如何使用DSP無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行模糊控制系統(tǒng)的研究

　　文章介紹一種數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。利用TMS320LF2407的運(yùn)動(dòng)控制接口形成單片DSP控制的電機(jī)系統(tǒng)。使用霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，形成電子換相邏輯。由PI進(jìn)行速度和電流控制，用模糊邏輯實(shí)現(xiàn)位置控制，文中討論了模糊變量的域的選取和變域控制方法。最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。

　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為一種新型的無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)，不僅具有交流電機(jī)的體積小、重量輕、慣量小等特點(diǎn)，而且擁有直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，但又沒有機(jī)械換向器的缺點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)論在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等制造加工領(lǐng)域，還是家用電器如洗衣機(jī)、電腦硬盤等場(chǎng)合都日益受到重視。以往的無(wú)刷直流電機(jī)多由單片機(jī)附加許多種接口設(shè)備構(gòu)成。不僅復(fù)雜，而且速度也受到限制，難于實(shí)現(xiàn)從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數(shù)字控制，也不方便擴(kuò)展。而應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）實(shí)現(xiàn)的電機(jī)伺服系統(tǒng)卻可以只用片DSP就可以替代單片機(jī)和各種接口，且由于DSP芯片的快速運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更智能化的算法；可以通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展；可以實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。

　　本文介紹使用TI的公司的TMS320LF2407DSP為控制器，組成無(wú)刷直流電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)。首先介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的原理，然后給出了控制系統(tǒng)的框圖，說(shuō)明軟硬件設(shè)計(jì)方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

　　無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理

　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的本體基本上是一個(gè)永磁同步電動(dòng)機(jī)，定子三相繞組通過(guò)交流方波，轉(zhuǎn)子為永磁體。勵(lì)磁由轉(zhuǎn)子的永磁體提供，定子的三相繞組中的交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)共同作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。仿照直流電機(jī)特性，如果兩個(gè)磁場(chǎng)始終垂直，則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為最大。由于轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動(dòng)的，其磁場(chǎng)方向也是旋轉(zhuǎn)的，因此必須通過(guò)控制三相定子的通電順序來(lái)改變定子磁場(chǎng)使其與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)基本垂直（即轉(zhuǎn)矩角為90°）。實(shí)際上，定子換相邏輯是使其轉(zhuǎn)矩角的平均值為90°。首先應(yīng)知道目前轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)換相要求確定三相定子的通電順序，這也就是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置傳感器的原因。本實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)子磁極位置由敷貼在定子鐵心表面的霍爾元件來(lái)檢測(cè)。

　　電機(jī)采用Y型連接，三對(duì)橋式逆變電路驅(qū)動(dòng)，工作在兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式。三個(gè)霍爾元件給出60°電度角位置信息，即它們互差120°脈沖寬度為180°。三個(gè)霍爾元件的組合在一個(gè)周期可給出6個(gè)狀態(tài)（另兩個(gè)狀態(tài)一般不出現(xiàn)），即每60°就變換一個(gè)不同的狀態(tài)。根據(jù)傳感器狀態(tài)信息，結(jié)合換相邏輯控制，使三相定子的PWM逆變器模塊的6個(gè)功率晶體管導(dǎo)通或截止，就可以滿足轉(zhuǎn)矩角要求，使轉(zhuǎn)子持續(xù)獲得穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩。由于任一時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，其電流大小相等，方向相反，因此可以認(rèn)為其效果等同于直流電流。整體上，定子電流為方波，只要按照轉(zhuǎn)子的磁極位置進(jìn)行適時(shí)的換相，就可以保持這種直流驅(qū)動(dòng)的特性，又因?yàn)閾Q向是通過(guò)電子電路或軟件而不是電刷完成，故稱其為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。