基于CAN總線的無刷直流電動機模糊自適應PID控制器設計

永磁無刷直流電動機具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便，且具有直流電動機良好的調速性能而無機械換向器等優(yōu)點在國民經濟各個領域中得到廣泛應用。故多直流無刷電動機協(xié)調控制的分布式系統(tǒng)具有廣闊的前景。

但由于無刷直流電動機控制系統(tǒng)存在不同程度的非線性、時變性、換向效應等不確定性，影響了伺服系統(tǒng)的性能。因此，普通PI控制器難以獲得滿意的控制效果，從而限制了無刷直流電動機的使用。

本文提出一種電流環(huán)采用經典PI而速度環(huán)采用模糊自適應PID控制方法，并設計了以PICl8F458為中央處理器的基于CAN總線技術的無刷直流電動機模糊自適應控制器。實驗結果表明，此系統(tǒng)通過集中管理與分散控制很好地實現(xiàn)了多臺直流無刷電動機間快速協(xié)調控制，同時也通過模糊控制策略減小跟蹤誤差，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

1 電動機運行模式選擇

無刷直流電動機的電樞繞組分Y繞組和△繞組兩類，換相方式一般也有橋式和半橋式之分。常見的

主驅動類型有：三相半控、三相Y連接全控、三相△連接全控。其中三相半控電路的特點是簡單，但電動機本體的利用率很低，而且在運行過程中轉矩波動較大；而三相△形連接全控電路在生產實踐中應用又較少。故一般采用三相Y連接全控模式，其又分兩兩導通模式和三三導通模式。

三三導通模式繞組利用率高，各相繞組在每一時刻都有電流通過，正向和反向電流各1/2時間，轉矩波動較大，繞組利用率高于兩兩導通模式；但合成電磁轉矩比兩兩導通模式小，且易出現(xiàn)橋臂短路危險。

經綜合評定確定電動機運行于三相Y連接全控模式的“兩相導通三相六狀態(tài)”，如圖1。

2 控制策略與控制方法選擇

根據系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，選擇恰當的控制方案。本系統(tǒng)所采用的模糊自適應PID控制算法的轉速PWM控制器的系統(tǒng)結構主要由模糊控制和參數可調PID系統(tǒng)兩部分構成。這樣，當負載發(fā)生變化或有不確定性的干擾時就能夠迅速做出有效的判斷，并予以克服。其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 控制器硬件實現(xiàn)

在根據控制結構與控制方法選擇主控制芯片，并根據實際要求將控制系統(tǒng)劃分為12個單元，分別為：PIC控制器單元；按鍵與顯示控制單元；CAN總線通訊單元；電流檢測單元；電壓檢測單元；報警單元；邏輯換相與保護單元；驅動電路；逆變電路；泄放單元；轉子位置檢測單元；BLDCM調速系統(tǒng)本體單元。下面就其主要單元硬件設計進行簡要描述。

3.1 CAN總線通訊單元

與其它總線相比，CAN總線具有成本低，開發(fā)應用方便的優(yōu)點，易于采用現(xiàn)有的開發(fā)工具進行開發(fā)。它主要被廣泛應用在抗干擾和實時通訊能力要求較高的小型網絡。基于CAN總線的特點，系統(tǒng)采用其作為上位機與下位機的通信方式。系統(tǒng)采用MCP2551芯片，其為高性能CAN總線收發(fā)器。電路如圖3所示。

3.2副電源上電檢測單元(圖4)

此部分的作用是檢測控制電路是否上電正常。如果+15 V，+12 V，-12 V全部供電正常，PIC的RA4端口為高電平，表明主電路可以上電；否則，系統(tǒng)顯示副電源供電不正常，主電路不上電。

3.3主電路控制單元(圖5)

此部分的作用是在副電源供電正常時，PIC的引腳RCO輸出1，主電路通過繼電器上電。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，RCO輸出0，關斷主電路。