基于DSP直流电机速度的模糊控制系统研究

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摘 要：介绍一种基于模糊控制的直流电机速度控制系统。该模糊控制器设计为二维模糊控制器，以速度反馈和给定转速的误差及误差的变化率作为模糊控制器的输入变量，采用带调整因子的模糊控制器不需要建立模糊查询表。运用dsp强大的计算能力直接按实时计算输出控制量，实现编码器的解码、速度的测量。试验表明系统具有较强的鲁棒性和抗干扰能力，适应于各种不同的场合。

关键词：DSP 模糊控制；直流电机；数字信号处理;二维模糊控制器

中图分类号：TP273 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2008)10-057-04オ

Fuzzy System DSP-based for DC Motor Speed Control

ZHANG Zongbao,ZHOU Hongfu

(School of Mechanical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,510640,China )オ

Abstract：This paper presents a fuzzy control based on the DC motor speed control system.The fuzzy controller is designed for two-dimensional fuzzy controller whose input variable are the speed feedback,the error and the rate of change of error given the speed.The fuzzy controller using adjustment factor does not require a fuzzy query table.By using DSP calculation power of direct real-time control of DSP,it can realize decode encoder,measurve speed.The test shows that the system is robust and strong anti-jamming capability and can adapt to a variety of occasions.

Keywords：DSP fuzzy;control;DC motor;digital signal processing;two-dimensional fuzzy controller

1 引 言

电机控制系统分为发动机和电动机2个方面，就电动机的控制目标来说，主要有速度控制和位置控制2大类。电机的速度控制系统也称为电机调速系统，他广泛应用于机械、冶金、化工、造纸、纺织、矿山和交通等工业部门。直流电机由于具有良好的调速特性，宽广的调速范围，长期以来在要求调速的地方，特别是对调速性能指标要求较高的场合得到了广泛的应用。特别是近年来随着电力电子技术的发展,直流电机调速系统是一个复杂的多变量、非线性控制系统，控制参数多，各个参数之间相互影响，抗干扰能力较弱，不适合需要高控制性能的场合。因此，为了增强直流电机调速系统的抗干扰能力和鲁棒性，提高调速系统的响应速度和稳态精度[1]，本文提出了基于模糊控制的直流电机PWM调速系统。以往的直流电机多由单片机附加许多种接口设备构成，不仅复杂而且速度也受到限制,难以实现从位置环到速度、电流环的全数字控制,也不方便扩展。而应用数字信号处理器(DSP)实现的电机伺服系统却可以只用1片DSP就可以替代单片机和各种接口,由于DSP芯片的快速运算能力,可以实现更复杂、更智能化的算法[2];可以通过高速网络接口进行系统升级和扩展;可以实现位置、速度和电流环的全数字化控制。

2 直流电机工作原理

任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这个基础上的，直流电机也是如此[3]。直流电机的工作原理如图1所示。

图1 直流电机的工作原理

电机具有1对磁极，电枢绕组只是1个线圈，线圈两端分别在2个换向片上，换向片上压着电刷A和B。当电枢在磁场中转动时，线圈中要产生感应电动势E，这个电动势的方向（由右手定则确定）与电流或外加电压的方向总是相反，所以称为反电势，他与发动机中的电动势的作用时不同的。直流电机电枢绕组中的电流与磁通Φ相互作用，产生电磁力和电磁转矩[4]。直流电机的电磁转矩常用下式表示：

ИT=KtΦInИ

式中，T为电磁转矩（N•m）；Φ为对磁极的磁通（Wb）；Ia为电枢电流（A）；Kt为与电机有关的常数，Kt＝9.55 Ke。И

3 系统的硬件设计

该模糊控制系统以DSP(TMS320LF 2407)作为控制核心和运算核心。TI公司的TMS320LF2407是专门面向运动控制应用的数字信号处理器,其上包含电机控制应用所需要的各个主要功能模块。他不仅有16位定点处理器内核,更重要的是他将许多电机控制常用的接口集成到1个DSP控制器上。

系统硬件基本上包括1个以TMS320LF2407为处理核心的DSP板,1个配套的功率驱动板和直流电动机。实现编码器的解码、速度的测量、模糊控制算法和相应的人机界面。本系统的硬件框图如图2所示：

图2 硬件框图

该系统的电机驱动器是自行设计，所设计的驱动电路采用脉宽调制技术，用到的电力电子器件是电压控制型器件N沟道MOS管以及信号控制开关三极管。电路原理图见图3。

图3 驱动器电路图

4 系统控制设计

模糊控制是指模糊理论在控制技术上的应用，可以解决复杂系统的控制问题，控制逻辑更加接近人类思维，直接采用人类语言型控制规则，使得控制机理和控制策略易于理解和接受，设计简单，便于维护和推广。

4.1 光电编码器测速

测速元件是速度闭环系统的关键元件。该系统中采用增量式光电编码器测量直流电机的实时速度，进而通过模糊算法得到实时电机驱动的PWM控制量，实现直流电机速度的闭环控制。系统选用ZKX-6-50BM7型增量式光电编码器是一种高精度角位移传感器。

[BT4+*3]4.1.1 编码器的解码

系统直流电机编码器共有A，B两相输出，输入/输出波型如图4所示：

图4 编码器正转输入输出

鉴于A，B相的波型特点：A相和B相的相位总是相差90°，如果可以在A相的下降沿，判断出B相的电平状态，即可判断出电机的正反转：当A相的下降沿来时，B相为高电平时，则为正转；反之为反转。为了防止DSP处理不过来，而导致编码器丢步，降低了系统的精度。这里把A相接到DSP的外中断输入引脚，当A相的下降沿来时，测触发程序中断，进行相应的脉冲计算和转向检测。连接电路图5如下：

图5 连接电路图

[BT4+*4]4.1.2 M/T法测速

同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测转速。他是用规定时间间隔Tg以后的第一个测速脉冲去终止时钟脉冲计数器，并由此计数器值m来确定检测时间T。И

检测的时间为：

ИT=Tg+ΔTИ

设电机在T (s)时间内转过的角度位移为X(rad)，则其实际转速值为：

ИnM=60•X2πT=60•X2π(Tg+ΔT)И

如果电机每转动一圈脉冲发生器输出P个脉冲，在T时间内，计数值为m1，则角位移X为X=2πm1/P。同时，考虑在检测时间T=Tg+ΔT内，由计数频率为关的参考时钟脉冲来定时，且计数值为m2，则检测时间T可表示为T=m2/fc。в谑潜徊獾乃俣任：

ИnM=60fc•m1pm2(r/min)И

通过分析可知（M法和T法不介绍）:M法测量转速在极端情况下会产生±1个转速脉冲的误差，而T法在极端情况下，时间的测量会产生±1个高频脉冲周期，由于转速脉冲的频率远小于高频脉冲的频率，因此如果用转速脉冲信号的上升沿/下降沿来同步计数器的起止，在预定的测速时间内，转速脉冲信号的计数值将为整数(无误差)，只有高频时钟脉冲会产生±1的误差，因其很小，影响可以忽略，所以系统采用M/TХ可适用于测量高、低速的场合，且具有较高的测速精度，但检测时间不宜过长。

4.2 速度控制设计

作为一种人工智能手段，模糊控制将输入量按一定的模糊控制规则自动进行推理运算，模仿专家经验，从而获取问题的求解，在处理不确定性和不精确性问题时具有良好的鲁棒性。该模糊控制器设计为二维模糊闭环控制器，以速度反馈和给定转速的误差e及误差的变化率ec作为模糊控制器的输入变量，经模糊控制器进行模糊化后变成模糊量E和EC，Ь过模糊控制推理和模糊决策后，得到决策后的控制输出模糊量，再经去模糊化处理，利用DSP计算得到精确的输出量u，转换成相应的PWM去控制被控对象。模糊控制系统框图如图6所示。

图6 模糊控制系统框图

4.3 速度控制算法

自带调整因子的模糊控制器，他根据误差的大小，对误差和误差变化率进行不同的加权处理。对于二维模糊控制系统，当误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，这时对在控制规则中误差的加权应取大些。相反，当误差较小时，此时系统己接近稳态，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，为此必须减小超调，这就要求在控制规则中误差变化率起的作用大些，即对误差变化率加权取大一些。在本系统中，对误差及误差变化和控制量的模糊控制集及其论域定义为：{±6,±5,±4,±3,±2,±1,0}，根据转速误差模糊量E的当前值，采用不同的αе底缘髡如下：

采用带调整因子的模糊控制器不需要建立模糊查询表，而是利用DSP强大的计算能力直接按实时计算输出控制量，从而节省大量存储空问，同时也可以方便地实现对控制策略的调整。

#include "global.c"

#define Ke1 [JY]//偏差Error模糊化系数

#define Kde 2 [JY]//偏差变化率DError模糊化系数

#define Ku20[JY]//输出U增量去模糊化系数

*****自适应模糊算法*****

int fuzzy(int Error,int DError)

{int a;int U;

if(Error>Ke*6) Error = 6;[JY]//输入变量模糊化

else if(Error>Ke*5)Error = 5;

U=INT［0.89E+(1-0.89)EC］ E=±6

U=INT［0.74E+(1-0.74)EC］ E=±5

U=INT［0.55E+(1-0.55)EC］ E=±4

U=INT［0.43E+(1-0.43)EC］ E=±3

U=INT［0.36E+(1-0.36)EC］ E=±2

U=INT［0.22E+(1-0.22)EC］ E=±1

U=INT［0.12E+(1-0.12)EC］ E=0

else if(Error>Ke*4)Error = 4;

else if(Error>Ke*3)Error = 3;

else if(Error>Ke*2)Error = 2;

else if(Error>Ke)Error = 1;

else if(Error>=0)Error = 0;

else

{…

}

//根据E来确定不同的a自调整值,系数放大100倍

{[ZK（]case6:case -6:a = 89;break;

case5: case -5:a = 74;break;

case4: case -4:a = 55;break;

case3: case -3:a = 43;break;

case2: case -2:a = 36;break;

case1: case -1:a = 22;break;

case0:a = 12; break;

efault: break; }

U = a*Error+(100-a)*DError;[JY]//算出模糊输出控制量增量

U = U*Ku/100;[JY]//去模糊化

return U;[ZK）]

}

4.4 试验结果

直流电动机控制系统采用CCS3.1软件集成开发环境，软件主要实现直流电动机速度的检测，转速的计算，电流与转速的调节，PWM信号的生成以及故障信号的处理等功能。直流电动机控制系统软件主要包括速度检测，转速调节，电流调节，PWM波生成等几部分组成。并通过中国电子公司硬件仿真器、DEC2407控制板和自制的驱动器进行了速度控制试验如图7所示。通过编码器来检测直流电机运行速度,运用PC机的远程终端来显示直流电机的速度控制情况，如图8所示。

5 结 语

本文利用DSP实现直流电机速度的模糊控制，使直流电机的速度控制优越性能得到了广泛应用,使用DSP实现直流电机控制则不仅比传统的模拟电路成本低,而且结构简单、方便扩展。

通过实验说明模糊控制的速度控制器比PID控制更好,提高系统响应速度和稳态性能，并且模糊控制技术能优化系统结构，使系统具有较强的鲁棒性和抗干扰能力[5]，适应于各种不同的场合。

图7 速度控制试验图

图8 电机运行速度反馈图

参 考 文 献

［1］贾东耀，曾智刚.基于模糊控制的直流电机调速系统Matlab的位置［J］.电机电器技术,2002(5):2-6.

［2］张东亮，常宏敏，田新亮,等.无刷直流伺服电机的DSP全数字控制系统研究［J］.山东大学学报,2002(5):485-488.

［3］邓星钟.机电传动控制［M］.3版.武汉：华中科技大学出版社，2001.

［4］张崇巍,李汉强,陈伯时.运动控制系统［M］.武汉：武汉理工大学出版社,2002.

［5］李勇，罗隆福，许加柱，等.基于模糊控制的直流电机PWM调速系统［J］.大电机技术,2006（1）:66-68.

作者简介 张宗宝 男，1976年出生,四川绵阳人,硕士研究生。主要研究方向为制造系统的计算机控制。

周宏甫 男，1958年出生,湖北人,博士。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。