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設計方案，對控制系統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。并給出了轉速調節子程序的設計方法^[1-2]。

    速度調節算法通常采用傳統PID控制算法，但它的控制參數采用一次整定方式，要想在各個運行階段都達到良好的控制效果，參數的確定往往難以實現。文獻[3]提出了一種基于模糊調節的免疫反饋PID控制，具有傳統PID控制結構簡單、可靠性高、魯棒性強等優點，提高了抗干擾性和對工況的適應性；文獻[4]將微粒群優化算法和單神經元自適應控制結合，應用在無刷直流電機的控制系統中，提高了系統的自適應性；文獻[5]將遺傳算法和模糊控制結合，對電機進行優化控制，控制系統的自適應性得到了提高。文獻[6]利用RBF神經網絡對無刷直流電機控制系統進行優化，對電機轉速和相電流進行實時采樣，修正神經網絡的權向量，通過控制電樞電壓實現對電機轉速的控制。

    本文采用改進單神經元自適應PID控制算法，可以對控制參數進行自適應調整，從而提高系統對環境的自適應性。實驗表明，采用的改進單神經元自適應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。DSP通過捕獲口CAPl、CAP2、CAP3捕捉位置傳感器的跳變信號，觸發捕獲中斷，通過讀取3個CAP口的電平狀態，得到電機控制字，然后DSP發出相應的控制指令，以改變PWM信號的開關量，進而改變開關管的導通順序，實現對電機轉速和旋轉方向的控制。控制系統的設計框圖如圖1所示。

    控制系統的控制對象為24 V/65 W的三相8極無刷直流電機，采用轉速、電流雙閉環實現對電機的轉速控制。系統的外環為速度環，DSP根據給定速度值與經霍爾傳感器得到的速度值通過改進單神經元自適應PID控制算法得到電流給定值。內環為電流環，對速度控制器的輸出電流給定值與由經A/D采樣得到的電流值比較，通過傳統PID控制算法，給出對應的PWM控制信號，實現對電機的調速控制。

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為交流電壓來驅動無刷直流電機旋轉。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。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 轉速調節子程序

    釆用改進單神經元自適應PID控制算法實現轉速的調節，算法可以對控制參數進行自適應調整，從而提高系統的抗干擾性和對環境的自適應性。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；K為比例系數，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，K為比例系數，u和u_1為系統的輸出。

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狀態進行調壓的控制方法，下橋臂工作于常通狀態。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

    轉速調節程序中首先采用傳統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，并保存在數組中，5 s后電機停止運行。轉速調節程序采用改進單神經元自適應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PID控制算法，系統自空載啟動到達穩態所需時間為0.6 s，且超調量較大，約為20%；采用改進單神經元自適應PID控制算法，系統自空載啟動后在較短時間內(約0.2 s)進入穩定狀態，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，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，其中轉速調節算法采用改進單神經元自適應PID控制算法。實驗表明，所設計的無刷直流電機控制系統是可行的，轉速調節采用改進單神經元自適應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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[4] 代睿，曹龍漢，何俊強，等．基于微粒群算法的無刷直流電機單神經元自適應控制[J]．電工技術學報，2011，26(4)：57-63.

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