DSP技術在直流電機控制系統中的應用研究

羅 樂

（成都工業學院 通信工程系，成都 611730）

0 引言

直流電機控制系統是一種結合了多種學科的技術系統，如材料學科、電子技術學科和微電機技術等，在許多的領域中都得到了廣泛的應用，尤其是到了20世紀60年代，科學技術得到了前所未有的發展，同時也促進了直流電機控制系統從位置傳感器控制系統最終發展到了智能控制系統，其高效節能的特點更是顯示其強大的應用空間。

而無刷直流電動機就是科學技術發展的一個產物，不僅具有直流電動機的特點，還具有起動性能好，結構簡單，方便操作與維護的優勢，突出的一點就是在電機轉速控制方面，從模擬調速中轉變成數字調速系統?，F在普遍使用的是集成電路，雖然可以降低投資，提高性能，但是應對不同的要求不能靈活改變。針對這個情況，本文提出了一種新的技術，將DSP技術應用到控制核心中來構成整個硬件系統，然后通過一些編程軟件來控制功能，經實驗結果證明，這個方法具有靈活性，更有著強大的實用性和有效性。

1 DSP 技術的闡述

數字信號處理技術(Digital Signal Processing）簡稱為DSP，是一種將模擬信用通過轉化成為一種數字信號的過程，從而來實現各種信息的方法，且這個過程設計到許多的學科綜合。從1980年以后，隨著科學技術的發展，DSP技術的得到了進一步的發展，像是運算速度，就是從原先的400ns到現在的40ns，像是制造工藝，就是從原先的4μ的N溝道MOS工藝到現在的亞微米CMOS工藝，引腳的數量也達到了200多個，像是成本核算，也從原先的花大量時間和人力到現在的流水線操作，等等各個方面使得DSP的芯片得到了越來越多的應用。

現在具體地介紹一下DSP芯片的構造和主要的特征。DSP芯片是一種集成各種功能的微處理器，有著特殊的結構，是一種將程序與數字分開的哈佛結構，同具有自己專門的乘法器，可以輸入一些對著需要功能的DSP指令，也就是軟件語句，就可以在較短的時間內實現各種處理算法，來實現對數字信號的處理。一般針對數據信號的處理過程，可以將DSP芯片的主要特性進行歸納，如下：

1）完成一次算法，包括一次乘法與一次加法的時間是在一個指令周期內完成的。

2）在訪問各種指令與一些數據的時候可以兩者同時進行。

3）由于具有RAM，在訪問數據時可以通過數據總線在幾個中間同時進行訪問。

4）在硬件的方面，做到了低損耗、無循環和跳轉的功能。

5）接口良好，可以迅速地處理中斷和輸出輸入功能。

6)在一個周期操作內，可以訪問多個地址。

7)在過程中涉及到的取指令，翻譯代碼和執行代碼的流水線操作流程中可以重疊操作。

2 DSP技術在直流電機控制系統中的主要應用

2.1 闡述無刷直流電動機

直流電動機的兩個主要體系是無刷直流電動機和有刷直流電動機，而無刷直流電動機是在有刷電動機的基礎上伴隨著技術的改革產生的，兼具有電動機的主要特征和自身的優勢，故在本文中主要采用了無刷直流電機來進行闡述。

無刷直流電動機(Brushless DC Motor）簡稱為BLDCM，是一種非常典型的電動機體，它的主要的構成是四個部件，分別是電動機機體、位置檢測器、逆變器以及控制器。主要的流程過程如下：顯示位置檢測器根據轉子磁極的信號來確定其位置，然后通過控制器對轉子位置進行處理，同時產生出相對應的開關信號，這個開關信號是按一定順序的進行處罰逆變器，從而將功率按照一定的邏輯關系分配到各個電動機本身上，從而使得電動機開始不停滴扭動，從而來輸出額定的動力?，F在在市面上流動的主要的兩種型號是自同步電動機體系和自控式變頻同步電動機。

無刷直流電動機的主要特性如下，一是機械特性：

圖1 機械特性曲線簇

當轉矩較大、轉速較低時，流過開關管和電樞繞組的電流很大，這時，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機械特性曲線會偏離直線，向下彎曲。

二是無刷直流電動機的調節特性，如式（2）、式（3）和圖2所示。

其中，公式（2）和公式（3）分別代表的是調節特性的始動電壓和斜率。

圖2 調節特性

從機械特性和調節特性可以看出，無刷直流電動機在這個過程中，主要突出的有點是效率高的電機，降低了損耗。但是與一般直流電動機一樣，只能通過調節電源電壓實現無級調速，不具有良好的調速控制性能。

2.2 DSP技術在無刷直流系統中的應用

電機控制器在這個無刷電機控制系統中是核心的硬件組成，可以對各種功能進行調整，但往往單片機的接口來實現對速度的調整，這種不僅結構復雜，且不宜動態調整，針對上述的這個情況，本文采用了DSP芯片組成控制系統，來進行對無刷直流電動機的調速，如圖4所示組成了無刷直流電機控制系統，在這個組成中也包含四個電路。在這個過程中，可以通過編程軟件將功能集成到DSP芯片中，然后再經過DSP芯片的高速處理能力進行運算，最后可以針對不同的功能要求對無刷的直流電機進行改變，使得不僅實現功能方便，還是做到靈活調整無刷直流電機的速度。

圖3 基于DSP的無刷直流電機控制系統

從圖3中可以看到，采用的是TI公司產生的TMS320F28X的芯片，也就是說在啟動電機之后，通過PWM的閉環方式來進行交直流電的轉換，同時根據要求來調整PWM的脈沖寬度，來保證功率的開觀點，同時也做好保護措施，在任何故障產生的時候，都可以通過保護電路，來斷開PWM的輸出。

根據上述的原理和功能，我們采用CSS2的軟件工具，對這個硬件組成進行了實驗，且在這個實驗過程中，假定設置電機的額度轉速為3000r/min,額定功率為25w,額定的電壓為24V,從實驗結果得出了本文利用DSP芯片進行控制無刷直流電機的優勢。

圖4 實驗結果圖

從實驗數據可以看出，當反饋的數值大于期望值的時候，就會導致PWM的占空比減少，此時電壓被降低了，速度就減慢在；相反，當速度的反饋值的數值低于期望值的時候，就會導致PWM的占空比就會逐漸地增加，從而使得電壓和速度都得到了提高。

圖5 仿真實驗結果

從圖5上可以看出，利用DSP技術可以產生很好的三相PWM控制波形，同時考慮到所用的無刷直流電機忽略了一些難消除的實際的非線性物理線性，但是將應用傳統的控制方法與實驗的調速進行對比，采用DSP技術的調速相對達到了預期的效果，實際的仿真結果接近實際的結果。

3 結束語

在本文中，通過采用TI公司的TMS320CX系列的DSP芯片搭建的實驗裝置，實現了對各種對各種輸入信號進行邏輯綜合，并通過轉化電刷中的控制電機線圈的流向和位置信號，靈活調整了整個控制系統中電機的轉向和轉速。在這個過程中，DSP的優勢性能為無刷直流電機的控制提高了堅實的基礎，在精度和抗干擾方面都得到了提高。

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