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、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校和企业培训中心得到了应用，并具有较好的推广前景。（作者：马秀坤 马学军 微计算机信息 ）
