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要求
以TMS320F28335 DSP为核心控制器，提出了一种三相八极无刷DC电机控制系统的设计方案。详细设计了主要硬件电路和软件程序，并给出了相应的电路原理图和程序流程图。其中，速度调节算法采用了改进的单神经元自适应PID控制算法，通过自适应调节控制参数，提高了控制系统对环境的适应性。实验表明，所设计的无刷DC电机控制系统是可行的，改进的单神经元自适应PID控制算法可以使无刷DC电机的响应时间更短，超调量和波动更小。
介绍
无刷DC电机是电力电子技术、微电子技术、控制理论和电机技术的结合体。它具有启动时间短、启动扭矩和制动扭矩大、调速范围宽、结构简单、噪音低、可靠性高、维护周期长的优点。广泛应用于国防、航空航天、机器人、自平衡车辆、无人机、电动汽车、家用电器、办公自动化、工业过程控制等领域。
提出了基于TMS320F28335 DSP的无刷DC电机控制系统设计方案，详细设计了控制系统的主要硬件电路模块，包括电机驱动电路和控制电路的设计。给出了调速子程序的设计方法[1-2]。
调速算法通常采用传统的PID控制算法，但其控制参数只调整一次，因此在每个运行阶段往往很难确定参数以达到良好的控制效果。文献[3]提出了一种基于模糊调节的免疫反馈PID控制，具有传统PID控制结构简单、可靠性高、鲁棒性强的优点，提高了抗干扰能力和对工况的适应性。文献[4]将粒子群优化算法与单神经元自适应控制相结合，应用于无刷DC电机控制系统，提高了系统的适应性。文献[5]将遗传算法与模糊控制相结合，对电机控制进行优化，提高了控制系统的适应性。文献[6]采用径向基函数神经网络对无刷DC电机的控制系统进行优化。实时采样电机转速和相电流，修正神经网络的权向量，通过控制电枢电压来控制电机转速。
本文采用改进的单神经元自适应PID控制算法自适应调整控制参数，从而提高系统对环境的适应性。实验表明，改进的单神经元自适应PID控制算法可以使无刷DC电机的响应时间更短，超调量和波动更小。
1总体系统设计方案
以TMS320F28335数字信号处理器为核心控制芯片，设计了一种无刷DC电机控制系统。DSP通过捕捉端口cap1、CAP2、CAP3捕捉位置传感器的跳变信号，触发捕捉中断。通过读取三个CAP口的电平状态，得到电机控制字，然后DSP发出相应的控制指令，改变PWM信号的开关值，从而改变开关管的导通顺序，实现对电机转速和旋转方向的控制。控制系统的设计框图如图1所示。
该系统的控制对象是一台24 V/65 W三相8极无刷DC电机，采用转速和电流双闭环控制电机转速。系统的外环为速度环，DSP根据给定的速度值和霍尔传感器获得的速度值，通过改进单神经元自适应PID控制算法，得到当前给定值。内环为电流环，将速度控制器输出电流的给定值与A/D采样得到的电流值进行比较，通过传统的PID控制算法给出相应的PWM控制信号，实现电机的速度控制。
2硬件电路设计
2.1无刷DC电机驱动电路
功率转换电路的主要功能是将DC母线电压逆变为交流电压，驱动无刷DC电机旋转。本文的控制对象为65 W中小型电机，因此功率转换电路采用驱动芯片MOSFE的方式。数字信号处理器输出的脉宽调制信号经过功率放大和光电隔离后，送到驱动芯片直接驱动
驱动芯片为国际整流器公司生产的IR2136。该芯片为三相逆变驱动集成电路，适用于驱动无刷DC电机、永磁同步电机和交流异步电机等。驱动芯片的电路图如图2所示。
在图2中，二极管D1、D2、D4和电容器C4、C5、C6形成升压电路。二极管用于防止电流回流，电容用于存储电压。当脉冲频率较高时，升压电路的电压为输入电压加上电容存储电压，导致电压升高。升压电路设计为增加驱动电压的幅度，使得驱动芯片能够可靠地驱动高压侧功率管的开启。
2.2控制电路
TMS320F28335的ePWM模块有ePWM1~ePWM6六个子模块，每个子模块有两个PWM输出，即ePWMxA和ePWMxB。三相电流桥由六个功率管MOSFET组成，每个桥臂上两个功率管MOSFET的控制信号相互关联。因此，前三个ePWM子模块(ePWM1、ePWM2和ePWM3)可以满足无刷DC电机的控制要求。PWM控制信号分别为ePWM1A和ePWM1B、ePWM2A和ePWM2B、ePWM3A和ePWM3B。由于DSP引脚输出信号的负载能力有限，输出PWM信号需要经过功率放大器来提高负载能力，选择的功率放大器为74HC245，对应的电路如下
图3所示。3 转速调节子程序
釆用改进单神经元自适应PID控制算法实现转速的调节，算法可以对控制参数进行自适应调整，从而提高系统的抗干扰性和对环境的自适应性。算法表达式如下：
式中，ηI、ηP、ηD分别为积分、比例、微分的学习速率；wi(k)为加权系数；K为比例系数，K>0；e(k)为速度偏差；De(k)为速度偏差的变化量。
算法的实现过程为：电机运行时，通过DSP的通用定时器可以获取相邻两次霍尔信号变化的时间间隔，从而计算出电机的实时转速。与给定速度比较，可以得到转速的偏差error。与上次得到的偏差error_1相减，可得偏差的变化量d_error。根据算法表达式，可以得到程序的流程图，如图4所示。
图中，r为给定转速，y为电机反馈的实际转速，error和error_1为转速偏差，d_error为偏差的变化量，lr_p、lr_i、lr_d分别为比例、积分、微分的学习速率，wp、wi、wd、wp_1、wi_1、wd_1、wp_11、wi_11、wd_11、wadd为加权系数，K为比例系数，u和u_1为系统的输出。
4 实验结果与分析
4.1 PWM控制信号的测试
为了降低功率管MOSFET的功率损耗，采用上桥臂工作于PWM状态进行调压的控制方法，下桥臂工作于常通状态。如图5、图6分别为A相上桥臂和下桥臂的MOSFET工作波形。
4.2 转速信号检测
转速调节程序中首先采用传统PID控制算法，设置电机的运行时间为5 s，给定转速为2 500 r/min。电机开始运行，期间每隔50 ms计算一次转速，并保存在数组中，5 s后电机停止运行。转速调节程序采用改进单神经元自适应PID控制算法，重复上述实验，分别得到如图7、图8所示的速度响应曲线。
通过对比上面速度响应曲线，可以得出：在给定转速(2 500 r/min)下，采用传统PID控制算法，系统自空载启动到达稳态所需时间为0.6 s，且超调量较大，约为20%；采用改进单神经元自适应PID控制算法，系统自空载启动后在较短时间内(约0.2 s)进入稳定状态，超调量很小，仅为1%左右，此外，速度曲线的波动很小。
5 结论
本文以三相8极无刷直流电机为控制对象，设计了无刷直流电机控制系统，对主要硬件电路和软件程序做了详细设计，并给出了相应的电路原理图和程序流程图，其中转速调节算法采用改进单神经元自适应PID控制算法。实验表明，所设计的无刷直流电机控制系统是可行的，转速调节采用改进单神经元自适应PID控制算法，可以使无刷直流电机的响应时间更短，超调量和波动更小，达到了预期目的。
参考文献
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