永磁无刷直流电机的模糊控制 - 文章

永磁无刷直流电机的模糊控制

作者：安徽国防科技职业学院李翔吴春林

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永磁无刷直流电动机，是集永磁电动机、微处理器、功率逆变器、检测元件、控制软件和硬件于一体的新型机电一体化产品，它采用功率电子开关(如GTR、MOSFET、IGBT)和位置传感器代替电刷和换向器，既保留了直流电动机良好的运行性能，又具有交流电动机结构简单、维护方便和运行可靠等特点，在航空航天、数控装置、机器人、计算机外设、汽车电器、电动车辆和家用电器的驱动中获得了越来越广泛的应用。

本文介绍了模糊控制在BLDCM调速控制中的运用，模糊控制是以人们对被控对象的控制经验为依据而设定的控制器，无需知道被控对象的数学模型，无论被控对象是线性的还是非线性的，都能执行有效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。该控制系统以Motorola公司的单片微控制器MC68HC908单片机为核心，加上控制、驱动、检测、显示等部分，实现对电机的有效控制，并在测速环节的软件设计方面提出了有效、实用的编制方法和技巧。

系统结构

系统由Motorola MC68HC908JL3单片机控制器、功率和驱动变换电路、转子位置检测电路、电压电流检测电路和显示电路等组成。其系统结构框图如图1所示。

图1系统结构框图

MC68HC908是Motorola公司开发的高性能8位单片机。它的指令集与MC68HC05系列单片机向上兼容，有200多条指令和10余种寻址方式，并具有16位变址寄存器和堆栈寄存器。MC68HC(9)08系列在功能和特性上做了许多优化，采用锁相环技术，在提高内部时钟的同时大大降低了系统噪声；MC68HC(9)08系列采用了Flash技术，实现在线编程。

在电机转子上安装三个霍尔传感器，将检测信号输入单片机的I/O口，使MCU获取位置检测电路检测到的位置信号，决定换相时刻和相应的导通电枢绕组。

系统硬件

电流和电压检测

电检测对于电机的控制和保护都很重要。电流检测电路如图2所示，使用精密电阻R1进行电流采样，电阻接在IPM内部IGBT下桥臂输出端与地之间。电机运行时，在功率管导通时进行采样，将电阻R1上得到的电压信号经放大、低通滤波后输入单片机A/D转换口，转换后供电流环控制和过载保护使用。

图2电流检测电路

大家知道对电机来说直流电源过压或欠低都会影响电机的正常运行。电压检测电路如图3所示，直流电源电压VDC经分压滤波以及运放阻抗匹配后送至单片机A/D转换口，A/D转换后即可获得电压信号，以及时对电机进行过压、欠压保护。具体保护方式由软件通过电机的参数设置相应的阈值。

图3电压检测电路

功率和驱动电路

功率器件采用三菱公司生产的智能功率模块(IPM)PS21246-E。PS21246-E是三菱公司最新推出的第四代IPM智能功率模块。IPM是先进的混合集成功率器件，由高速、低耗的功率开关器件IGBT和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过(欠)电压、过电流、过热和短路等故障监测电路，这大大提高了系统的可靠性和可维护性。PS21246-E只需一路+15伏驱动电源，不需用光耦而直接与单片机连接，控制输入端兼容TTL和CMOS，工艺上采用IGBT/FWDi芯片，功耗低体积小。PS21246-E的每路IGBT集电极额定电流为25A，开关频率典型值5kHz，集电极－发射极额定电压为600V。

将MC68HC908JL3定时器模块的一路定义为输出比较，产生16位PWM，与PTB口一起控制IPM中的6个IGBT的导通关断，以实现电机调速和控制电流的目的。如果IPM检测到故障发生，则IPM的Fo口发送中断信号至MCU的中断口，关闭PWM。驱动电路如图4所示。

图4驱动和功率电路

控制方案

速度检测

电机控制系统利用霍尔传感器产生的三路脉冲信号进行测速，通过检测三路信号的切换顺序可以判断出电机转向，而转速通常通过计算霍尔传感器走过固定位置间隔所花的时间得到。

其中：V是速度；X是固定的位置间隔；t(k)是霍尔传感器到达某一位置时所花的时间。

计算得到的转速是瞬时速度，采用该算法，系统只需要使用一个定时器中断。计算电机瞬时速度的具体推导过程如下：利用单片机的定时器1作为捕获电路的工作时基，设定时器工作频率为TIMERCLkHz，即每个计数脉冲的周期为

霍尔传感器反馈回来的其中一路脉冲作为捕获电路的捕获输入引脚，当捕获电路检测到该引脚上的电平信号是上升沿跳变信号时捕获该时刻计数器的数值。脉冲信号相邻上升沿(一个周期)连续两次触发捕获事件，捕获电路将对应的计数器数值捕获到2级FIFO堆栈。两者的差值反映了脉冲的周期。设差值为|SUBDATA|，则脉冲信号周期为

已知电机旋转一周产生N个脉冲，则电机某时刻的瞬时速度为

控制策略

模糊比例控制器的结构如图5所示，它是一个两输入单输出系统，两个输入量为e(k)和de/dt，其中：

e(k)=speed_act-speed_exp (3)
de/dt=e(k)-e(k-1) (4)

式中，e(k)表示速度偏差，de/dt表示速度偏差变量率，speed_act表示电机实际转速，speed_exp表示电机期望转速。模糊比例控制器的工作原理如下：先将两个输入量模糊化，然后根据输入输出量的隶属度函数及模糊控制规则确定模糊输出量并将其反模糊化，从而得到精确的输出控制参数KP，最后再通过比例控制器作用于被控对象。

图5模糊比例控制结构图

模糊比例控制的控制效果是由隶属度函数和模糊控制规则决定的。模糊比例控制器的输入输出隶属度函数如图6所示，模糊量论域的划分不宜太细，否则会加大程序运算量，降低控制系统实时性。对于输入量和的模糊量，其论域划分为5个模糊子集，对于输出量的模糊量，其论域划分为4个模糊子集，所有输入输出量隶属度函数的形状均取三角形。为保证模糊控制的效果，相邻模糊子集交集的最大隶属度要选取适中，过小则规则关联性太小、模型不健壮，过大则规则关联性较大、模糊分辨率太低。

(a)e(k)的隶属度函数

(b)de/dt的隶属度函数

(c)Kp的隶属度函数
图6模糊控制隶属度函数

系统仿真

利用Matlab对控制系统进行仿真。以额定输出功率为800W，3对极，额定电压300V，额定转速为4000r/min的电机作为被控对象。图7为1000r/min时转速和电流曲线，0.1Nlm负载起动，5s时负载突加至5Nlm，上曲线为转速曲线，下曲线为电流曲线。

图71000r/min时转速和电流曲线

系统仿真

利用Matlab对控制系统进行仿真。以额定输出功率为800W，3对极，额定电压300V，额定转速为4000r/min的电机作为被控对象。图7为1000r/min时转速和电流曲线，0.1Nlm负载起动，5s时负载突加至5Nlm，上曲线为转速曲线，下曲线为电流曲线。

结语

按本文所给的控制方案构成的BLDCM模糊控制系统，其优越性表现为：

·利用MC68HC908的定时器输出比较功能生成PWM，不需要设置分立的PWM生成单元，简化了系统，降低了成本；
·采用IPM取代传统的分立式功率驱动元件，大大减小了控制器的体积，简化了电路，提高了系统的可靠性；
·采用模糊控制调速，实现对电机输出转矩与转速的控制，改善了电机的调速性能。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/7/2007)


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