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1.东华大学 信息科学与技术学院，上海市201600；2. 东华大学 信息科学与技术学院，上海市201600
摘 要：无刷直流电机是永磁式同步电机的一种。它既具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好等特点，而且还有起动力矩大、起动电流小、噪声低、体积小等优点，因此被广泛应用于工业控制领域。STM32F107系列芯片是具有ARM Cortex-M3内核的可用于工业控制领域的芯片，具有强大的处理能力和丰富的片载外设，非常适合制作低价位的无刷直流电机的控制器。本文研究了模糊自适应PID控制算法在无刷直流电机中的应用，并设计了低价位的STM32F107VCT6来控制无刷直流电机，完成了无刷直流电机控制器的制作及调试工作。实验结果表明，与传统的PID控制相比，模糊自适应PID控制的无刷直流电机控制系统具有转速响应快，超调量小等优点，使系统对扰动和参数变化都具有较强的鲁棒性，达到了较好的控制效果；而且基于STM32的控制器价位低。
关键词：无刷直流电机；自适应；PID控制；参数自整定 ；STM32
【分类号】TM33
0 引言
无刷直流电机的起动力矩大，起动电流小，运行效率高，调速性能好，噪声低，体积小，被广泛应用于工业生产控制领域。但是，它又具有时变性、非线性、强耦合等特点，传统的 PID 控制难以达到控制器的性能要求。本文在传统的 PID 控制基础上采用模糊自适应算法，自动实现对PID参数的自整定。学者们研究出了许多以单片机或 DSP 为核心的数字控制器。然而，以单片机为核心的控制器虽然性能好，但运算速度和内存有限，难以运行许多复杂的控制算法；以 DSP （Digital Signal Processor）为核心的控制器虽然可以实现一些复杂的控制算法，但是DSP芯片的成本相对较高，设计复杂，研发周期长，成本高。
意法半导体公司在 2007 年推出了最新的 32 位闪存微控制器——STM32系列芯片，使用 ARM 公司最新的突破性的 Cortex-M3 内核，能满足现代嵌入式系统的要求，并且特别为无刷直流电机提供了 6 路脉宽调制信号（PWM）输出。基于 STM32 的无刷直流电机控制器，能很好的缩短研发周期和降低研究成本，同时还能保持高性能的控制需求。
1 无刷直流电机的运行特性和传递函数
想要精确地分析无刷直流电机的运行特性，实际上是很困难的，一般在工程上常做如下假设：[1]
（1）電动机的气隙感应强度沿气隙按正弦分布。
（2）绕组通电时，电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计。
（3）控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降 为恒值。
（4）各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致，相应的电气时间常数忽略不记
（5）位置传感器等控制电路的功耗忽略不计
无刷直流电机在运行过程中，每相绕组通过的电流并不是持续不变的，转子和电流作用产生的转矩和绕组上的感应电动势也不是持续不变的。假定各相绕组对称，相应的时间常数忽略不计，其电压平衡方程为式（2-1）：[2，3]
（2-1）；它的机械特性方程为式（2-2）： （2-2）；式中：n——电动机转速（r / min）；U——电源电压（V）； ——反电动势平均值（V）； ——功率管的管压降（V）； ——电动势系数； ——电动机产生的电动转矩平均值（N·m）； ——转矩常数；R——电动机的内阻（Ω）。
由式 （2-1） 和 （2-2） 可得，无刷直流电机的机械特性方程同一般电机的机械特性方程在形式上一致，只是它的转矩和反电动势运用平均转矩和平均反电动势的概念。
无刷直流电动机动态结构如图1所示。传递函数为[4，5]： （2-3）
图1 直流无刷电动机动态结构图
式中 为电动势传递系数， ； 为转矩传递系数， ； 为电磁时间常数， （ —电动机转子飞轮力矩（N·m2）， 。）。
2 基于模糊自适应PID控制器的无刷直流电机控制系统设计
2.1 系统整体结构
整个控制器是基于STM32系列微处理器的控制器，MCU 选用的是100 引脚封装的STM32F107VCT6 芯片，包括驱动板、控制板、电源板和 UI 板组。功率驱动模块通过 STM32 芯片给出的 PWM 信号驱动无刷直流电机转动，将电流检测信号反馈给 STM32 进行电流反馈和电路保护。反电动势检测电路将位置信号反馈给 STM32，经过 A/D 转换，转速计算，通过 PID 控制，构成完整的闭环系统。STM32 还监控调速系统的运行状态，当系统出现短路﹑过压、过流等故障时，封锁 PWM 信号使电机停止工作，产生报警。图 2为控制系统总体设计图。
图 2 控制系统总体设计图
整个控制器采用电流与速度双闭环控制，采用模糊自适应 PID 控制方法设计的速度控制器代替传统的 PID 速度调节器。整个控制器的结构如图 3 所示。
图 3 控制系统结构图
2.2 模糊自适应PID控制器设计
模糊自适应PID控制器选用电机的实际转速 和温度给定值 的偏差 （用E表示）以及偏差的变化 （ 为采样周期），作为输入语言变量，把 PID 的 3 个参数的修正值作为输出语言变量，构成一个 3 变量二维模糊控制器。利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改，满足不同时刻的 E 和 EC 对参数自整定的要求。控制器结构如图 4 所示。
图4 控制器结构图
3 实验结果
图中红线为“物理模型反馈”，黑线为“PID模块输出”。 图 5 自适应 PID 仿真结果
从仿真结果可见，在启动了控制器的自适应功能后，系统从振荡的状态很快的回到了稳态，自适应的结果良好。
4 结论
本文从无刷直流电机工作的实际情况出发，根据无刷直流电机的工作特性和工作机理，参考目前国内外直流电机控制器的现状，以及国内对电机控制器的要求，设计并制作了一个低价位的无刷直流电机控制器，并且提出了基于模糊自适应 PID 算法该驱动器的架构的适用于制造的方案，并完成了实验调试工作。从仿真结果可见，在启动了自适应功能后，系统从振荡的状态很快的回到了稳态，自适应的结果良好。因此，对于具有多变量、非线性特性的无刷直流电机控制系统，采用模糊自适应PID控制器的系统动静态性能以及鲁棒性都优于传统的控制器。
参考文献
[1] 张琛.直流无刷电动机原理及应用第2版[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2] 孟朝霞，牛百齐.无刷直流电机无位置传感器控制系统[J].机电工程，2005.
[3] 张春喜.永磁电动机的控制技术[J].电机与控制学报.2004，8（1）：30—34.
[4] 张春良，陈子辰，梅德庆. 直线驱动新技术及其在加工装备上的应用[J]电工技术学报，2002，（05）.
[5] 朱希志，罗良进.纵谈DSP的发展及应用.电脑知识与技术.2004，34
[6] 程水英，武传华.DSP56F80x及其在电机控制中的应用.今日电子.2003，11
[7] 邵森龙.利用DSP控制直流无刷电机.今日电子.2004，12
[8] 汪锐.基于DSP芯片的永磁无刷直流电机控制器[J].微电机，2000，（4）：27—29.
[9] 陈明意.基于DSP方波无刷直流电动机控制系统[J].武汉工业学院学报，2003.（12）：12一l4.
[10] 任海鹏.DSP在无刷直流电动机伺服系统中的应用[J].微電机.2000，（2）：32—33.
[11] 潘建.无刷直流电机控制器MC33035的原理及应用[J].国外电子元器件，2003，（8）.
[12] 尹勇，欧光军，关荣锋. DSP集成开发环境CCS使用指南. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[13] 刘和平，王维俊，江渝等. TMS320LF240x DSP C语言开发应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.
摘 要：无刷直流电机是永磁式同步电机的一种。它既具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好等特点，而且还有起动力矩大、起动电流小、噪声低、体积小等优点，因此被广泛应用于工业控制领域。STM32F107系列芯片是具有ARM Cortex-M3内核的可用于工业控制领域的芯片，具有强大的处理能力和丰富的片载外设，非常适合制作低价位的无刷直流电机的控制器。本文研究了模糊自适应PID控制算法在无刷直流电机中的应用，并设计了低价位的STM32F107VCT6来控制无刷直流电机，完成了无刷直流电机控制器的制作及调试工作。实验结果表明，与传统的PID控制相比，模糊自适应PID控制的无刷直流电机控制系统具有转速响应快，超调量小等优点，使系统对扰动和参数变化都具有较强的鲁棒性，达到了较好的控制效果；而且基于STM32的控制器价位低。
关键词：无刷直流电机；自适应；PID控制；参数自整定 ；STM32
【分类号】TM33
0 引言
无刷直流电机的起动力矩大，起动电流小，运行效率高，调速性能好，噪声低，体积小，被广泛应用于工业生产控制领域。但是，它又具有时变性、非线性、强耦合等特点，传统的 PID 控制难以达到控制器的性能要求。本文在传统的 PID 控制基础上采用模糊自适应算法，自动实现对PID参数的自整定。学者们研究出了许多以单片机或 DSP 为核心的数字控制器。然而，以单片机为核心的控制器虽然性能好，但运算速度和内存有限，难以运行许多复杂的控制算法；以 DSP （Digital Signal Processor）为核心的控制器虽然可以实现一些复杂的控制算法，但是DSP芯片的成本相对较高，设计复杂，研发周期长，成本高。
意法半导体公司在 2007 年推出了最新的 32 位闪存微控制器——STM32系列芯片，使用 ARM 公司最新的突破性的 Cortex-M3 内核，能满足现代嵌入式系统的要求，并且特别为无刷直流电机提供了 6 路脉宽调制信号（PWM）输出。基于 STM32 的无刷直流电机控制器，能很好的缩短研发周期和降低研究成本，同时还能保持高性能的控制需求。
1 无刷直流电机的运行特性和传递函数
想要精确地分析无刷直流电机的运行特性，实际上是很困难的，一般在工程上常做如下假设：[1]
（1）電动机的气隙感应强度沿气隙按正弦分布。
（2）绕组通电时，电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计。
（3）控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降 为恒值。
（4）各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致，相应的电气时间常数忽略不记
（5）位置传感器等控制电路的功耗忽略不计
无刷直流电机在运行过程中，每相绕组通过的电流并不是持续不变的，转子和电流作用产生的转矩和绕组上的感应电动势也不是持续不变的。假定各相绕组对称，相应的时间常数忽略不计，其电压平衡方程为式（2-1）：[2，3]
（2-1）；它的机械特性方程为式（2-2）： （2-2）；式中：n——电动机转速（r / min）；U——电源电压（V）； ——反电动势平均值（V）； ——功率管的管压降（V）； ——电动势系数； ——电动机产生的电动转矩平均值（N·m）； ——转矩常数；R——电动机的内阻（Ω）。
由式 （2-1） 和 （2-2） 可得，无刷直流电机的机械特性方程同一般电机的机械特性方程在形式上一致，只是它的转矩和反电动势运用平均转矩和平均反电动势的概念。
无刷直流电动机动态结构如图1所示。传递函数为[4，5]： （2-3）
图1 直流无刷电动机动态结构图
式中 为电动势传递系数， ； 为转矩传递系数， ； 为电磁时间常数， （ —电动机转子飞轮力矩（N·m2）， 。）。
2 基于模糊自适应PID控制器的无刷直流电机控制系统设计
2.1 系统整体结构
整个控制器是基于STM32系列微处理器的控制器，MCU 选用的是100 引脚封装的STM32F107VCT6 芯片，包括驱动板、控制板、电源板和 UI 板组。功率驱动模块通过 STM32 芯片给出的 PWM 信号驱动无刷直流电机转动，将电流检测信号反馈给 STM32 进行电流反馈和电路保护。反电动势检测电路将位置信号反馈给 STM32，经过 A/D 转换，转速计算，通过 PID 控制，构成完整的闭环系统。STM32 还监控调速系统的运行状态，当系统出现短路﹑过压、过流等故障时，封锁 PWM 信号使电机停止工作，产生报警。图 2为控制系统总体设计图。
图 2 控制系统总体设计图
整个控制器采用电流与速度双闭环控制，采用模糊自适应 PID 控制方法设计的速度控制器代替传统的 PID 速度调节器。整个控制器的结构如图 3 所示。
图 3 控制系统结构图
2.2 模糊自适应PID控制器设计
模糊自适应PID控制器选用电机的实际转速 和温度给定值 的偏差 （用E表示）以及偏差的变化 （ 为采样周期），作为输入语言变量，把 PID 的 3 个参数的修正值作为输出语言变量，构成一个 3 变量二维模糊控制器。利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改，满足不同时刻的 E 和 EC 对参数自整定的要求。控制器结构如图 4 所示。
图4 控制器结构图
3 实验结果
图中红线为“物理模型反馈”，黑线为“PID模块输出”。 图 5 自适应 PID 仿真结果
从仿真结果可见，在启动了控制器的自适应功能后，系统从振荡的状态很快的回到了稳态，自适应的结果良好。
4 结论
本文从无刷直流电机工作的实际情况出发，根据无刷直流电机的工作特性和工作机理，参考目前国内外直流电机控制器的现状，以及国内对电机控制器的要求，设计并制作了一个低价位的无刷直流电机控制器，并且提出了基于模糊自适应 PID 算法该驱动器的架构的适用于制造的方案，并完成了实验调试工作。从仿真结果可见，在启动了自适应功能后，系统从振荡的状态很快的回到了稳态，自适应的结果良好。因此，对于具有多变量、非线性特性的无刷直流电机控制系统，采用模糊自适应PID控制器的系统动静态性能以及鲁棒性都优于传统的控制器。
参考文献
[1] 张琛.直流无刷电动机原理及应用第2版[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2] 孟朝霞，牛百齐.无刷直流电机无位置传感器控制系统[J].机电工程，2005.
[3] 张春喜.永磁电动机的控制技术[J].电机与控制学报.2004，8（1）：30—34.
[4] 张春良，陈子辰，梅德庆. 直线驱动新技术及其在加工装备上的应用[J]电工技术学报，2002，（05）.
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[9] 陈明意.基于DSP方波无刷直流电动机控制系统[J].武汉工业学院学报，2003.（12）：12一l4.
[10] 任海鹏.DSP在无刷直流电动机伺服系统中的应用[J].微電机.2000，（2）：32—33.
[11] 潘建.无刷直流电机控制器MC33035的原理及应用[J].国外电子元器件，2003，（8）.
[12] 尹勇，欧光军，关荣锋. DSP集成开发环境CCS使用指南. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[13] 刘和平，王维俊，江渝等. TMS320LF240x DSP C语言开发应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.