0 引言

    無刷直流電機是電力電子技術、微電子技術、控制理論和電機技術相結合的產(chǎn)物。具有啟動時間短、啟動轉矩和制動轉矩大、調速范圍大、結構簡單、噪聲低、可靠性高、維護周期長等優(yōu)點。被廣泛應用于國防、航空航天、機器人、自平衡車、無人機、電動汽車、家用電器、辦公自動化以及工業(yè)過程控制等領域。

    本文給出了基于TMS320F28335 DSP的無刷直流電機的控制系統(tǒng)設計方案，對控制系統(tǒng)的主要硬件電路模塊進行了詳細設計，包括電機驅動電路和控制電路的設計。并給出了轉速調節(jié)子程序的設計方法^[1-2]。

    速度調節(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，要想在各個運行階段都達到良好的控制效果，參數(shù)的確定往往難以實現(xiàn)。文獻[3]提出了一種基于模糊調節(jié)的免疫反饋PID控制，具有傳統(tǒng)PID控制結構簡單、可靠性高、魯棒性強等優(yōu)點，提高了抗干擾性和對工況的適應性；文獻[4]將微粒群優(yōu)化算法和單神經(jīng)元自適應控制結合，應用在無刷直流電機的控制系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的自適應性；文獻[5]將遺傳算法和模糊控制結合，對電機進行優(yōu)化控制，控制系統(tǒng)的自適應性得到了提高。文獻[6]利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡對無刷直流電機控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，對電機轉速和相電流進行實時采樣，修正神經(jīng)網(wǎng)絡的權向量，通過控制電樞電壓實現(xiàn)對電機轉速的控制。

    本文采用改進單神經(jīng)元自適應PID控制算法，可以對控制參數(shù)進行自適應調整，從而提高系統(tǒng)對環(huán)境的自適應性。實驗表明，采用的改進單神經(jīng)元自適應PID控制算法可以使無刷直流電機的響應時間更短，超調量和波動更小。

1 系統(tǒng)總體設計方案

    以TMS320F28335 DSP為核心控制芯片，設計了無刷直流電機控制系統(tǒng)。DSP通過捕獲口CAPl、CAP2、CAP3捕捉位置傳感器的跳變信號，觸發(fā)捕獲中斷，通過讀取3個CAP口的電平狀態(tài)，得到電機控制字，然后DSP發(fā)出相應的控制指令，以改變PWM信號的開關量，進而改變開關管的導通順序，實現(xiàn)對電機轉速和旋轉方向的控制。控制系統(tǒng)的設計框圖如圖1所示。

    控制系統(tǒng)的控制對象為24 V/65 W的三相8極無刷直流電機，采用轉速、電流雙閉環(huán)實現(xiàn)對電機的轉速控制。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改進單神經(jīng)元自適應PID控制算法得到電流給定值。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，對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，通過傳統(tǒng)PID控制算法，給出對應的PWM控制信號，實現(xiàn)對電機的調速控制。

2 硬件電路設計

2.1 無刷直流電機驅動電路

    功率變換電路的主要功能是將直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟妷簛眚寗訜o刷直流電機旋轉。本文的控制對象是65 W的中小型電機，因此功率變換電路采用驅動芯片+MOSFE的方式，DSP輸出的PWM信號經(jīng)過功率放大、光電隔離處理后送入驅動芯片，驅動功率管MOSFET開通和關斷。

    驅動芯片選用International Rectifier公司生產(chǎn)的IR2136，此芯片為三相逆變電路驅動器集成電路，適用于驅動無刷直流電機、永磁同步和交流異步電機等。驅動芯片的電路圖如圖2所示。

    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，電容的作用是存儲電壓。脈沖頻率較高時，升壓電路的電壓為輸入電壓加上電容存儲電壓，導致電壓增大。設計升壓電路是為了提高驅動電壓幅值，使驅動芯片能夠可靠地驅動高壓側功率管的開通。

2.2 控制電路

    TMS320F28335的ePWM模塊有ePWM1~ePWM6共6個子模塊，每個ePWM子模塊有兩路PWM輸出，分別為ePWMxA和ePWMxB。三相電流橋由6個功率管MOSFET組成，每個橋臂上的兩個功率管MOSFET的控制信號相互關聯(lián)。所以，前3個ePWM子模塊（ePWM1、ePWM2、ePWM3）就可以滿足無刷直流電機的控制要求，PWM控制信號分別為ePWM1A和ePWM1B、ePWM2A和ePWM2B、ePWM3A和ePWM3B。因為DSP引腳輸出信號的負載能力有限，所以輸出的PWM信號需要經(jīng)過功率放大器提升負載能力，選用的功率放大器為74HC245，相應的電路如圖3所示。

3 轉速調節(jié)子程序

    釆用改進單神經(jīng)元自適應PID控制算法實現(xiàn)轉速的調節(jié)，算法可以對控制參數(shù)進行自適應調整，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性和對環(huán)境的自適應性。算法表達式如下：

式中，η_I、η_P、η_D分別為積分、比例、微分的學習速率；w_i(k)為加權系數(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。

    算法的實現(xiàn)過程為：電機運行時，通過DSP的通用定時器可以獲取相鄰兩次霍爾信號變化的時間間隔，從而計算出電機的實時轉速。與給定速度比較，可以得到轉速的偏差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)算法表達式，可以得到程序的流程圖，如圖4所示。

    圖中，r為給定轉速，y為電機反饋的實際轉速，error和error_1為轉速偏差，d_error為偏差的變化量，lr_p、lr_i、lr_d分別為比例、積分、微分的學習速率，wp、wi、wd、wp_1、wi_1、wd_1、wp_11、wi_11、wd_11、wadd為加權系數(shù)，K為比例系數(shù)，u和u_1為系統(tǒng)的輸出。

4 實驗結果與分析

4.1 PWM控制信號的測試

    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)進行調壓的控制方法，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。

4.2 轉速信號檢測

    轉速調節(jié)程序中首先采用傳統(tǒng)PID控制算法，設置電機的運行時間為5 s，給定轉速為2 500 r/min。電機開始運行，期間每隔50 ms計算一次轉速，并保存在數(shù)組中，5 s后電機停止運行。轉速調節(jié)程序采用改進單神經(jīng)元自適應PID控制算法，重復上述實驗，分別得到如圖7、圖8所示的速度響應曲線。

    通過對比上面速度響應曲線，可以得出：在給定轉速(2 500 r/min)下，采用傳統(tǒng)PID控制算法，系統(tǒng)自空載啟動到達穩(wěn)態(tài)所需時間為0.6 s，且超調量較大，約為20%；采用改進單神經(jīng)元自適應PID控制算法，系統(tǒng)自空載啟動后在較短時間內(nèi)(約0.2 s)進入穩(wěn)定狀態(tài)，超調量很小，僅為1%左右，此外，速度曲線的波動很小。

5 結論

    本文以三相8極無刷直流電機為控制對象，設計了無刷直流電機控制系統(tǒng)，對主要硬件電路和軟件程序做了詳細設計，并給出了相應的電路原理圖和程序流程圖，其中轉速調節(jié)算法采用改進單神經(jīng)元自適應PID控制算法。實驗表明，所設計的無刷直流電機控制系統(tǒng)是可行的，轉速調節(jié)采用改進單神經(jīng)元自適應PID控制算法，可以使無刷直流電機的響應時間更短，超調量和波動更小，達到了預期目的。

參考文獻

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