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NEWS / 詳細信息  
 
于DSP的無刷直流電機智能控制系統研究
添加時間: 2014-12-25 10:34:52 來源: 作者: 點擊數:3443
1 引言

  永磁無刷直流電機具有交流電機的結構簡單、運行可靠、維護方便等特點,又具有直流電機調速性能好、運行效率高、無機械換向等優點,使它在機器人、數控機床、醫療器械、儀器儀表等各領域得到了廣泛的應用。尤其是采用了DSP數字信號處理器、電子換向器、光電編碼器等,使得無刷直流電機的數字化、智能化控制系統的實現成為可能,也是當今研究與應用的熱點。但由于無刷直流電機本身存在非線性、數學模型難以建立等問題,單純用傳統的PID難以獲得較好的速度控制效果;加上以往用單片機實現,線路復雜、速度慢,難以實現數字化、智能化控制。

  本設計是在我所研制的DSP數字控制實踐開發系統的基礎上,以TMS320LF2407 DSP控制器為核心;以無刷直流電機為被控對象;以模糊PI為智能控制策略;以霍爾電流傳感器及光電編碼器為檢測手段,利用DSP速度快、運算能力強、資源豐富的優勢,對無刷直流電機的控制與應用進行了研究。

  2 系統結構設計

  系統由“PC上位機、TMS320LF2407 DSP控制器、功率驅動模塊、無刷直流電機、檢測單元、通訊接口”等組成,如圖1所示。

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  2.1 DSP控制器

  TMS320LF2407是一種具有高速的運算能力與面向電機高效控制的數字信號處理器,集成了針對電機控制所需要的CPU、片內RAM、ROM/FLASH、SCI、事件管理器等功能模塊資源。CPU具有獨立的數據總線和地址總線,高速的運算能力,可完成復雜的控制算法與先進的控制策略;SCI串行通訊接口與PC上位機進行實時通訊,完成程序設計、數據采集及上位監控等功能;事件管理器的通用定時器用于產生電流和速度控制周期;16位脈寬調制PWM通道產生的信號供給驅動模塊IGBT,通過調整PWM的占空比,進行電壓自動調節,實現對無刷直流電機的轉速和電流的控制;10位A/D轉換接口用于測量電機的定子電流;正交編碼器接口QEP用于接收光電編碼器的反饋信號并計算轉速;5個外部實時中斷用于電機驅動保護和復位;3個捕捉單元可對電機轉子位置進行檢測等,這些資源為實現無刷直流電機數字化、智能化的研究與應用提供了極大方便,也是目前具有競爭力的數字電機控制器。

  2.2 無刷直流電機

  采用1500轉/分,1.78A,27V電壓供電的無刷直流電機,定子為三相對稱繞組,轉子是永磁體結構,采用星形接法兩相通電三相6狀態運行方式。當定子繞組兩相通上方波電流產生的磁場與轉子永磁磁場垂直時,則產生最大的電磁轉矩驅動轉子旋轉。隨著轉子的旋轉定子電流需要不斷換相,才能保證兩個磁場下的電流方向不變,因此通過控制三相定子電流的通電順序和大小,就可實現電機轉速的控制。

  2.3 功率驅動模塊

  功率驅動采用東芝公司的IPM模塊,包括驅動電路、逆變電路及保護電路,逆變電路采用6單元IGBT三相星形全橋連接驅動方式。利用高速光耦TLP550實現隔離驅動,使用事件管理器EVA的PWM脈沖信號控制逆變器的工作狀態,再根據轉子磁極的位置進行電機定子電流實時換相的邏輯控制;通過調節PWM脈沖的占空比可改變電機繞組的平均電壓,從而控制定子電流的大小;使用可編程PWM死區控制可以防止逆變橋短路的現象。

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  2.4 定子電流檢測

  電流檢測采用2個霍爾電流傳感器CSNE151,分別檢測A、B兩相的相電流(因為任一時刻只有兩相通電),再整合成一直流電流,經濾波后送DSP的A/D轉換模塊,則系統可采用一個電流調節器對電機的電流進行閉環控制。

  2.5 位置檢測與速度計算

  轉子位置是通過3個互差120°脈沖寬度為180°的霍爾位置傳感器,來實時檢測轉子磁極位置的6個循環變化狀態,每個60°電角度對應電機的某一對磁極下的一個位置,轉子位置狀態每變化一次,繞組導通就改變一次。A、B兩路脈沖信號送入DSP的正交編碼脈沖接口單元QEP的QEP1和QEP2引腳,經譯碼邏輯單元產生時鐘信號CLK和轉向信號DIR,將CLK作為定時器1的時鐘輸入,由T1對CLK進行脈沖計數,可以產生60°電角度脈沖信號的中斷。即根據霍爾位置傳感器的狀態信息,結合換相邏輯,DSP控制逆變器的導通或截止,從而控制電機定子繞組電流的換相。

  速度檢測采用2000個脈沖/每轉的E6B2光電編碼器,直接將電機角度的模擬信號轉換成脈沖信號,分別用定時器設置控制周期和對脈沖進行計數,實現鑒相、倍頻、轉速測量與閉環控制功能。系統各檢測狀態與換相邏輯如表1所示。

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  3 控制系統設計

  3.1 系統方框圖

  控制系統采用速度、電流雙閉環控制,速度環的作用是增強系統對負載變化的抗干擾能力,抑制轉速波動,為提高系統的動態和靜態性能,速度環控制器采用模糊自整定PID控制算法。電流環使電流緊緊跟隨速度控制器的輸出,對系統的擾動起抗干擾作用,為此電流環控制器采用PID控制算法,DSP通過速度環和電流環實時調節PWM的占空比來實現轉速的控制。模糊自整定PID與PID控制算法的有效結合,使系統具有較強的適應性,確保速度主被控量的控制質量。

  控制系統方塊圖如圖2所示,其中nr為系統速度給定量;Un為速度控制器輸出的控制量;Ui為電流控制器輸出的控制量;UKf為電流環反饋量;Uk為功率模塊輸出的控制量;nnf為速度環反饋量;n為速度環的被控量。

  3.2 模糊子集及隸屬函數

  速度環控制器的轉速給定nR和轉速反饋值nnf的誤差e(E)和誤差變化率ec(EC)作為模糊控制器的輸入,以Kp、Ki、Kd作為輸出,找出PID與誤差E和誤差變化率EC的模糊關系,運行中不斷檢測E和EC,再根據模糊控制控制原理對PID進行在線調整,以滿足不同的E和EC下被控過程對△Kp、△Ki、△Kd的要求。

  模糊子集為E=EC=△Kp=△Ki=△Kd=﹛NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB﹜=﹛負大,負中,負小,零,正小,正中,正大﹜;輸入變量論域為E=EC=﹛-3,-2,-1,0,1,2,3﹜;輸出變量論域為△Kp=﹛-0.3,0.3﹜,△Ki=﹛-0.08,0.08﹜,△Kd=﹛-3,3﹜。隸屬度函數采用靈敏性較強的三角函數,E、EC隸屬度函數如圖3所示。

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  3.3 模糊控制規則設計

  速度環模糊控制規則采用if(條件) and  then(結果)的形式表達,根據經驗并通過反復調試得到下述49條控制規則,模糊控制規則如表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。

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  3.4 模糊推理與模糊判決

  根據模糊控制規則,求出△KP、△Ki、△Kd的隸屬度P△K、i△K、d△K;采用加權平均法計算出輸出量△Kp、△Ki、△Kd的確定值;再將Kp、Ki、Kd的代入PID控制算法中,計算出速度環輸出的控制量Un,完成了PID參數的在線自整定過程。

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  T=10ms為采樣周期。

  3.5 控制程序設計

  在TMS320LF2407 DSP控制器上,采用C語言和模塊化設計方法,設計出速度控制器和電流控制器的應用程序,包括主程序、模糊自整定PID子程序、PID程序、中斷子程序等,完成初始化、參數給定、數據采集、運算與轉換、控制算法、控制量輸出、PWM與ADC中斷、邏輯換相、故障檢測等,實現了對直流無刷電機的實時控制。模糊自整定PID子程序如圖4所示。

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  4 通訊與監控系統設計

  采用現場總線Modbus和上位監控技術,設計了通訊與監控系統的硬件電路和軟件程序。用C語言和中斷程序法設計了下位機通訊程序,包括端口初始化、確定通訊波特率、校驗位、奇偶位、地址等。用VB語言的通訊控件MSComm對通訊端口進行初始化和通訊格式確定,并應用面向對象的程序方法設計了上位監控系統,包括系統命令、趨勢組態、功能組態、狀態檢測等,如按下系統命令中的“參數設置”功能按鈕,可進行速度給定nr,Kp0、Ki0、Kd0初值等值的設定;按下“顯示設置”可觀察Kp、Ki、Kd、n等實時參數。實現了上、下位機通過現場總線Modbus進行信息交換,人-機界面友好,操作方便靈活。

  5 系統調試結果

  系統速度環給定為650轉/分,啟動并運行系統,由上位機監控的可視化運行曲線可知,速度響應快,無超調,調節時間短,能快速實現正、反向運行,獲得了較好的的起動性能與運行性能,滿足了無刷直流電機系統對速度調節的平穩性和快速性的要求,轉速特性如圖5所示。

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  6 結束語

  本文的創新點是融合了“現場總線,智能控制,數字檢測,上位監控”等多種先進技術,充分利用了DSP速度快、運算能力強、資源豐富的優勢;發揮了模糊自整定PID和PID控制算法的優勢,使系統具有較快的響應速度和抗參數變化的魯棒性;設計的通訊與上位監控系統,實現了系統的實時監控與遠程控制,方便靈活,實際調試結果證明了該設計的有效性。我所研制的DSP實踐開發系統已在高校和企業培訓中心得到了應用,并具有較好的推廣前景。(作者:馬秀坤 馬學軍   微計算機信息 )



 
     
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