从无刷直流电机控制器发展过程看,由早期的采用小规模模拟、数字电路与分立元器件的控制器→采用无刷直流电机专用集成控制电路的控制器→单片机微控制器(MCU)→近年基于数字信号处理器(DSP)的控制器。从控制系统角度可分为:模拟控制系统、模拟和数字混合控制系统、全数字控制系统。这些不同层次、不同发展阶段的控制器适应不同性价比要求,并逐步将无刷直流电机控制推向更高水平。
无刷直流电机的控制和驱动专用集成电路(ASIC)和模块的出现,是推动无刷直流电动机成本下降和普及应用的重要因素。国际半导体厂商推出了多种不同规格和用途的无刷直流电机专用集成电路,这些集成电路设置了许多控制功能,如起停控制、正反转控制、制动控制等功能,并且片内具有输出限流、过电流延时关断、欠电压关断、结温过热关断和输出故障指示信号等功能。比较典型的有MC33035、LM621、LS7260、UDN2936、UCC3626、ECN3021、TDA5142、TDA5145、A8902、ML4425、TB6515AP等多种无刷直流电机集成控制芯片[1]。这些电路大多为模拟数字混合电路,大大提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力,又缩短了新产品的开发周期,降低了研制费用和控制器成本,因而近年来发展很快。
随着无刷直流电动机应用领域的扩展,现有的专用集成电路未必能满足新品开发要求,为此可考虑自己开发电动机专用的控制芯片。现场可编程门阵列(FPGA)可作为一种可行解决方案。FPGA是一种高密度可编程逻辑器件,其逻辑功能的实现是通过把设计生成的数据文件配置进芯片内部的存储数据用静态随机存取存储器(SRAM)来完成的,具有可重复编程、可以方便地实现多次修改的功能。简单地打个比方,FPGA相对ASIC好比EPROM相对于掩膜生产的ROM。利用FPGA可以在很短的时间内设计出自己专用的集成电路。试制成功后,如要大批量生产,可以按照FPGA的设计定做ASIC芯片,从而降低成本,又提高产品的竞争力,并能够保护自己的知识产权。
目前无刷直流电动机控制器大多采用单片机来控制。但单片机的处理能力有限,如要采用新的控制策略,由于需要处理的数据量大,实时性和精度要求高,单片机往往不能满足要求。对于快速运动控制系统,特别是高性能的控制需要快速运算和实时处理多种信号。为了进一步提高控制系统的综合性能,近几年国外一些大公司纷纷推出比MCU性能更加优越的DSP(数字信号处理器)单片电机控制器,如ADI公司的ADMC3××系列,TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8××系列等。它们都是由以DSP为基础的内核,配以电动机控制所需的外围功能电路,集成在单一芯片内,使控制器的价格大大降低、体积缩小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。现DSP的最大速度可达20~40MIPS以上,指令执行时间或完成一次动作的时间快达几十纳秒,它和普通的MCU相比,运算及处理能力增强10~50倍,能确保系统有更优越的控制性能。(www.daowen.com)
例如,TMS320C24×系列是美国TI公司专门为电动机控制设计的专用芯片,在其基础上升级了TMS320LF240×。TMS320LF2407是一种具有高速运算能力与面向电动机高效控制的数字信号处理器,集成了针对电动机控制所需要的CPU、片内RAM、ROM/Flash(闪速)存储器、SCI(串行通信接口)、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与PC上位机进行实时通信,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IG-BT模块,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动机的定子电流;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动机驱动保护和复位;3个捕捉单元可对电动机转子位置进行检测等,这些资源为实现无刷直流电动机数字化、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动机控制器之一。
在基于DSP的无刷直流电动机控制系统中,一片DSP就可代替单片机和各种接口,且由于DSP芯片的快速运算能力,可以实现更复杂、更智能化的算法;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。使用DSP实现无刷直流电动机控制,不仅比传统的模拟/数字混合控制电路成本低,而且结构简单,方便扩展。基于TMS320LF2407数字信号处理芯片、智能功率模块(IPM)的无位置传感器的无刷直流电动机调速系统,采用PI控制算法提高了系统的实时性和控制精度,可以实现无刷直流电动机的无级调速。
受控制理论和控制器件的限制,无刷直流电动机一直采用经典PID控制,该控制方法可使系统性能满足各种静、动态指标要求,但系统的鲁棒性不尽人意。面对日益复杂的控制对象,为进一步提高无刷直流电动机调速系统的快速响应性、稳定性和鲁棒性,智能控制方法受到更多的关注。智能控制是控制理论发展的高级阶段,一般包括模糊控制、神经网络控制、专家系统等。智能控制系统具有自学习、自适应、自组织等功能,能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其他较复杂的问题。无刷直流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象,因此利用智能控制可以取得较满意的控制结果。目前,已有一些较为成熟的智能控制方法应用于直流无刷电动机控制,例如:模糊控制和PID控制相结合的Fuzzy-PID控制、模糊控制和神经网络相结合的复合控制、隶属度参数经遗传算法优化的模糊控制、单神经元自适应控制等。
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