基于DSP的无刷直流电机控制方法研究

【摘 要】无刷直流电机因具有结构简单、运行效率高、控制简单和维护方便等优点而得到了广泛应用。在无刷直流电机控制方式中，PID控制方式具有算法简单、动态响应较快的优点，但存在稳态输出特性差，控制偏差重复的情况；而重复控制能够消除稳定闭环内所有周期性误差，并具有控制精度高、实现简单以及控制性能的非参数依赖性的特点。结合两种控制方法，采用了一种双DSP的数字化解决方案，仿真表明，其具有良好的动态和稳态性能。

【关键词】无刷直流电机；DSP；PID控制；重复控制

引言

无刷直流电机因具有结构简单、运行效率高、控制简单和维护方便等优点而得到了广泛应用。在无刷直流电机控制方式中，PID控制方式具有算法简单、动态响应较快、可靠性较高的优点，因此被广泛应用于具有精确数学模型的控制系统中，但由于模型的近似性及系统的时变性等因素，固定参数的PID控制器很难保证控制作用最优；而重复控制则利用控制偏差重复的特点逐周期地修正输出电压，经过几个周期的重复控制可以极大地提高系统的跟踪精度，消除稳定闭环内所有周期性误差，并具有控制精度高、实现简单以及控制性能的非参数依赖性的特点，但它有一个输出周期的延迟，动态响应性能欠佳。结合两种控制方法，采用了一种双DSP的数字化解决方案，PID控制器增强系统抵抗参数变化和各种非线性不确定扰动的能力，改善系统的动态特性，提高系统的鲁棒性；而重复控制器用以改善系统的稳态特性。

1.无刷直流电机模型

无刷直流电机由定子三相绕组、永磁转子、逆变器位置传感器及控制器等组成，采用稀土永磁瓦形磁钢并合理设计磁路，可以得到近似方波或梯形波的气隙磁场，定子则由逆变器提供交流方波电流。无刷直流电机控制系统采用电子换向器（逆变器）替代直流电动机的机械换向器，实现直流到交流的逆变。

2.双DSP的数字化控制方案

2.1硬件设计方案

整个控制器包括：双DSP处理器模块、A/D采样模块、数据存储器扩展模块、液晶显示模块、矩阵键盘输入模块、通信模块等。其中检测子系统是由数字信号处理器DSP及其电路来实现的。硬件部分主要选用了TI公司的DSP处理器TMS320F2407实现与外电路的交涉，如发出PWM控制信号、发出开关量控制信号、监视开关量信号、检测各种保护与故障信号、整个DSP电路板同步工作脉冲的生成以及与上位机之间的串行通讯等，另外加了一片高精度浮点数字信号处理芯片TMS320VC33，专门用于实现大量复杂的数据计算，如生成PWM脉宽数据等。同时采用了MAXIM公司的模数转换芯片MAX125完成检测子系统的数据采集和数据预处理，可编程逻辑器件CPLD主要用于产生控制系统的译码信号、开关量输入输出的缓冲和锁存，并协调各子模块之间的逻辑关系，本文选择了Lattice公司的CPLD ISPLSI101。并且其余器件全部选用高速器件，这种做法的好处是省略了接口电路的设计，提高了控制器的可靠性。（图2出了控制器与检测回路相关部分的硬件结构框图）。

2.2控制程序设计

控制器的程序分为两大部分，主程序（包括TMS320F2407和TMS320VC33）和中断程序模块，中断程序主要由四个中断服务子程序组成，包括母线A相电压过零中断服务子程序，定时器中断服务子程序，A/D采样中断服务子程序，串口通信中断子程序。主程序服务程序流程图见图3和图4。

2.3重复控制流程设计

重复控制方案（原方案）对周期性指令和扰动的系统，具有减小静差、完全补偿系统相位误差、易于应用的特点。但也存在一些不足，主要表现在不能将系统对负载扰动的抑制调节时间缩小到一个基波周期之内，通常需要一个基波周期才可完成，动态性能较差，因此可采用重复控制和PID控制相结合无刷直流电机的新型控制方案。（图5给出了控制器与检测回路相关部分的硬件结构框图）。

本文将PID控制器及重复控制器并联在控制系统的前向通道中，共同对系统的输出产生影响，无刷直流电机的新型控制器框图见图6。

图6 无刷直流电机的新型控制器的实现框图

控制器不仅仅只在跟踪误差大于环宽时才工作，当跟踪误差小于环宽时，系统的跟踪误差小，PID控制器的控制作用很小，基本不对系统产生影响，这时系统运行所需的控制作用启用重复控制算法，重复控制器只须抑制控制对象对原有指令的跟踪误差，它检测原系统的重复性跟踪误差，然后通过在原有误差上叠加修正量来减小这个误差。该控制思想是通过环宽的设置，决定了控制的投入条件，使得系统出现大的扰动时，使跟踪误差突然变大，由于有一个参考周期的延时，重复控制器的输出不发生变化，但PID控制器却感受到跟踪误差的突变并能立即产生调节作用，这样在一个周期中虽然输出波形的质量得不到很好的保证，但输出电压也不至于产生突变，一个周期过后重复控制器产生的调节作用使跟踪误差减小，随着误差的减小，PID控制器的控制作用逐渐减弱，直至系统达到新的稳定运行状态，实现稳态无差。

2.4仿真结果分析

通过建立一个PSpice仿真电路（图7，其中L1取相对较大的值）来模拟IGBT2关断时电压的变化情况，其中L1为母线寄生电感，IGBT1始终关断，IGBT2的脉冲信号如图8。

3.结论

从仿真结果的分析可以看出，该新型控制方法吸取了PID控制和重复控制各自的优点，不仅提高了系统的跟踪精度，而且大大加强了系统的鲁棒性，能较好地满足高精度无刷直流电机位置伺服系统的控制要求。

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作者简介：

杨海：（1978―）男，湖南常德人，湖南机电职业技术学院教师，讲师，从事嵌入式系统及应用研究、电机控制以及微机原理教学等工作。