無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的無(wú)刷電壓裂縮式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由模擬設(shè)備組成，但模擬系統(tǒng)中設(shè)備容易老化，隨著溫度的變化，設(shè)備參數(shù)移動(dòng)，由于系統(tǒng)可離性下降，系統(tǒng)配置困難，已成為制約其發(fā)展的瓶頸。隨著微處理機(jī)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器正從模擬走向數(shù)字,從而可以完成許多復(fù)雜控制,應(yīng)用前景更加廣闊。本文以單片機(jī)AT89C51為核心,設(shè)計(jì)了一種數(shù)字的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng),利用電機(jī)本身的位置傳感器信號(hào)倍頻后作為速度反饋,用脈沖信號(hào)作為速度給定信號(hào),用改進(jìn)的數(shù)字PID算法進(jìn)行速度控制,獲得了較好的控制效果。1電機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)主要由微處理器、給定電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源變換電路、主功率電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路、隔離電路、顯示電路以及看門(mén)狗電路等組成。其整個(gè)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。為了充分利用電機(jī)的功率容量和最大轉(zhuǎn)矩,本文研究的是三相無(wú)刷直流電機(jī),以星型連接全橋驅(qū)動(dòng),采用PWM調(diào)制控制速度,通電方式采用兩兩通方式。電機(jī)控制系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)控制,如圖2所示。速度環(huán)為控制系統(tǒng)外環(huán),負(fù)責(zé)對(duì)參考轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較,再通過(guò)速度調(diào)節(jié)器對(duì)轉(zhuǎn)速差進(jìn)行PID調(diào)節(jié),得到電流環(huán)調(diào)節(jié)所需要的電流參考值與實(shí)測(cè)電流之差進(jìn)行考值,對(duì)電流PID調(diào)節(jié),完成雙閉環(huán)控制。速度給定信號(hào)通過(guò)兩種方式傳給單片機(jī):通過(guò)單片機(jī)串口;通過(guò)給單片機(jī)一個(gè)與給定速度相同的周期脈沖信號(hào),單片機(jī)計(jì)算該脈沖的頻率或周期作為給定轉(zhuǎn)速。在本文中采用PhillipsSemiconductor公司生產(chǎn)的SE555定時(shí)器電路,他是8腳芯片,具有關(guān)斷時(shí)間小于2μs,最大工作頻率大于500kHz,溫度系數(shù)穩(wěn)定,只有0.005%/℃,而且外圍電路比較少,經(jīng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的PWM波形適合需要。通過(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)的電阻大小,使得555定時(shí)器輸出的PWM波形的周期和占空比發(fā)生改變,利用單片機(jī)的中斷和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器采集PWM波形的周期作為電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值。系統(tǒng)還有一些外圍電路控制電機(jī)的起停、正反轉(zhuǎn)等輔助功能。2功率過(guò)流控制器irf650驅(qū)動(dòng)電路整個(gè)控制系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心,單片機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制工作。利用單片機(jī)的引腳12(INT0)對(duì)SE555發(fā)出的脈沖進(jìn)行采樣,獲取脈沖的周期,作為轉(zhuǎn)速給定值;同樣利用引腳13(INT1)對(duì)位置傳感器中的一組(本控制器中取得是HA)進(jìn)行采樣,獲取周期值,作為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速值;對(duì)給定值和實(shí)際值進(jìn)行比較,確定電機(jī)的調(diào)速,通過(guò)脈寬調(diào)制,改變PWM波的占空比,改變加在電機(jī)上的電壓,達(dá)到調(diào)壓調(diào)速的目的;從HA,HB,HC獲取電機(jī)的位置,根據(jù)確定的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序從AT89C51的P2.2~P2.7向IR2130輸出功率MOS管(IRF540)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。IR2130從輸入端口得到驅(qū)動(dòng)信號(hào),并從6路輸出端口驅(qū)動(dòng)功率MOS管;IR2130根據(jù)采樣電阻上的電壓值,判斷電路是否過(guò)流,并向單片機(jī)的的引腳17(OC)發(fā)出信號(hào);引腳10(WDG)向看門(mén)狗電路輸出控制信號(hào),在單片機(jī)正常工作時(shí),看門(mén)狗電路不產(chǎn)生使單片機(jī)復(fù)位的信號(hào);引腳22(BH)輸出保護(hù)信號(hào),過(guò)壓、欠壓、過(guò)流中有任一情況發(fā)生時(shí),在該引腳產(chǎn)生保護(hù)信號(hào);引腳19(X1),18(X2)接晶振頻率為11.0592MHz外部晶振電路。AT89C51根據(jù)過(guò)流信號(hào)決定電機(jī)是否需要保護(hù),根據(jù)方向信號(hào)和霍爾位置傳感器信號(hào)決定電機(jī)的運(yùn)行方向和換向信號(hào),并且向看門(mén)狗輸出反相信號(hào)。最終整個(gè)處理反映在輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào),當(dāng)電機(jī)需要工作時(shí),按照設(shè)定好的邏輯關(guān)系使電機(jī)換相運(yùn)行等,當(dāng)電機(jī)處于截至?xí)r,輸出全為高,這樣電機(jī)就不會(huì)運(yùn)行。系統(tǒng)電機(jī)的額定參數(shù)是24V/120W。主電路為三相全橋結(jié)構(gòu),無(wú)刷直流電機(jī)以“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”方式運(yùn)行,即每一狀態(tài)中有兩相繞組導(dǎo)通,電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)360°電角度,共有6種磁勢(shì)狀態(tài)。三相開(kāi)關(guān)電路上橋臂的開(kāi)關(guān)管使用IRF9540,這是一種P溝道MOSFET,大多與IRF540成對(duì)使用,具有100V的耐壓和20A電流容量。由于P溝道MOSFET是負(fù)電壓開(kāi)通,不用為上橋臂提供獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源,使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。功率開(kāi)關(guān)電路的三相下橋臂采用IRF540。在本控制系統(tǒng)中,電機(jī)電壓只有24V,額定工作電流不超過(guò)0.7A,工作開(kāi)關(guān)管承受最高電壓時(shí)上下臂管關(guān)斷瞬間,此刻電壓為24+24/2=36V,從最大電壓和最大電流選擇開(kāi)關(guān)管,IRF540都是合適的。下橋臂MOSFET驅(qū)動(dòng)電路柵極中的串聯(lián)電阻對(duì)MOSFET柵極有保護(hù)作用,同時(shí)也是為了防止過(guò)高的du/dt。與電阻反向并聯(lián)的快速恢復(fù)二極管是為了達(dá)到更快的反向關(guān)斷時(shí)間,在本系統(tǒng)中采用的是快速恢復(fù)二極管FR107。3慢速積分pid算法PID控制器具有算法和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、物理意義明確、魯棒性強(qiáng),穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差等優(yōu)點(diǎn),在自動(dòng)控制系統(tǒng)中一直處于主導(dǎo)地位。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞外加電壓的大小基本上成正比,這就構(gòu)成了PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字量,不能對(duì)連續(xù)的控制算式直接進(jìn)行運(yùn)算,在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中必須對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計(jì)。電機(jī)控制系統(tǒng)為時(shí)間離散控制系統(tǒng),本電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的是數(shù)字PID算法。離散形式的PID表達(dá)式為:P(k)=KPE(k)+KI∑j=0kE(j)+KD[E(k)?E(k?1)]Ρ(k)=ΚΡE(k)+ΚΙ∑j=0kE(j)+ΚD[E(k)-E(k-1)]其中:KP,KI,KD分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù);E(k),E(k-1)分別為第k次和k-1次時(shí)的期望偏差值;P(k)為第k次時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。在普通的PID控制算法中,由于積分系數(shù)KI是常數(shù),所以在整個(gè)控制過(guò)程中,積分增量不變。而無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng),他要求系統(tǒng)偏差大時(shí)積分作用應(yīng)減弱甚至全無(wú),在偏差小時(shí)則應(yīng)加強(qiáng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變,或電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時(shí),會(huì)引起偏差的階躍,使E(k)增大,PID的輸出P(k)將急劇增加或減小,以至于超過(guò)控制量的上下限Pmax,此時(shí)的實(shí)際控制量只能限制在Pmax,電機(jī)的轉(zhuǎn)速M(fèi)(k)雖然不斷上升,但由于控制量受到限制,其增長(zhǎng)的速度減慢,偏差E(k)將比正常情況下持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間保持在較大的偏差值,從而使得PID算式中的積分項(xiàng)不斷地得到累積。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定值后,開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)的偏差,但由于積分項(xiàng)已有相當(dāng)大的累積值,還要經(jīng)過(guò)相當(dāng)一段時(shí)間后控制量才能脫離飽和區(qū),這就是正向積分飽和,反向積分飽和與此類似。解決的辦法:縮短PID的采樣周期(這一點(diǎn)單片機(jī)往往達(dá)不到),整定合適的PID參數(shù);對(duì)PID算法進(jìn)行改進(jìn),可以采用變速積分PID算法。變速積分PID算法的基本思想是:改變積分項(xiàng)的累加速度,使其與偏差大小相對(duì)應(yīng);偏差越大,積分越慢;反之越快。為此,可以取非線性函數(shù)f[E(k)]:f[E(k)]=???????1A?|E(k)|+BA0|E(k)|≤BB<|E(k)|≤A+B|E(k)|>A+Bf[E(k)]={1|E(k)|≤BA-|E(k)|+BAB<|E(k)|≤A+B0|E(k)|>A+B這時(shí)PID算法可改進(jìn)為:P(k)=KPE(k)+KI{∑j=0k=1f[E(j)]E(j)}+KD[E(k)?E(k?1)]Ρ(k)=ΚΡE(k)+ΚΙ{∑j=0k=1f[E(j)]E(j)}+ΚD[E(k)-E(k-1)]其中,f的值在0~1區(qū)間變化,當(dāng)偏差大于A+B時(shí),證明已進(jìn)入飽和區(qū),這時(shí)f=0,不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加;|E(k)|≤A+B時(shí),f隨偏差的減小而增大,累加速度加快,直至偏差小于B后,累加速度達(dá)到最大值1。這種算法對(duì)A,B兩參數(shù)的要求不精確,當(dāng)A,B的值選的越大,變速積分對(duì)飽和抑制作用越弱,反之越強(qiáng)。一般取A=30%[|E(k)|]max,B=20%[|E(k)|]max為宜。4轉(zhuǎn)速積分pid控制性能對(duì)