1 引 言

　　無刷直流電機(jī)具有質(zhì)量輕、壽命長、調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈耦合小等優(yōu)點(diǎn)，在控制系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。但其存在換相時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)、參數(shù)變化等缺點(diǎn)，因此需要有先進(jìn)的控制策略來提高系統(tǒng)的控制性能. 。基于智能控制思想的模糊控制算法的最大特點(diǎn)是不依賴于對象模型，而是利用所制定的模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理以獲得合適的控制量，適合無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略的要求。系統(tǒng)采用PID和模糊自適應(yīng)PID相結(jié)合的控制策略。利用ALTERA公司的MAX7000系列CPLD器件和美國TI公司的面向電機(jī)控制的專用DSP芯片TMS320LF2407A作為控制器的核心，完成了無刷直流電機(jī)控制器硬件的設(shè)計(jì)，不僅大大簡化了外圍電路，而且使系統(tǒng)的適時(shí)性和可靠性得到了提高。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的組成

　　無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要由DSP模塊單元、CPLD邏輯控制單元、驅(qū)動(dòng)電路單元、位置檢測單元、電流檢測單元等組成，組成框圖如圖1所示。CPLD主要用于完成相應(yīng)的電流斬波、外圍電路的實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)生PWM信號(hào)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、A／D采樣等功能[5]。其中產(chǎn)生PWM信號(hào)的原理是采用DSP引腳T1PWM輸出一路脈寬調(diào)制信號(hào)PWM和無刷直流電機(jī)反饋的三路轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)以及電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)并送到CPLD進(jìn)行邏輯處理，輸出六路PWM調(diào)制信號(hào)PWM1一PWM6，經(jīng)一個(gè)反向驅(qū)動(dòng)電路連接到六個(gè)開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)定額PWM和換相控制。CPLD還負(fù)責(zé)A／D采樣，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入到FIFO中，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)通知DSP，當(dāng)DSP收到結(jié)束信號(hào)時(shí)，可以從FIFO中讀取A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，從而避免了A／D轉(zhuǎn)換過程中受DSP的頻繁干預(yù)，簡化了采樣控制，最大程度地減輕了DSP的負(fù)擔(dān)。VHDL語言在CPLD芯片中實(shí)現(xiàn)功能時(shí)，各進(jìn)程之間采用并行處理方式，因此具有較好的實(shí)時(shí)性。DSP主要用于響應(yīng)CPLD發(fā)送來的控制指令以及處理采集到的數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)控制策略等。

　　2．2 位置檢測和速度計(jì)算

　　位置信號(hào)通過三個(gè)霍爾傳感器得到，每個(gè)霍爾傳感器都產(chǎn)生一個(gè)180。脈寬且相位差互呈120。的輸出信號(hào)，它們在每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中都有6個(gè)上升或下降沿，而每一個(gè)上升或下降沿對應(yīng)著一個(gè)換相時(shí)刻。通過將DSP的捕捉口CAP1～CAP3設(shè)置為I／O口、并檢測該口的電平狀態(tài)，就可以知道哪一個(gè)霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。在捕捉中斷處理子程序中，根據(jù)換相控制字查表就能得到換相信息，實(shí)現(xiàn)正確換相。

　　位置信號(hào)還可用于產(chǎn)生速度控制量。每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)有6次換相，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過6O°機(jī)械角都有一次換相，只要測得兩次換相的時(shí)間間隔△t，就可通過t0=60°／△t計(jì)算出兩次換相間隔期間的平均角速度。△t可以通過在捕捉中斷發(fā)生時(shí)讀T2CNT寄存器的值來獲得。計(jì)算所得到的速度值作為速度反饋量參與速度調(diào)節(jié)計(jì)算。三相無刷直流電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)也需要位置信號(hào)。通過三個(gè)霍爾傳感器的輸出來判斷應(yīng)該先給哪兩相通電，并且給出一個(gè)不變的供電電流，直到第一次速度調(diào)節(jié)[2]。

　　2．3 系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，保護(hù)電路占據(jù)著很重要的地位。對功率運(yùn)放使用的關(guān)鍵是使結(jié)溫盡可能低。使結(jié)溫降低有兩個(gè)方法，一是降低功耗，二是減小熱阻。由于功率大小由系統(tǒng)本身的需要而定，因此要降低結(jié)溫只有選擇合適的散熱器。為了使系統(tǒng)可靠地工作，還必須對電流和發(fā)熱等進(jìn)行限制，使功率元件工作在安全工作區(qū)內(nèi)。其中限流的工作原理是通過取樣電阻檢測全橋低邊電流，再把檢測電流送人CPLD的邏輯控制單元中，如果電流超過所設(shè)定的門限值時(shí)，產(chǎn)生過流信號(hào)。系統(tǒng)采用CPLD接收來自功率驅(qū)動(dòng)電路的過流和欠壓信號(hào)，將過流和欠壓信號(hào)邏輯相或產(chǎn)生的綜合故障信號(hào)反饋給DSP（高電平有效），當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)過流或欠壓時(shí)，DSP將關(guān)閉定時(shí)器T1，此時(shí)不產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，直到重新加電，從而實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)的保護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3．1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程與概述

　　系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的位置調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)等。其中速度調(diào)節(jié)采用PID控制，可以克服模糊控制特有的穩(wěn)態(tài)誤差問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；位置調(diào)節(jié)采用自適應(yīng)模糊PID控制，其特點(diǎn)是不依賴于具體的對象模型，而是用語言變量來描述系統(tǒng)特征，并依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息和模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理以獲得合適的控制量。首先關(guān)閉中斷進(jìn)行系統(tǒng)初始化，開啟ADC中斷，ADC中斷是通過CPLD來控制，然后讀取啟動(dòng)時(shí)刻的位置值，根據(jù)位置值來產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。啟動(dòng)后，主程序就進(jìn)入了等待循環(huán)，等待中斷的產(chǎn)生。當(dāng)中斷標(biāo)志為真時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)的三閉環(huán)調(diào)節(jié)，讀取給定位置值和位置反饋值進(jìn)行自適應(yīng)模糊推理，完成位置調(diào)節(jié)器功能，將輸出值送到速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行PID控制，輸出電流調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，從而輸出PWM控制信號(hào)。

　　3．2 系統(tǒng)軟件的控制策略

　　在實(shí)際控制系統(tǒng)中，隨著負(fù)載的變化電機(jī)繞組的自感、互感、阻尼系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等呈不確定性，因此僅采用PID策略已不能提供很好的控制性能，而模糊控制把一些具有模糊性的成熟經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融人到控制策略中，具有較強(qiáng)的魯棒性，并且能夠克服系統(tǒng)中的不確定因素[4]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用全數(shù)字三閉環(huán)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)）控制。其中電流環(huán)的設(shè)計(jì)要考慮跟隨性，使電流調(diào)節(jié)速度快；速度環(huán)主要用于增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)；位置環(huán)作為外環(huán)，決定了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性及穩(wěn)定性?；谝陨峡紤]，為了獲得優(yōu)良的性能，電流環(huán)和速度環(huán)采用PID控制，位置環(huán)采用自適應(yīng)模糊PID控制技術(shù)。將模糊控制和PID控制集合起來，既可以提高控制精度，又能夠根據(jù)對象輸出的變化調(diào)整參數(shù)，取得良好的控制效果。

　　自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)，誤差e和誤差變化ee作為輸人，在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表在線對Kp、Ki和Kd進(jìn)行調(diào)整。

　　根據(jù)上式可以看出|e|和|ec|的大小變化對系統(tǒng)輸出u的影響程度是不同的，為了使控制對象具有良好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能，參數(shù)Kp, Ki,和Kd的在線模糊自整定應(yīng)遵循如下規(guī)則：

　?。?）當(dāng)|e|較大時(shí)，即誤差較大，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)把K。取得大一點(diǎn)；為防止|ec|瞬時(shí)過大，Kd應(yīng)該取較小一點(diǎn)的值；為了避免出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，取消積分環(huán)節(jié)，即取Ki=O。

　　（2）當(dāng)|e|為中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)的超調(diào)量減小，Kp, Ki和Kd都不宜取大，應(yīng)取較小的K ，而Ki和Kd大小應(yīng)適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

　?。?）當(dāng)|e|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大Kp,Ki的值，同時(shí)為提高系統(tǒng)的抗干擾能力并避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)腒d值，其原則為：當(dāng)|ec|較小時(shí)，Kd應(yīng)取大一些；當(dāng)|ec|較大時(shí)，Kd應(yīng)取小一些。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　應(yīng)用MATLAB仿真軟件對位置控制器進(jìn)行了仿真，給定位置電壓為U=1．2V，其中傳統(tǒng)PID的參數(shù)選取為K。=2，Ki=0．04，K =0．1，仿真結(jié)果，模糊自適應(yīng)PID算法明顯比傳統(tǒng)PID控制算法的效果要好。基于模糊推理的自適應(yīng)模糊PID控制在降低超調(diào)量、加快調(diào)節(jié)速度和減少穩(wěn)態(tài)誤差等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。在位置調(diào)節(jié)器中采用自適應(yīng)模糊PID控制使得系統(tǒng)在參數(shù)變化時(shí)依然具有較快的響應(yīng)能力和較強(qiáng)的魯棒性。

5 結(jié)束語

　　采用以DSP為主處理器，CPLD為協(xié)處理器的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)較以往單獨(dú)以DSP作為控制核心的系統(tǒng)而言，利用了CPLD強(qiáng)大的邏輯功能及對電流的斬波功能大大減輕了DSP的工作負(fù)擔(dān)，使DSP能夠完成更為復(fù)雜的控制算法且控制的實(shí)時(shí)性得到了保障。其中對位置環(huán)采用模糊自適應(yīng)PID的控制策略。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制方式相比，系統(tǒng)的響應(yīng)能力、控制精度、穩(wěn)態(tài)性等方面均得到明顯改善。