基于DSP的無刷直流電機控制系統

梁永春+王少坤+劉雅麗

摘 要

為提升無刷直流電機的控制能力，筆者設計一個以數字信號處理器（簡稱DSP）為核心的電機控制系統。文中先分析無刷直流電機的原理，基于此設計出雙閉環控制系統，同時從硬、軟件2方面去實現系統。最后通過MATLAB對控制系統予以仿真實驗，得出該控制系統有調速性好、啟動快速穩定、控制精度高等諸多優勢。

【關鍵詞】DSP 無刷直流電機 控制 算法 仿真

舊有的無刷直流電機其控制方式都面臨著運算精度小、外圍電路轉換率低等不足，如今正在為基于DSP的控制方式替代。DSP控制方式的發展經歷了由小模數分立元器控制→專用集成控制器→MCU→DSP的演變過程。最近幾年，外國部分大企業逐步推出性價比較高的DSP控制系統。國內的無刷直流電機控制盡管起步相對晚些，但業已制定無刷直流電機的國家規范。借助DSP的性能，不但可以增強各種算法的控制精度以及穩定性，還能拓展無刷直流電機的應用范圍，故而利用DSP控制有較好的發展前景。

1 控制系統硬件設計

1.1 控制原理

理想情況下的無刷直流電機的感應電勢以及電磁轉矩的計算公式分別是式（1）與（2）中所示的：

這里面：N是定子上的繞組數；r是轉子的內徑；i是每相的相電流；B是轉子的磁通密度；L是相感抗；ω是角速度；R是相電抗；θ是轉子的位置角。從公式可以得出感應電動勢和電機的轉速成正比關系，轉矩與相電流也成正比關系，因此可利用改變電機的轉速以及電流的辦法去控制電機。

1.2 系統的控制方法

主控芯片是控制系統的關鍵部件，大多采用T1公司生產的TMS320F2812型號處理器，這種處理器是專門用于電機的，功能非常強大，能夠對信號處理以及計算方面具有很強的功能。電機是Y型進行連接，對轉子測試位置是利用霍爾傳感器。其中功率變換器是三相全橋電路，由六個MOSFET組成，采用PWM控制來調制逆變器。DSP控制和驅動電路具體如圖1所示。

第一步，DSP參照CAP端所捕到的傳感器信號而計算得到實際轉速，把其與給定轉速予以對比從而獲得速度的偏差量，把這個偏差量借助速度調節器獲得電流參考值。第二步，把其與系統反饋的電流值予以對比得到差值以后借助電流調節器得到PWM占空比的控制量，這個控制量就能夠調節MOSFET的導通次序進而可以實現對直流電壓平均值的改變。第三步，就能夠改變電機的轉速并予以換相，以保證電機處于最大轉矩的狀態進行運行。為有效保障控制精度因而運用雙閉環控制的方式，其中外環是轉速環，內環是電流環，兩環都是運用PID算法以保障系統沒有靜差。

1.3 對電流進行相關的檢測

從系統性價比以及集成程度來看的話，在電流采樣的時候，需要對電壓母線和地間的電阻采樣，這樣就發現電流經過濾波電路走到ADCINOO。電流檢測的作用多重，既能夠檢測過流，又能夠反饋電流閉環時候的電流量。但是，有些注意事項需要多加注意，不能再電流不穩定的時候進行檢測，這樣影響采樣的精確度，應該在中斷比較穩定的時間采樣，這樣就能夠有有效保障其精確度。

1.4 驅動電路

由DSP發生的PWM波對于電子開關器而言并不會有直接的驅動作用，故而應于DSP與電子開關器間構建起驅動電路，進而把PWM信號轉換為適于電子開關器運行的開關信號。系統選用Rectifier出產的適合無刷直流電機的芯片IR2136。其能只用1路電源去產生6路驅動信號，以使得驅動電路的構造變得相對簡單一些，還能有效減少制造的成本。

2 對控制系統的軟件進行詳細設計

對系統硬件進行設計之后，就要考慮系統軟件的設計了，軟件流程是否合理非常關鍵，制約著整個系統的功能，同時硬件和軟件的共同控制著電機，發揮關鍵作用的程序和模塊分別是主程序以及中斷程序模塊。主程序模塊的作用就是要實現整個系統中I/O端口以及時間等軟硬件的初始化功能，另外，在系統軟件的具體設計中，最關鍵的程序是能夠捕捉中斷的子程序，轉子位置和轉速都是在中斷處實現。

3 匯總仿真實驗結果

為有效驗證系統的性能和PID控制算法的合理性，筆者借助MATLAB搭建起仿真模型。仿真的時候先將電機進行空載啟動，等進入穩態之后于t=0.1s的時刻加入負載，目的是檢驗電機控制系統有沒有較好的靜動態性。電機于n=1500r/min的轉速時啟動的較為迅速并十分穩定，空載的時候不計系統的摩擦轉矩，啟動的時候轉矩恒定，而電磁轉矩的均值是0。加入負載之后的轉矩及轉速均產生波動，轉速突然下降，不過可以很快恢復平穩，穩態時沒有靜差。結果表面電機有較強的自適應性能，結果達到預期目標。

參考文獻

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