淺析DSP電機控制系統

【摘 要】論文結合自己實際工作，通過對DSP的電動機控制系統的發展歷程、類型，以及常見問題進行了深入探討，以期為從事電動機控制系統研發和應用的工程師、高校相關專業的師生提供參考和借鑒。

【關鍵詞】DSP；電機；控制系統；數字信號；傳輸

DSP是一種專用的綜合性的微處理器，能夠告訴輸入和輸出數據，其是專門處理以運算為主的信號處理應用系統。90年代DSP揭開了計算機、消費類、通信、軍事、汽車等電子市場的新紀元，在這些技術高速發展的同時，又反過來促進了數字信號處理器技術的發展。

一、DSP的電機控制系統概述

常見的數字式閉環電機飼服控制系統原理較為簡單，該系統一般由電機、DSP、驅動放大電路、光盤編碼器等組成。當DSP接受主機發出的參考輸入時（轉動角速度及方向），將數據轉換為PWM輸出，經過驅動放大送給電機，進而產生輸出。再通過編碼器來檢測電機的轉動方向和角度，反饋回DSP系統，形成閉環控制，進而達到有效地控制運動精度。如下圖所示：

圖1 電機控制示意圖

設計以DSP為核心的電機控制系統平臺對實現多個電機進行控制非常有必要。與其它控制系統相比，電機DSP控制系統有如下優越性：

1、DSP采用哈佛結構或者是改進的哈佛結構，使數據和程序相互獨立的總線結構提高了計算能力。因此可以實現比較復雜的控制規律，如智能控制、優化控制等，將現代算法和控制理論的應用得以體現。

2、簡化了電機控制器的硬件設計難度，降低了整體的重量，縮小了體積，降低了能耗。

3、DSP芯片內部設計，在一定程度上為元器件的可靠性和穩定性提供了保證，從而會使整個系統的可靠性得到提高。

4、通過DSP控制系統，使得軟件的靈活性和硬件的統一性得到了有機的結合，DSP電機控制電路可以統一，如DSP控制三相逆變器驅動相應的感應電機、無刷直流電機、永磁同步電機或用改進后的逆變器驅動直流電機等，它們的硬件電路的結構大致相同，我們只需要針對不同的電機，編寫和設計出不同的控制規律即可，進而使得系統的靈活性大大提高。

二、電機控制系統的發展

從主傳動機電能量轉換的角度來看，電機控制系統主要經歷了：機械控制系統（如齒輪箱變速）、機械和電氣聯合控制系統（如感應電機電磁離合器調速）、全電氣控制系統（基于電力電子電源變換器的電機控制系統）；而從控制電路的角度來看，經歷了模擬電路、數字電路、模擬混合電路、全數字電路控制系統；從控制策略的角度來看，主要經歷了從最初的低效有級控制發展到現在的高性能智能型控制。電機運動控制系統主要指電機的位置控制系統或位置伺服系統。電機的運動控制系統是通過電機伺服驅動裝置，通過編制指令將期望的運動路線得以實現。雖然系統的功率不大，但是對運動軌跡的準確性要求較高，并能頻繁啟動和制動，該技術在導航、雷達、機器人、數控機床、磁盤驅動器，以及全自動洗衣機等領域得到廣泛應用。

三、電機控制系統的類型

在電氣傳動系統和位置伺服系統中，經常需要使用各種各樣的驅動電機，如永磁同步電機、無刷直流電機、直流電機、感應電機、步進電機等。目前常見的電機控制系統主要有以下幾種：

（一）直流電機控制系統

直流電機由于勵磁磁場和電樞磁場完全解藕，可以獨立控制，具備良好的調速性能，出力大，調速范圍寬和易于控制，廣泛用于拖動系統中，目前在各種推進系統中也仍有著廣泛的應用。

（二）感應電機控制系統

感應電機定子一般為多對稱多相繞組，轉子可以是繞線式，也可以式鼠籠式繞組。不同的轉子結構，使用不同的控制策略。例如繞線式感應電機可以達到轉子串電阻調速、串級調速等目的，而鼠籠式感應電機可以實現電子變頻、變極調速的要求?，F代交流感電機控制系統主要有以下幾種：轉差頻率控制系統、矢量變換控制系統、直接轉矩控制系統、智能控制系統，以及空間矢量調制控制系統等。

（三）同步電機控制系統

永磁交流電機的驅動電源波形主要有正弦波和方波兩種。前者稱為永磁同步電機，而后者稱為直流無刷永磁電機。永磁無刷直流電機的特點是磁極位置檢測與無換向器電機一樣比較簡單，通常為磁敏式霍爾傳感器，驅動控制易于實現，主要應用在恒速驅動、調速驅動，以及一些精度要求不很高的領域。而正弦波驅動永磁同步電機的控制系統，電機轉子采用的是永磁材料，電子繞組和普通同步電機一樣，為對稱多相正弦分布繞組。它主要應用在恒速、調速驅動和精度要求很高的位置伺服系統。當前國際國內學者研究較多的是轉矩脈動、削弱齒諧波、消除位置傳感器技術。

（四）變磁阻電機控制系統

變磁阻電機主要是由反應式步進電機、同步磁阻電機、開關磁阻電機等組成。步進電機做為電磁式增量運動執行的元件，它的作用是將輸入的電脈沖信號轉換成執行的線位移和機械角位移信號，從而完成執行操作。所以我們又稱步進電機為脈數字電動機或者是沖電動機。簡而言之，它是主要用作數字控制裝置的執行元件，直接控制者電機旋轉角度，切旋轉角度與脈沖數成正比關系， 因此電機轉速與輸入脈沖頻率成比例。步進電機的控制一般是采用的開環控制，它的有點使控制系統簡單并具有很高的精度?？梢愿淖兝@組的勵磁順序實現步進電機的正反轉控制。

四、電機DSP控制存在的常見問題

結合自己工作實際，我個人認為在電機的DSP控制中還存在以下不足，有待我們日后解決，具體如下：

（一）控制系統結構需進一步優化

電動機作為控制系統中主要動力執行元件之一，在具體控制系統中起著拖動機械負載實現位置伺服、速度調節、轉矩或力控制調節的作用。對于常見的閉環電機控制系統，屬于機械運動正向控制，一般由傳感、機電禍合關系、信號檢測和電氣控制這幾個部分。機械運動控制通過外部給定的位置信號和轉子位置傳感器檢測的位置信號比較，進而獲得位置誤差信號?？刂葡到y中的信號檢測主要指的是轉子位置的檢測，以及電壓與電流的檢測等。我們首先要解決的問題是如何利用檢測到的電機轉子位置、電流和電壓信號觀測電機內部磁場的變化。其次是如何反映電機產生的電磁轉矩大小，以便有效地控制電機的電磁轉矩。

（二）DSP控制的硬件需及時更新

基礎以DSP為基礎構建的電機控制系統，其硬件資源主要包括：信號檢測與轉換、PWM控制器、系統接口等等。隨著科技快速發展，各設備技術更新較快，為了保證控制系統的高效運行，就必須及時更新DSP控制的硬件。此外控制系統中信號檢測是必不可少的，尤其是在閉環控制系統中，狀態信息的檢測也十分重要，我們必須嚴格按照工作要求，認真做好信號檢測，及時發現、解決問題。而檢測信號又分為電量和非電量兩大類。電量信號有電流、電壓和電功率等；非電量信號包括位置、力或轉矩、速度和溫度等。這些變量的檢測主要是通過傳感器將非電量信號轉換成電信號再來檢測。

參考文獻：

[1]劉鼎.基于DSP的永磁無刷直流電機模糊控制系統的研究與實現[D].湖南大學.2010

[2]張琛編著.直流無刷電動機原理及應用[M].機械工業出版社.2004

作者簡介：

陳昆（1980-），佛山市新泰隆環保設備制造有限公司，電氣工程師。