无刷直流电机控制系统设计及仿真

《工业控制计算机》2011年第24卷第9期本文主要采用TI 公司的TMS320LF2812DSP 芯片为控制器，设计了无刷直流电机的伺服控制系统，并利用Matlab7．1软件对这一系统进行仿真，以验证其控制效果。

1系统的硬件设计
系统的硬件框图如图1所示，可以看出硬件部分主要包括
主电路、驱动电路、DSP 控制电路与保护电路等组成。

图1系统硬件框图
主电路主要由交流三相电源、整流滤波和逆变桥组成。

输入交流电先经过整流滤波电路整流、稳压后变换为直流电，使用
IGBT 构成的逆变桥将直流电经过变换后用来驱动无刷直流电
机的运行。

功率驱动部分实现对控制部分传送过来的换向信息的处理和PWM 信号的隔离放大，控制功率管的导通和关断，以此来控制电机的转速。

控制部分以TMS320LF2812为控制核心，除了实现信号的采集、计算处理和控制算法的执行外，还要负责与上位机进行实时通讯及完成系统的其他各项控制功能。

A ／D 模块对相电流信号进行转换和处理，作为电流环的反馈信号。

本系统中用光电编码器替代霍尔传感器，检测电机的转速及角位移，并反馈回
DSP 系统形成闭环控制。

电机旋转时，安装在电机轴上的光电
编码器的光栅盘与电机同速旋转，经光电检测装置检测输出的脉冲信号，通过计算每秒输出的脉冲个数就能反映出电动机的转速。

通过设置DSP 芯片中的定时器周期寄存器和比较寄存器来产生PWM 信号，调整PWM 信号的宽度就可以控制功率管的导通、关断时间，从而实现对电机的控制。

2系统的控制策略及软件设计2．1控制策略
控制系统采用双闭环控制策略，包括电流环和速度环，均采用PI 调节器，可以实现电机的准确可靠的运行。

如图2所示。

图2双闭环控制策略框图
电机正常运行时，控制器根据编码器测出的反馈位置信号计算出当前的转速，与设定的转速信号进行PI 计算，得到电流的给定电压参考值U ig ，电流反馈信号经A ／D 接口送入DSP ，经转换后得到电流的反馈值U if 、U ig 和U if 进行PI 运算，得到电流调节器的输出调节占空比，控制功率管的开、关状态，从而实现对电机的转速和电流控制。

根据编码器的输出信号，可以计算得到电机的转速。

在给定的时间△t 内，电机转速的计算公式为：
n＝60m ／（N *△t ）
其中m 是编码器码盘脉冲个数；N 是传感器每周产生的脉冲信号数。

电机在静止时的初始位置角为θ1，运行经过时间t 后，电机转子的位置角为：
无刷直流电机控制系统设计及仿真
王
巍
潘松峰（青岛大学自动化工程学院，山东青岛266071）
Brushless DC Motor Controller System Designed and Simulation
摘
要
设计了基于TI 公司的TMS320LF2812A DSP 的无刷直流电机控制系统，通过光电编码器准确检测转子位置信号，采用双闭环（速度环和电流环）控制策略，系统的控制算法采用遇限切除积分的PID 算法。

系统的软件设计包括两部分，分别是主程序和中断服务子程序。

经分析，该系统结构简单、易于实现、方便扩展。

经过Matlab7．1／Simulink6．3仿真验证，该系统可以可靠的运行。

关键词：无刷直流电机，光电编码器，PID 算法，仿真
Abstract
A brushless DC motor controller is designed based on TMS320LF2812A Digital Signal Processor (DSP)of TI．The position signals of rotor are detected exactly by Optical Encoder．The dual－closed－loop control strategy and the integral case PID lim-ited resection control algorithm are proposed in the system．System software design includes two parts:main program and in-terrupt service subroutines．The simulation result shows that the performance of this control system is stable and accurate．
Keywords :BLDCM,optical encoder,PID
algorithm,simulation
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无刷直流电机控制系统设计及仿真
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制算法，它具有结构清晰、算法简单、对模型适配适应能力强等优点，适用于纯时滞，开环渐近稳定的线性对象，是一种成功而有效的控制算法。

但DMC的输出动态特性受其参数的影响。

本文提出了一种对DMC的改进方法即DMC－PID，使PID参数整定方法与动态矩阵控制结合起来，用整定出的PID参数作为DMC－PID的加权系数，保证了良好的输出动态特性。

通过仿真取得了较好的效果。

参考文献
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θ2＝θ
1
／p＋2πm／N
其中p为电机的极对数，从而实现了电机的转子位置信号的检测。

2．2软件设计
根据系统的控制策略，可以将整个控制系统的软件划分为两个部分，即主程序和中断服务子程序。

在主程序流程中主要完成DSP所需要用到的控制寄存器、I／O端口、中断设置的初始化，检测电机的初始位置，以及初始化软件中所用到的控制变量等。

在中断服务程序中，主要执行A／D转换模块、调节模块。

主程序和子程序流程图如图3所示。

图3a主程序流程图b子程序流程图
3系统的仿真及实现
为了验证控制系统的硬件及软件设计的合理性，本文在Matlab7．1／Simulink6．3环境下，建立了BLDC控制系统的仿真模型，并对模型进行了速度、电流双闭环控制系统的仿真。

其双闭环控制模块如图4所示。

图4闭环控制系统的仿真图
在仿真中，供电电源为220V直流电。

BLDC电机参数设置为：定子绕组R＝0．75，定子绕组电感L＝0．0085H，转子和负载的转动惯量J＝0．001kg·m2，阻尼系数B＝0．0005N·m·s，极对数p＝3。

仿真时间设置为0．8s，给定转速为n＝1500r／min。

仿真后的转速响应曲线波形如图5所示。

从仿真波形可以看出，在给定的参考转速n＝1500r／min下，系统可以较快地达到稳定状态，符合系统的设计要求。

图5转速响应曲线图
4结束语
本文基于TMS320LF2812DSP设计了无刷直流电机控制系统，系统的结构简单、成本低，易于实现并且性能稳定，同时方便功能扩展。

同时在Matlab7．1环境下仿真验证了控制策略的合理性，为下一步进行深入的研究提供了一个很好的平台。

参考文献
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［收稿日期：2011．6．3
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