摘要：介紹了一種基于DSP和CPLD的無刷直流電機（BLDCM）數字化控制系統的設計，利用DSP的高速運算能力和CPLD強大的邏輯功能實現了系統的實時控制并且使得系統外圍電路得到了簡化。根據無刷直流電機的運行特性采用了PID和自適應模糊PID相結合的控制策略。系統仿真表明，該系統具有很好的動態特性和靜態特性。 關鍵詞：數字信號處理器；無刷直流電機；自適應模糊PID；仿真

New Design of Brushless DC Motor Servo System

Abstract：This paper presents a design of bmshless DC motor（BLDCM）control system based ondigital signal processor（DSP）and CPLD，The function of high—speed operation of DSP and mighty logicof CPLD are utilized to implement the real—time control of the system and simplify the peripherals．According to the character of BLDCM，this paper use the control strategy of adopting PID and self—adaptive fuzzy PID．The simulation results show that the system has good dynamic and static characteristics． Key words：DSP；BLDCM ；Self—adaptive fuzzy PID；Simulation 1 引 言 　　無刷直流電機具有質量輕、壽命長、調速范圍寬、啟動轉矩大、電磁轉矩與磁鏈耦合小等優點，在控制系統中獲得了越來越廣泛的應用。但其存在換相時電磁轉矩擾動、負載擾動、參數變化等缺點，因此需要有先進的控制策略來提高系統的控制性能. 。基于智能控制思想的模糊控制算法的最大特點是不依賴于對象模型，而是利用所制定的模糊控制規則進行推理以獲得合適的控制量，適合無刷直流電機驅動控制策略的要求。系統采用PID和模糊自適應PID相結合的控制策略。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控制器硬件的設計，不僅大大簡化了外圍電路，而且使系統的適時性和可靠性得到了提高。 2 硬件設計 2．1 無刷直流電機伺服系統的組成 　　無刷直流電機控制系統主要由DSP模塊單元、CPLD邏輯控制單元、驅動電路單元、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主要用于完成相應的電流斬波、外圍電路的實現、產生PWM信號、過流保護、欠壓保護、A／D采樣等功能[5]。其中產生PWM信號的原理是采用DSP引腳T1PWM輸出一路脈寬調制信號PWM和無刷直流電機反饋的三路轉子磁極位置信號以及電機正反轉信號并送到CPLD進行邏輯處理，輸出六路PWM調制信號PWM1一PWM6，經一個反向驅動電路連接到六個開關管，實現定額PWM和換相控制。CPLD還負責A／D采樣，并把轉換結果寫入到FIFO中，當轉換結束時通知DSP，當DSP收到結束信號時，可以從FIFO中讀取A／D轉換的數據，從而避免了A／D轉換過程中受DSP的頻繁干預，簡化了采樣控制，最大程度地減輕了DSP的負擔。VHDL語言在CPLD芯片中實現功能時，各進程之間采用并行處理方式，因此具有較好的實時性。DSP主要用于響應CPLD發送來的控制指令以及處理采集到的數據和實現控制策略等。 2．2 位置檢測和速度計算 　　位置信號通過三個霍爾傳感器得到，每個霍爾傳感器都產生一個180。脈寬且相位差互呈120。的輸出信號，它們在每個機械轉中都有6個上升或下降沿，而每一個上升或下降沿對應著一個換相時刻。通過將DSP的捕捉口CAP1～CAP3設置為I／O口、并檢測該口的電平狀態，就可以知道哪一個霍爾傳感器的什么沿觸發的捕捉中斷。在捕捉中斷處理子程序中，根據換相控制字查表就能得到換相信息，實現正確換相。 　　位置信號還可用于產生速度控制量。每個機械轉有6次換相，轉子每轉過6O°機械角都有一次換相，只要測得兩次換相的時間間隔△t，就可通過t0=60°／△t計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生時讀T2CNT寄存器的值來獲得。計算所得到的速度值作為速度反饋量參與速度調節計算。三相無刷直流電動機在啟動時也需要位置信號。通過三個霍爾傳感器的輸出來判斷應該先給哪兩相通電，并且給出一個不變的供電電流，直到第一次速度調節[2]。 2．3 系統保護電路的設計 　　在無刷直流電機控制系統中，保護電路占據著很重要的地位。對功率運放使用的關鍵是使結溫盡可能低。使結溫降低有兩個方法，一是降低功耗，二是減小熱阻。由于功率大小由系統本身的需要而定，因此要降低結溫只有選擇合適的散熱器。為了使系統可靠地工作，還必須對電流和發熱等進行限制，使功率元件工作在安全工作區內。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，如果電流超過所設定的門限值時，產生過流信號。系統采用CPLD接收來自功率驅動電路的過流和欠壓信號，將過流和欠壓信號邏輯相或產生的綜合故障信號反饋給DSP（高電平有效），當驅動電路出現過流或欠壓時，DSP將關閉定時器T1，此時不產生PWM控制信號，直到重新加電，從而實現對驅動電路和電機的保護。 [b]3 系統軟件設計 3．1 系統軟件設計流程與概述[/b] 　　系統軟件主要實現無刷直流電機的位置調節、速度調節等。其中速度調節采用PID控制，可以克服模糊控制特有的穩態誤差問題，提高系統的穩態性能；位置調節采用自適應模糊PID控制，其特點是不依賴于具體的對象模型，而是用語言變量來描述系統特征，并依據系統的動態信息和模糊控制規則進行推理以獲得合適的控制量。圖2為主程序的軟件流程圖。首先關閉中斷進行系統初始化，開啟ADC中斷，ADC中斷是通過CPLD來控制，然后讀取啟動時刻的位置值，根據位置值來產生PWM控制信號。啟動后，主程序就進入了等待循環，等待中斷的產生。當中斷標志為真時，進行系統的三閉環調節，讀取給定位置值和位置反饋值進行自適應模糊推理，完成位置調節器功能，將輸出值送到速度調節器進行PID控制，輸出電流調節器的控制信號，從而輸出PWM控制信號。 3．2 系統軟件的控制策略 　　在實際控制系統中，隨著負載的變化電機繞組的自感、互感、阻尼系數、轉動慣量等呈不確定性，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驗和規則有機地融人到控制策略中，具有較強的魯棒性，并且能夠克服系統中的不確定因素[4]。系統設計采用全數字三閉環（電流環、速度環、位置環）控制。其中電流環的設計要考慮跟隨性，使電流調節速度快；速度環主要用于增強系統抗負載擾動的能力，抑制速度波動；位置環作為外環，決定了系統響應的快速性及穩定性。基于以上考慮，為了獲得優良的性能，電流環和速度環采用PID控制，位置環采用自適應模糊PID控制技術。將模糊控制和PID控制集合起來，既可以提高控制精度，又能夠根據對象輸出的變化調整參數，取得良好的控制效果。 　　自適應模糊PID控制器結構如圖3所示，誤差e和誤差變化ee作為輸人，在PID算法的基礎上，通過計算當前系統誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表在線對Kp、Ki和Kd進行調整[3]。 其中 　　根據上式可以看出|e|和|ec|的大小變化對系統輸出u的影響程度是不同的，為了使控制對象具有良好的動態性能和靜態性能，參數Kp, Ki,和Kd的在線模糊自整定應遵循如下規則： 　　（1）當|e|較大時，即誤差較大，為了加快系統的響應速度，應把K。取得大一點；為防止|ec|瞬時過大，Kd應該取較小一點的值；為了避免出現較大的超調，應對積分作用加以限制，取消積分環節，即取Ki=O。 　　（2）當|e|為中等大小時，為使系統的超調量減小，Kp, Ki和Kd都不宜取大，應取較小的K ，而Ki和Kd大小應適中，以保證系統的響應速度。 　　（3）當|e|較小時，為使系統具有良好的穩態性能，應增大Kp,Ki的值，同時為提高系統的抗干擾能力并避免系統在設定值附近出現震蕩現象，應選取適當的Kd值，其原則為：當|ec|較小時，Kd應取大一些；當|ec|較大時，Kd應取小一些。 4 實驗結果及分析 　　應用MATLAB仿真軟件對位置控制器進行了仿真，給定位置電壓為U=1．2V，其中傳統PID的參數選取為K。=2，Ki=0．04，K =0．1，仿真結果如圖4所示，模糊自適應PID算法明顯比傳統PID控制算法的效果要好。基于模糊推理的自適應模糊PID控制在降低超調量、加快調節速度和減少穩態誤差等方面明顯優于傳統PID控制。在位置調節器中采用自適應模糊PID控制使得系統在參數變化時依然具有較快的響應能力和較強的魯棒性。 5 結束語 　　采用以DSP為主處理器，CPLD為協處理器的無刷直流電機控制系統較以往單獨以DSP作為控制核心的系統而言，利用了CPLD強大的邏輯功能及對電流的斬波功能大大減輕了DSP的工作負擔，使DSP能夠完成更為復雜的控制算法且控制的實時性得到了保障。其中對位置環采用模糊自適應PID的控制策略。仿真結果表明，與傳統PID控制方式相比，系統的響應能力、控制精度、穩態性等方面均得到明顯改善。 參考文獻： [1] 王曉明，王玲．電動機的DSP控制[M]．北京：北京航空航天出版社，2004． [2] 劉和平．TMS320LF240X DSP結構、原理及應用[M]．北京：北京航空航天出版社，2002． [3] 劉金琨．先進PID控制MATLAB仿真[M]．北京：電子工業出版社，2004． [4] HZLI．ZGONG．Dsp—based motion control of a non—commutated DC linear motor module[J]．International Journal of Software Engineering，2005． [5] Cong J，Romesis M．Performance—driven multi—level clustering with application to hierarchical FPGA mapping[C]．Design Automation Conference[S．1．]，2002．