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无刷直流电动机位置伺服系统的设计
山东省第一地质矿产勘察院 侯欣英 山东大学 侯景阳
摘 要：本文阐述了以无刷直流电动机为执行机构构成的智能控制伺服系统，提出了解决电动机换相、电流检测、转速检测以及模糊控制算法采用单片机的快速实现问题。
关键词：无刷直流电动机；位置伺服系统；模糊控制
引言
无刷直流电动机以其体积小、重量轻、电磁转矩脉动小、出力大、系统结构简单、工作可靠、效率高等优点，越来越受到人们的重视。
本文阐述了以这种电动机为执行机构的智能控制伺服系统的设计。该设计硬件结构简单、抗干扰能力强、可靠性高、控制精度高。
硬件结构
系统硬件结构如图1所示，其中中央处理器采用Intel公司的80C196MC单片机，该种单片机为专门针对电机高速控制而设计的16位微控制器，处理速度快，而且具有PWM信号输出功能，特别适合电机的控制。
● 主电路
系统主电路为交-直-交方式，交流电源经过整流、滤波以后，在80C196MC的控制下，逆变器将直流电变换为脉冲宽度不同的无刷直流电动机所需的三相电源，从而在定子绕组中获得如图2所示的方波电流和梯形波反电动势。
● 驱动电路
系统采用集成驱动模块EXB841实现逆变器中IGBT的驱动，该模块同时具有IGBT驱动、输入隔离、过流保护以及慢关断功能，大大简化了系统的硬件设计。
● 换相信号的产生 电动机转子位置检测器的输出信号与各相功率器件的开、关顺序存在着严格的固定关系，因此将这种对应关系固化入EPROM中，以转子位置检测器的输出信号作为地址输入即可得到功率器件的开关顺序。
● 电流检测 从图2可以看出，每相绕组正向导通120°，反向导通120°，零电流120°，因此只检测一相电流或同时检测三相电流都不能获得准确的电流反馈值。而由于转子位置与电流导通顺序存在固定的关系，因此同样可以将转子位置检测信号与定子绕组导通顺序之间的关系固化入EPROM中，根据转子位置检测信号检测对应相电流。
● 测速测位 电动机内部安装有光电编码器，可用于电机转速或位置的检测，为了提高检测分辨率，一般情况下都要对光电编码器的输出脉冲信号进行倍频。然而，采用了倍频电路以后带来的问题是，在高速时单片机的速度跟不上，容易丢失检测脉冲。为此，利用软件动态切换检测的分辨率，在低速时脉冲通过倍频电路输入单片机，而在高速时，将倍频电路切除，将编码器输出信号直接输入单片机。实验证明，这种方法很好地解决了检测精度与控制器速度之间的矛盾。
系统控制策略
现代控制理论中模糊控制以其控制结构简单、无需系统数学模型的优点得到了广泛的应用和研究。
由于单纯的模糊控制器不具有积分环节，很难完全消除稳态误差。为此将模糊控制与传统的PID控制结合在一起，构成参数模糊自整定PID控制器，其结构如图3所示。
● 隶属函数的选择
本系统采用常用的三角形函数，为了在零附近得到较好的精度，在论域中模糊集采用不均匀分布方式。此外，为了减少存储隶属函数所需的存储器的数量，对每个模糊集只存储其中一半的数据，而另一半数据由程序在运行过程中对称得到。
● 模糊推理
系统控制规则表如表1所示，推理方法采用玛达尼推理方法。
● 解模糊判决
很多文献对不同的解模糊判决方法进行了研究，结果显示，重心法的稳态性能较好。但严格按照重心法的算法则需要大量浮点数运算，无法满足系统对控制速度的要求。为了解决此问题，本系统将隶属度和论域归一化为整数，即将隶属度和论域的数值乘以1000，得到的数值的小数部分舍掉，运算时采用多字节乘法的方法进行。由于单片机进行多字节乘法比浮点运算要快的多，而此方法产生的误差也只有1‰，完全可以满足系统的要求。
仿真及实验结果
以IFT5064AC电动机为被控对象，分别用PID算法和模糊参数自整定PID算法对其进行控制，作出它们在不同负载情况下的响应曲线，如图4、图5所示。从图中可以看出，模糊参数自整定PID算法性能明显优于单纯的PID算法，而且可以实现无超调、无静差、具有较快的响应速度。 
结论
采用MCS96系列单片机实现的全数字位置伺服系统具有硬件结构简单、抗干扰能力强、可靠性高、控制性能高等优点，而且易于应用各种现代智能控制算法。
参考文献
1 郭庆鼎,王成元. 交流伺服系统. 机械工业出版社. 1994.7
2 窦振中. 模糊逻辑控制技术及其应用. 北京航空航天大学出版
社. 1995.7
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