永磁无刷直流电机具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点，又具有直流电机调速性能好、运行效率高、无机械换向等优点，使它在机器人、数控机床、医疗器械、仪器仪表等各领域得到了广泛的应用。尤其是采用了DSP数字信号处理器、电子换向器、光电编码器等，使得无刷直流电机的数字化、智能化控制系统的实现成为可能，也是当今研究与应用的热点。但由于无刷直流电机本身存在非线性、数学模型难以建立等问题，单纯用传统的PID难以获得较好的速度控制效果；加上以往用单片机实现，线路复杂、速度慢，难以实现数字化、智能化控制。

本设计是在我所研制的DSP数字控制实践开发系统的基础上，以TMS320LF2407 DSP控制器为核心；以无刷直流电机为被控对象；以模糊PI为智能控制策略；以霍尔电流传感器及光电编码器为检测手段，利用DSP速度快、运算能力强、资源丰富的优势，对无刷直流电机的控制与应用进行了研究。

2 系统结构设计

系统由“PC上位机、TMS320LF2407 DSP控制器、功率驱动模块、无刷直流电机、检测单元、通讯接口”等组成，如图1所示。

2.1 DSP控制器

TMS320LF2407是一种具有高速的运算能力与面向电机高效控制的数字信号处理器，集成了针对电机控制所需要的CPU、片内RAM、ROM/FLASH、SCI、事件管理器等功能模块资源。CPU具有独立的数据总线和地址总线，高速的运算能力，可完成复杂的控制算法与先进的控制策略；SCI串行通讯接口与PC上位机进行实时通讯，完成程序设计、数据采集及上位监控等功能；事件管理器的通用定时器用于产生电流和速度控制周期；16位脉宽调制PWM通道产生的信号供给驱动模块IGBT，通过调整PWM的占空比，进行电压自动调节，实现对无刷直流电机的转速和电流的控制；10位A/D转换接口用于测量电机的定子电流；正交编码器接口QEP用于接收光电编码器的反馈信号并计算转速；5个外部实时中断用于电机驱动保护和复位；3个捕捉单元可对电机转子位置进行检测等，这些资源为实现无刷直流电机数字化、智能化的研究与应用提供了极大方便，也是目前具有竞争力的数字电机控制器。

2.2 无刷直流电机

采用1500转/分，1.78A，27V电压供电的无刷直流电机，定子为三相对称绕组，转子是永磁体结构，采用星形接法两相通电三相6状态运行方式。当定子绕组两相通上方波电流产生的磁场与转子永磁磁场垂直时，则产生最大的电磁转矩驱动转子旋转。随着转子的旋转定子电流需要不断换相，才能保证两个磁场下的电流方向不变，因此通过控制三相定子电流的通电顺序和大小，就可实现电机转速的控制。

2.3 功率驱动模块

功率驱动采用东芝公司的IPM模块，包括驱动电路、逆变电路及保护电路，逆变电路采用6单元IGBT三相星形全桥连接驱动方式。利用高速光耦TLP550实现隔离驱动，使用事件管理器EVA的PWM脉冲信号控制逆变器的工作状态，再根据转子磁极的位置进行电机定子电流实时换相的逻辑控制；通过调节PWM脉冲的占空比可改变电机绕组的平均电压，从而控制定子电流的大小；使用可编程PWM死区控制可以防止逆变桥短路的现象。

2.4 定子电流检测

电流检测采用2个霍尔电流传感器CSNE151，分别检测A、B两相的相电流（因为任一时刻只有两相通电），再整合成一直流电流，经滤波后送DSP的A/D转换模块，则系统可采用一个电流调节器对电机的电流进行闭环控制。

2.5 位置检测与速度计算

转子位置是通过3个互差120°脉冲宽度为180°的霍尔位置传感器，来实时检测转子磁极位置的6个循环变化状态，每个60°电角度对应电机的某一对磁极下的一个位置，转子位置状态每变化一次，绕组导通就改变一次。A、B两路脉冲信号送入DSP的正交编码脉冲接口单元QEP的QEP1和QEP2引脚，经译码逻辑单元产生时钟信号CLK和转向信号DIR，将CLK作为定时器1的时钟输入，由T1对CLK进行脉冲计数，可以产生60°电角度脉冲信号的中断。即根据霍尔位置传感器的状态信息，结合换相逻辑，DSP控制逆变器的导通或截止，从而控制电机定子绕组电流的换相。

速度检测采用2000个脉冲/每转的E6B2光电编码器，直接将电机角度的模拟信号转换成脉冲信号，分别用定时器设置控制周期和对脉冲进行计数，实现鉴相、倍频、转速测量与闭环控制功能。系统各检测状态与换相逻辑如表1所示。

3 控制系统设计

3.1 系统方框图

控制系统采用速度、电流双闭环控制，速度环的作用是增强系统对负载变化的抗干扰能力，抑制转速波动，为提高系统的动态和静态性能，速度环控制器采用模糊自整定PID控制算法。电流环使电流紧紧跟随速度控制器的输出，对系统的扰动起抗干扰作用，为此电流环控制器采用PID控制算法，DSP通过速度环和电流环实时调节PWM的占空比来实现转速的控制。模糊自整定PID与PID控制算法的有效结合，使系统具有较强的适应性，确保速度主被控量的控制质量。

控制系统方块图如图2所示，其中nr为系统速度给定量；Un为速度控制器输出的控制量；Ui为电流控制器输出的控制量；UKf为电流环反馈量；Uk为功率模块输出的控制量；nnf为速度环反馈量；n为速度环的被控量。

3.2 模糊子集及隶属函数

速度环控制器的转速给定nR和转速反馈值nnf的误差e（E）和误差变化率ec（EC）作为模糊控制器的输入，以Kp、Ki、Kd作为输出，找出PID与误差E和误差变化率EC的模糊关系，运行中不断检测E和EC，再根据模糊控制控制原理对PID进行在线调整，以满足不同的E和EC下被控过程对△Kp、△Ki、△Kd的要求。

模糊子集为E=EC=△Kp=△Ki=△Kd=﹛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB﹜=﹛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大﹜；输入变量论域为E=EC=﹛-3，-2，-1，0，1，2，3﹜；输出变量论域为△Kp=﹛-0.3，0.3﹜，△Ki=﹛-0.08，0.08﹜，△Kd=﹛-3，3﹜。隶属度函数采用灵敏性较强的三角函数，E、EC隶属度函数如图3所示。