基于TMS320LF2407 DSP的直流电动机微机调速研究*
李太富 王靖 谭光仪
（西华大学能源与环境工程系，四川 成都 610039）
摘 要 本文针对小功率无刷直流电动机，利用数字信号处理器（DSP）设计出了一种无刷直流调速系统。该系统采用遗传算法对电流和转速调节器的PI参数进行了优化，从而利用仿真设计出了速度和电流调节器的最佳参数,得出相应的时域、频域响应曲线和相应的时域、频域响应性能指标，其优良特性对设计出的实际调速系统有重要的指导意义。
关键词 直流电动机 数字信号处理（DSP） 遗传算法 仿真.
1 引言
直流电动机具有良好的起、制动性能，适宜于在大范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用，近年来交流调速系统发展也很快，而无刷直流电机兼有直流和交流电机的优点，因此对无刷直流电机调速系统进行深入研究，引入新型的控制器件和新的控制算法具有重要的意义。本文就将以一小功率无刷直流电动机为例，使用新型数字信号处理器（DSP）来构成一高性能的无刷直流电机调速系统，并运用MATLAB软件对整个进行了仿真，仿真和实验结果证明了该调速系统的时域和频域性能指标均符合设计要求。
2 小功率无刷直流调速系统的结构和控制器件分析
如图1所示，本系统采用高性能DSP芯片为控制核心构成转速、电流双闭环调速系统。它使得无刷直流电动机在起动时可以充分利用电动机的允许过载能力，从而让电动机以最大恒加速度起动，达到了起动过程尽可能快的要求。内环前向通道的扰动，可以及时调节，大大减少了被控制量的动态速降。转速、电流两个调节器，可以分别根据转速、电流动态性能指标确定调节器参数，所以，比较容易设计调节器参数。
图1
DSP控制的无刷直流电动机结构原理框图
图中功率驱动电路由一片IR2132组成，三相全桥逆变电路采用智能功率模块组成；电流检测电路由霍耳电流传感器组成；反电动势检测电路实际上是由两个电阻和一个电容组成的端电压分压电路，电容起滤波作用。接口电路主要是指键盘和显示电路以及内存扩展电路（如果系统内存不够而需要扩展内存的话），保护电路主要包括过压过流等保护电路（由于功率驱动电路选用了IR2132，该IC芯片内部已经集成了过压过流的保护电路，放可省去保护电路以进一步简化硬件电路设计）。系统采用两两导通，三相六状态的PWM调制方式，由反电动势检测电路经ADC转换所测量得到的端电压信号经程序计算得到反电动势过零点，进而计算得到换相点，按照换相规律，由驱动电路控制相应功率开关管的通断，实现对电机的正确馈电，控制电机正常运行。在电流检测电路经ADC转换所反馈的电流信号的基础上，由程序控制实时调节定子绕组的电流并判断是否实施过流保护。这样，整个数字控制系统在硬、软件的协同配合下实现对无刷直流流电机的闭环控制。从上述分析，可以看到，由于控制系统复杂，要求存储多种数据和快速实时处理大量信息，因此采用了微处理机加数字信号处理器DSP的方案，借助于TMS320LF2407 DSP芯片的下列特点：指令周期为33ns，内部总线为哈佛结构，程序控制采用4级流水线作业；32位中央处理器，16位定点运算；1个16通道10位的A／D转换器；2个16位通用定时／计数器，8个16位的PWM通道，3个捕获单元，5个外部中断源；内置锁相环时钟单元和看门狗实时中断模块，具有串行通讯和串行外设接口，辅助寄存器。 除了使得本调速系统可以实现复杂的控制算法外，也便于故障监视、诊断和保护、人机对话等功能的实现。
3
小功率无刷直流调速系统的设计和仿真
对于双闭环调速系统，由于有内、外两个闭环，因此就要分别设计电流调节器和转速调节器。对于这种多环结构的控制系统，采用由内环到外环的方法进行设计，具体的方法是：从内环开始，先设计好内环的电流调节器，然后把内环的整体当作外环中的一个环节，去设计外环的转速调节器，这样一环一环地逐步向外扩大，直到所有控制环的调节器都设计好为止。
为了便于进行对比分析，对本系统先采用了普通的PI算法进行了仿真，其仿真所得的时域和频域性能指标如表中指标1所示；同时为了得到最优化的PI参数，通过比较选取了一种不需要任何初始信息就可以寻求全局最优解的、高效的、优化的遗传算法来进行参数寻优。
3.1 电流环及速度环的设计与仿真
电流环的基本设计要求是稳态时无静差；动态过程保证电枢电流不超过允许的最大值；要求电流无超调或超调越小越好。从这个角度出发，将电流环设计成典型I型系统，电流调节器采用PI调节器。由于电流环为DSP芯片构成的数字控制，开始设计时，为简化起见，可先采用模拟系统设计法，其动态参数的选择方法与模拟系统相同，最后再将调节器离散化，实现数字化调节。考虑到电流调节过程比转速和反电势变化快得多，因此在设计PI电流调节器时，暂不考虑反电势变化的影响，于是调速系统电流环动态结构图如图2所示。
图2 电流环动态结构图
图3 调速系统转速环动态结构
转速环的基本设计要求稳态时无静差，而在动态过程中应保证它克服负载扰动的能力强，同时要求动态速降小，恢复时间短，从而也就是要求转速环抗干扰性能越强越好，从这个角度出发，将转速环设计成典型II型系统，又因为转速调节器是由DSP充当，故转速调节器采用数字PI调节器。 由于转速环采用的是数字控制，为了便于设计，故可先采用模拟系统的设计方法进行设计，其动态参数的选择方法与模拟系统相同，最后再将调节器离散化，实现数字化调节。对本调速系统，其动态参数的选择直接按照典型
型系统来进行，也即是按照闭环幅频特性谐振峰值最小准则来进行选择。由相关的数学模型，可以得到转速环的动态结构图，如图3所示。
3.2 电流环及速度环的仿真比较
根据3图采用遗传算法，借助于MATLAB/SIMULINK对其进行给定阶跃的时域和频域响应仿真分析，仿真出转速的动态响应曲线如图4所示，转速环的频率响应曲线如图5所示。
图4 转速PI调节器校正后系统的阶跃响应曲线图4调速系统的电流环频率响应曲线图3 调速系统的电流阶跃响应曲线 图5 转速PI调节器校正后系统校正后系统开环的bode图的阶跃响应曲线图4调速系统的电流环频率响应曲线图3 调速系统的电流阶跃响应曲线
据图2所示的电流环动态结构图，采用遗传算法，借助于MATLAB/SIMULINK对其进行给定阶跃的时域和频域响应仿真分析，同样可以仿真出电流的动态响应曲线和频率响应曲线。运行相应的程序后，采用普通PI和遗传算法，可得到经过电流PI调节器校正后调速系统电流环和速度环的阶跃响应时域性能指标和频域性能指标对比，分别见下表。
表 调速系统电流及速度阶跃响应的时、频域性能指标
|
指标名称 |
指标符号 |
电流环指标（PI） |
转速环指标（PI）
|
电流环指标(遗传)算法) |
转速环指标(遗传)
|
||||||||||||||||||
|
超调量 |
Sigma |
6.34% |
40.23% |
4.23% |
35.49% |
||||||||||||||||||
|
峰值时间 |
tp |
0.001232s |
0.045s |
0.000942s |
0.035s |
||||||||||||||||||
|
调节时间 |
ts |
0.0022s |
0.062s |
0.0012s |
0.052s |
||||||||||||||||||
|
稳态误差 |
ess |
-3.2e-016(实为零) |
6.45e-04(实为零) |
-2.2e-016(实为零) |
5.35e-04(实为零) |
||||||||||||||||||
|
模值稳定裕度 |
Gm |
15.825b |
19.532db |
10.878db |
12.472db |
||||||||||||||||||
|
相角稳定裕度 |
Pm |
61.401deg |
51.531deg |
50.302deg |
43.421deg |
||||||||||||||||||
|
截止频率 |
Wcp |
132.34S |
42.25S |
124.46S |
31.17S |
||||||||||||||||||
|
穿越频率 |
Wcg |
340S |
110.845 S |
306S |
99.957 S |
从上述的分析和表所得的性能指标来看，与普通的PI算法相比，采用遗传算法进行PI两个参数的整定使得本系统的调速性能更好，它具有以下优点：遗传算法是从许多点开始并行操作，在解空间进行高效启发式搜索，克服了从单点出发的弊端以及搜索的盲目性，从而使寻优速度更快，避免了过早陷入局部最优解；克服了普通PI算法对参数初值的敏感性，在不需要给出调节器初始参数的情况下，仍能寻找到合适的参数，使控制目标满足要求。
4 结论
本文采用新型数字信号处理器（TMS320LF2407 DSP）来构成了一高性能的无刷直流电动机双闭环调速系统，该系统充分利用了TMS320LF2407 DSP丰富的片内资源及其高效的快速运算处理能力，对相电流和端电压的采样信号采用了软件滤波，同时对反电势过零点以及换相等的处理都用软件实现，从而节省了硬件资源，提高了整个调速系统的可靠性。同时采用了一种不需要任何初始信息就可以寻求全局最优解的、高效的、优化的遗传算法对电流和转速调节器的PI参数进行了优化整定，从而设计出了速度和电流调节器的最佳参数，得到了一具有优良特性的实际调速系统，而且易于实现，目前硬件部分正在试制中，对调速系统的设计有重要的指导意义。。
参考文献:
[1] 刘和平. TMS320LF240X DSP 结构、原理及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002
[2] 黄忠霖. 控制系统MATLAB计算及仿真[M]. 北京：国防工业出版社,2001
[3] 冯垛生. 电力拖动自动控制系统[M]. 广州：广东高等教育出版社，1998
[4] 刘金琨. 先进PID控制及其MATLAB仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2003
[5] 尔桂花. 运动控制系统[M]. 北京：清华大学出版社，2002
Timing System for DC Motor
Based on TMS320LF2407DSP
Li
tai-fu Wang jing Tang guang-yi
(Department of
power and environment Xihua
University Sichuan 610039)
Abstract： A high quality DC motor
timing system is designed with update digital signal processor (DSP) according to
a low power Brushless DC motor. The corresponding sigmoid and characteristic parameter are acquired about the
amplitude –time，magnitude–frequency and phase–frequency through simulating the system
with MATLAB/SIMULINK. It turns out to be optimized because heredity
algorithm is adopted in modulating
the PI value for the current and speed loop. It is an important guidance for
automatic control timing system.
Keywords: DC motor, Digital signal
process, heredity algorithm, simulink
发件人：Peter Lai
邮件主题：学会论文7篇
来稿日期：2003-11-05 11:55:00
打印日期：2003-11-05 14:55:25
联系邮箱：peter88lai@163.com