摘 要：介绍了采用DSP作为CPU来实现永磁无刷直流电机位置伺服控制的方法。系统的控制策略采用位置一速度一电流PID控制，其中位置环采用非线性PID控制。结合系统和负载的特点对传统双极型PW_M进行修改，以解决系统灵敏度低的问题。控制器通过专用通信芯片与上位机进行通信，实现了控制器与外部数据传输的数字化。通过实验验证了设计方案的合理性和有效性。
关键词：无刷直流电动机；位置伺服系统；数字信号处理器；实验
0 引 言
传统的直流电机由于有换向器和电刷的存在，其容量和转速都受到了一定限制，电机运行的可靠性也较差。而稀土永磁无刷直流电机(B][_,DCM)既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点，又具有传统直流电机优良的调速性能，同时克服了机械换向器和电刷带来的诸多问题。
由于永磁无刷直流电机具有体积小、转矩高、可靠性好等优点，广泛应用于航空航天，精密仪器，现代家电等领域。本系统选择稀土永磁无刷直流电机作为伺服电机_1 J。目前，小容量快速高精度无刷直流电机位置伺服系统(如导弹舵机控制系统)多采用模拟电路来实现。随着单片机及DSP的广泛应用，针对采用单片机及DSP作为CPU来实现对位置伺服系统的数字化控制的研究逐渐增多。
目前基于DSP的位置伺服控制系统所采用的控制策略主要有PID控制、模糊自整定PID控制等。
本文结合负载及系统的特点采用了非线性PID控制，并且对传统双极型PWM方式进行了修改，提高了系统的控制性能。目前出现的BLDCM位置伺服系统的位置给定信号多通过模拟信号给出，这种方式会引入一定的干扰，并且滤波环节会增加响应延时，这些都会影响系统的性能，因此本系统通过数字通信方式来获取及反馈数据，提高系统的精度。
1 控制系统结构
图1为控制系统结构。DSP通过专用通信芯片接收上位机发送的伺服系统的位置给定信号及系统当前所处工作状态信号，并将伺服系统当前的位置反馈信号发送给上位机。DSP将采样所得反馈信号与位置给定控制信号进行计算，发出PWM波，控制三相逆变器进而控制电机动作，电机输出经减速机构后带动负载。负载为弹性负载，在零位两侧±20。范围内动作，因此，位置信号以角度形式表示。
下面介绍系统各部分组成及信号流程。
1)通信部分：实现位置给定信号的数字化，上位机通过专用通信芯片将位置给定信号发送到DSP，同时接收DSP反馈的负载当前位置信号。
2)信号反馈及功率保护部分：系统将所采样的电流、位置反馈信号经滤波和电平变换，送入DSP的A／D采样引脚。功率保护信号经电平变换后直接送入DSP的功率保护引脚，当出现低电平时，将触发DSP的功率保护中断，DSP将封锁对应通路的PWM波。
3)转子位置同步部分：霍尔传感器将电机转子位置以三路高低电平信号传人DSP的GPIO引脚，DSP将采样所得信号与换相表相比较控制三相逆变器功率管的开通关断使之与转子位置相匹配。
4)隔离、驱动及逆变部分：DSP发出的PWM波经光耦隔离后送入功率驱动芯片，经过功率放大后送入三相逆变器的功率管的栅极和源极之间，控制功率管的开关动作。
5)电机、减速机构及负载部分：三相逆变电路控制电机动作，电机输出经减速装置带动负载。
系统负载为弹性负载，即零位负载转矩为零，向正负两方向偏转越大，负载转矩越大。
2 系统控制策略及PWM调制方式
2．1 控制策略
本位置伺服系统控制策略采用位置一速度一电流三环控制。三环参数调试时遵循从内环到外环的顺序，先调试电流环，然后是速度环，最后位置环。
电流环处于最内环，调试时首先考虑其快速跟随性，即输出电流能够快速跟随给定电流的变化。本系统电流环采用比例控制算法。
速度环为三环中的中间环，采用PI控制算法。
速度环的反馈由位置反馈的微分产生，由于位置反馈信号中存在较大的干扰，直接微分所得速度反馈信号失真情况严重，故通过对位置反馈信号进行模拟和数字滤波，延长位置微分信号之间的时间间隔(选取10个位置采样周期的间隔计算一次速度)，对速度信号进行再次数字滤波等措施来改善。
位置环作为最外环，直接决定了伺服系统的动和静态性能，故位置环的调试是三环中最关键的部分。传统PID算法虽具有结构简单、调试方便等特点，可是KpKiKd三个参数固定，难以同时保证系统具有较快的响应速度、较好的稳态精度和较小的超调量。由于系统负载为弹性负载，故负载力矩的大小与负载偏离零位的角度成正比；并且负载从零位到给定位置过程中，负载力矩也在逐渐增大，而如果KpKiKd三个参数固定，则系统的快速性及超调量较难同时达到较好的状态。综合上述两点，结合实验调试经验，位置环采用非线性PID控制，根据位置给定信号的大小和位置给定与位置反馈的差值作为判断条件，在不同的条件下采用不同的PID结构和参数。在实际调试过程中，由于位置反馈信号中存在较大的随机干扰信号，加入积分后，系统总是难以调试到令人满意的状态，而采用非线性PD控制经过调试后较容易达到系统的各项性能指标要求。
2．2 PWM调制方式
逆变器多采用三相六状态120°两两导通方式，在每一瞬间有两个功率管导通，每隔1／6电周期(60°电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管在一个电周期内导通120°电角度。
在这种方式下，先判断电机当前是正转还是反 转，正反转分别对应一个换相表，图2所示。为传统双极型PWM调制方式的功率管开关表。在一种转向下，一个PWM周期内MOSFET、桥中只有两个管子有效，即高电平时导通，低电平时截止。此时如占空比为O时，无电压输出，电机不动；占空比为100％时，输出电压****，电机输出****转矩。这种情况时，系统对较小角度的响应不明显，造成其各动作过程存在实验结果难以重现的问题。且灵敏度下降，跟踪一个渐变信号时容易出现“爬行"现象。
根据PWM控制方式存在的问题，决定采用改进双极型PW_M控制方案：在每一瞬间有两个功率管导通，一个PW_M周期内共有4个功率管出现开关现象，他们在三相逆变器中为其中两相的上下桥臂。
这4个功率管和电机、直流母线组成两个独立回路。
在三相六状态1 20°两两导通方式下，一个PWM周期内，只会有2个桥臂的功率管有开关现象，另一桥臂的功率管始终关断。改进双极型PWM控制方案如图3所示。每一有开关现象的桥臂的上下两个功率管的PwM控制信号始终互补(暂不考虑死区)，即上功率管导通时，下功率管关断；上功率管关断时，下功率管导通。
因此，PWM信号的高电平对应一条通路(1、4)导通，而低电平则对应与之相对的另一通路(2、3)导通。从使电机正反转的角度来说，由于这两条通路导通时对应的输出电压是正负相反的，所以这两条通路分别产生使电机正转和反转的效果。
当PWM的频率较高时，这种正反转交替的现象不明显，对于电机停在一稳定位置时，功率管在不断换相，但从位置信号、声音等方面都和电机断电静止时没有明显差别，只是观测其电流可以看到有高频波动，不过幅值较小，故当占空比为50％时，高低电平所占时间相同，此时电机转子位置不变，即负载位置不变；当占空比为O时，电机以****转矩向一个方向转动(本系统为正向)；当占空比为1 OO％时，电机以****转矩向另一个方向转动(本系统为负向)。
这种控制方式相对于传统的控制方式具有对称性好、灵敏度高、实验一致性好等优点。同时由于增加了功率管的开关动作，造成了额外的开关损耗和稳态电流损耗。为达到良好的控制性能，这些是可以接受的。而且由于每个PWM周期内导通桥臂的上下两个功率管都进行换相，增加了出现功率桥臂直通的可能性，因此在软硬件方面都要采用防直通措施。
3 实验结果
3．1 实验波形1)带额定负载、给定+2°位置阶跃信号时的反馈波形如图4所示。
2)带额定负载、给定O°与±2°之间位置阶跃信号时的反馈波形如图5所示。
3)带额定负载、给定+1 O°位置阶跃信号时的反馈波形如图6所示。
3．2实验结果
分析从图4可以看出，过渡过程时间(40 ms)、超调量(O)、稳态精度等方面都可以达到系统控制要求。
从图5可以看出，采用改进双极型PWM后系统在正、负两个方向上的对称性较好。
从图6可以看出，在位置给定较大时其控制性能仍能达到系统控制要求，说明系统所采用的非线性PID控制是合理且成功的。
4 结 语
本文介绍了一种永磁无刷直流电机位置伺服控制器的设计方案。在系统设计过程中，采用了合理的软、硬件结构。采用三闭环控制策略；非线性PID控制，用以提高系统对差别较大的给定信号的适应能力，能在整个控制范围内都达到较好的控制性能；改进双极型PWM，用以提高系统的灵敏度，以及对正、负给定信号的响应对称性等。
通过实验结果证明了采取上述措施是合理的，证明了本设计方案是成功的。
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