摘要：介绍了基于TMs320F2812数字信号处理器、采用新型PID参数自整定分段控制的方法实现高精度无刷直流电机伺服控制系统。详细介绍了系统的硬件结构和位置环、速度环和电流环三闭环控制方法。实验结果表明，系统精度高、响应速度快。
关键词：无刷直流电机；伺服控制；数字控制；实验0 引 言无刷直流电机具有调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、寿命长、起动转矩大、过载能力强等优点。无刷直流电机采用专用芯片。本系统选用TMs320F2812处理器构建控制平台，充分利用DsP的片内资源，以简洁可靠的硬件结构实现了电机的位置、速度和电流三闭环全数字化控制。
1 系统硬件构成和工作原理
1.1控制电路
TMs320F2812数字信号处理器是基于TMs320c2xx内核的定点数字信号处理器。F2812数字信号处理器的运算精度达32位，主频高达150．MHz，内部集成了128 kB的nash存储器，4kB的引导．ROM，数学运算表，2 kB的0TP ROM以及两个事件管理器。其先进的内部和外设结构使得该处理器特别适合电机及其他运动控制应用，能够真正实现单片控制，为电机的伺服控制提供了良好的控制功能。
由于在F2812芯片上集成了上述灵活、可靠的控制和通信模块，因此完全可以采用单芯片实现伺服系统的控制和通信功能。图1给出了本系统的整体结构功能框图。
1．2逻辑电路
逻辑电路选用MAx7000A系列的EPM7128AE器件对电机的转子位置等信号进行逻辑处理。该器件基于高性能的cMOS EEPROM工艺，最小传输延迟时间为4．5 ns。由于其良好性能，能完全满足系统的性能要求。器件EPM7128AE实现了电机的三相全桥逆变电路触发信号、过流保护、正反转、三相全桥开通与关断功能，将这些信号进行与或逻辑后输出六路PwM信号控制电机。
1．3驱动电路电机的驱动电路
由驱动芯片。[R2130和三相全桥逆变电路构成，如图2所示。驱动芯片IR2130内置了2．5μs的死区时间，防止同一桥臂的上下两个MOSFET同时导通。当系统出现欠压、过流时，IR2130起动内置的保护电路锁住后面的PWM输出，保护系统电路。
驱动电路采用上桥臂功率管PWM斩波控制的单斩方式。[R2130的输入信号由EPM7128AE得到的PWM信号，经过隔离驱动后，把PWM信号送入[R2130的输入口，信号经过IR2130后的输出给MOSFET去驱动无刷直流电动机。通过对定子绕组输入电压进行PwM斩波，从而改变定子绕组的平均电压，实现了调压调速。
2伺服控制策略
本系统采用全数字三闭环控制。电流环设计成I型系统，控制算法采用P控制；速度环设计成Ⅱ型系统，控制算法采用PI控制；位置环采用分段控制，根据不同时刻的位置误差及其变化率采取不同的控制策略，能够较好地对非线性对象进行控制。伺服系统的控制如图3所示。
2．1电流检测
为了检测到准确的电流反馈值，用一个O．01 Ω无感精密电阻(见图2中的电阻R)作为一个电流传感器，将其安放在母线回路上。采样电阻将电流信号转换为电压信号，电压信号送到电流监控芯片INAl94进行放大，然后经过由0PA2344构成二阶有源滤波电路滤波，再经AD—uMl401隔离送到DSP的A／D转换器。本文中开关管采用单极性PWM控制，因此只能在PWM的高电平区间，即上下桥臂开通期间才能采样到电流值。采用定时器周期中断，每中断1次进行1次电流环调节。
2．2速度检测速度
检测不但用于产生速度反馈量，而且还用于换向控制。每一个霍尔传感器都会产生180°
脉宽的输出信号，3个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差。它们在每个机械转动中对应6个换向时刻。速度检测把霍尔传感器得到的霍尔信号Ha、Hb、Hc经过逻辑运算后，得到12个上升沿和下降沿的信号。通过将DSP设置为双沿触发捕获中断功能，电动机每转动60°就有一次捕获。只要检测两次换向的时间间隔就能够计算出电动机的速度，同时把定时器采用128分频。由于电动机为两对极，因此电动机的角速度为ω=60°／t·12。采用连续捕获12次位置信号，然后取平均值的办法算出无刷直流电动机的速度值。cPu定时器每中断4次进行1次转换调节。
3位置环控制
位置环作为三闭环数字调节器的最外环，直接决定了伺服系统的各种动态和静态性能。cPu定时器每中断8次，进行1次位置环调节。
位置给定具有很大的不确定性，加之被控对象的非线性以及系统参数的时变性等，一般传统的P1D控制算法很难满足要求，理论和实践均证明采用分段控制根据不同时刻的位置误差及其变化率采取不同的控制策略，很够较好地对非线性对象进行控制。图4是系统位置环的调节规律，在位置误差较大的OA段电机全速运行，以加快响应的上升时间，A点是bang—bang控制点，之后采用PID控制。AB段采用积分分离的PI控制，接下来按照位置误差ep及其变化率ep的正负关系将控制过程分为Bc—cD—DE—EF四段进行控制。各段采取不同的PID参数，与固定参数的PID控制算法相
可见，不完全微分的uD(K)多了一项α·un(k一1)，原微分系数由KD降到KD(1一α)。
4试验结果及其分析
采用PID参数自整定分段控制的方法得到的位置环的调试结果如图6和图7所示。其中图6为方波跟踪响应，着重体现的是系统的跟踪效果；图7为阶跃响应，着重体现为静态精度。
从上面的位置响应曲线图可以看出，系统的跟踪效果较好，稳态精度较高，已达到控制要求O．2°；动态过程中半波振荡1次也基本满足要求，满足了系统性能指标，达到了系统的控制要求。
5结论
采用了先进的TMS320F2812数字信号处理器，使得稳定时间能够很短。由于F2812的集成度高，单片就能完成整个控制功能，使得硬件系统的体积大大缩小。针对无刷直流电机伺服控制系统要求的精度高、响应速度快，采用了PID参数自整定的方法，根据偏差和偏差变化率，对不同的阶段采用不同的控制方法，充分发挥各种控制方法的优点。实验结果表明，系统响应快、性能稳定，能较好地满足伺服系统控制性能的要求。
参考文献
[1]张琛直流无刷电机原理及应用[M]．北京：机械工业出版社，2004[2] 苏奎峰，吕强，耿庆锋，等．TrMS320F2812原理与开发[M]．北京：电子工业出版社，2005[3] Kall J．AstomBiBwittenmark．计算机控制系统[M]．北京：电子工业出版社．2001[4] 李凌志，张文志，孟瑞锋．基于DsP的无刷直流电机伺服控制系统[J]机电工程，2007，(5)：66_69．[5]毛怿弘，邹俊忠，姚晓东，等无刷直流电机元位置换向控制[J]．微电机，2004，(3)：4345．[6]敖银辉．基于DsP的无刷直流电机模糊控制系统研究[J]，中小型电机，2004，(2)：3003[7]周雪琴，安锦文计算机控制系统[M]．西安：西北工业大学出版社．1998作者简介：王澍(1982一)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。
林辉(1957一)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与申．力传动。
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