空比来实现转速的控制。模糊自整定PID与PID控制算法的有效结合,使系统具有较强的适应性,确保速度主被控量的控制质量。

控制系统方块图如图2所示,其中nr为系统速度给定量;Un为速度控制器输出的控制量;Ui为电流控制器输出的控制量;Ukf为电流环反馈量;Uk为功率模块输出的控制量;nnf为速度环反馈量;n为速度环的被控量。

3.2 模糊子集及隶属函数

速度环控制器的转速给定nR和转速反馈值nnf的误差e(E)和误差变化率ec(EC)作为模糊控制器的输入,以Kp、Ki、Kd作为输出,找出PID与误差E和误差变化率EC的模糊关系,运行中不断检测E和EC,再根据模糊控制控制原理对PID进行在线调整,以满足不同的E和EC下被控过程对△Kp、△Ki、△Kd的要求。

模糊子集为E=EC=△Kp=△Ki=△Kd=﹛NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB﹜=﹛负大,负中,负小,零,正小,正中,正大﹜;输入变量论域为E=EC=﹛-3,-2,-1,0,1,2,3﹜;输出变量论域为△Kp=﹛-0.3,0.3﹜,△Ki=﹛-0.08,0.08﹜,△Kd=﹛-3,3﹜。隶属度函数采用灵敏性较强的三角函数,E、EC隶属度函数如图3所示。

3.3 模糊控制规则设计

速度环模糊控制规则采用if(条件) and then(结果)的形式表达,根据经验并通过反复调试得到下述49条控制规则,模糊控制规则如表2所示。

(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。

3.4 模糊推理与模糊判决

根据模糊控制规则,求出△KP、△Ki、△Kd的隶属度P△K、i△K、d△K;采用加权平均法计算出输出量△Kp、△Ki、△Kd的确定值;再将Kp、Ki、Kd的代入PID控制算法中,计算出速度环输出的控制量Un,完成了PID参数的在线自整定过程。

T=10ms为采样周期。

3.5 控制程序设计

在TMS320LF2407 DSP控制器上,采用C语言和模块化设计方法,设计出速度控制器和电流控制器的应用程序,包括主程序、模糊自整定PID子程序、PID程序、中断子程序等,完成初始化、参数给定、数据采集、运算与转换、控制算法、控制量输出、PWM与ADC中断、逻辑换相、故障检测等,实现了对直流无刷电机的实时控制。模糊自整定PID子程序如图4所示。

4 通讯与监控系统设计

采用现场总线Modbus和上位监控技术,设计了通讯与监控系统的硬件电路和软件程序。用C语言和中断程序法设计了下位机通讯程序,包括端口初始化、确定通讯波特率、校验位、奇偶位、地址等。用VB语言的通讯控件MSComm对通讯端口进行初始化和通讯格式确定,并应用面向对象的程序方法设计了上位监控系统,包括系统命令、趋势组态、功能组态、状态检测等,如按下系统命令中的“参数设置”功能按钮,可进行速度给定nr,Kp0、Ki0、Kd0初值等值的设定;按下“显示设置”可观察Kp、Ki、Kd、n等实时参数。实现了上、下位机通过现场总线Modbus进行信息交换,人-机界面友好,操作方便灵活。

5 系统调试结果

系统速度环给定为650转/分,启动并运行系统,由上位机监控的可视化运行曲线可知,速度响应快,无超调,调节时间短,能快速实现正、反向运行,获得了较好的的起动性能与运行性能,满足了无刷直流电机系统对速度调节的平稳性和快速性的要求,转速特性如图5所示。

6 结束语

本文的创新点是融合了“现场总线,智能控制,数字检测,上位监控”等多种先进技术,充分利用了DSP速度快、运算能力强、资源丰富的优势;发挥了模糊自整定PID和PID控制算法的优势,使系统具有较快的响应速度和抗参数变化的鲁棒性;设计的通讯与上位监控系统,实现了系统的实时监控与远程控制,方便灵活,实际调试结果证明了该设计的有效性。我所研制的DSP实践开发系统已在高

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关键字:DSP

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0328/article_6219.html
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