基于DSP控制的無刷直流電機調速系統的設計

言行果 張勇 路曉 王國寧

摘要：為了提高無刷直流電機的可控性，設計了以數字信號處理器（簡稱DSP）為核心的電機控制系統。基于DSP控制的無刷直流電機調速系統具有調速好、啟動快速穩定、控制精度高等優點。本文對DSP控制的無刷直流電機調速系統的設計進行了詳細的探討。

關鍵詞：DSP控制;無刷直流電機;調速系統;設計

引言

傳統的無刷直流電機控制方法都存在計算精度低、外圍電路轉換率低的缺點，但現在正被基于DSP的控制方法所取代。 DSP控制模式的發展經歷了小模分立器件控制專用集成控制器的演進。近年來，國外一些大公司也陸續推出了高性價比的DSP控制系統。雖然國內無刷直流電機的控制起步較晚，但無刷直流電機的國家標準已經制定。借助DSP的性能，不僅可以提高各種算法的控制精度和穩定性，而且可以擴大無刷直流電機的應用范圍，因此采用DSP控制具有更好的發展前景。

一、無刷直流電機DSP控制器概述

（1）無刷直流電機DSP控制器的運行特性

雖然無刷直流電機本身在運行時啟動轉矩比較大，但是控制器響應比較快，整體調速性能也比較好。由于沒有普通直流電機在運行時必須經過碳刷、滑環等結構，整體運行更加穩定可靠，在工業環境中得到了更多的應用。但是，我國機械領域廣泛使用的無刷直流電機在DSP控制器的測量中經常檢測到控制器的PI參數較差，響應速度慢，影響了控制器應用的精度控制要求。BLDC控制系統主要顯示在DSP上，串行通訊接口與直流電機通信，更容易獲得附加指令。

（2）無刷直流電機DSP控制器的應用效果

隨著無刷直流電機控制器應用的日益廣泛，越來越多的研究和工作集中在無刷直流電機閉環控制器的應用上。以遺傳算法（GA）為核心的PID技術可以有效支持直流電機切換助力系統，同時基于遺傳算法的閉環PID控制可以有效幫助直流無刷電機實現。最佳PID參數控制優化控制，同時比傳統閉環控制更有效。

總的來說，無刷直流電機DSP控制器基于參數辨識提供了更好的應用效果。優化賦予遺傳算法的PI控制參數，可以優化遺傳算法中不同時延系數的比例，實驗表明，與不同方法相關的附加PI控制具有不同的比率，但總體性能更好。

二、基于DSP的無刷直流電機工作原理

（1）基于DSP的無刷直流電機主體

基于DSP的無刷直流電機的主體由包括定子和轉子的靜止部分和操作部分組成。對基于DSP ?的無刷直流電機靜態部分的分析表明，定子的繞組和鐵芯構成了電機的定子。定子繞組在電機驅動過程中產生電動勢，形成電磁場，驅動無刷直流電機的轉子部分形成電能。定子將動力傳遞給轉子后，轉子開始旋轉，轉子的旋轉在電機內部產生磁場。轉子主要是由永磁體、導磁體和其他支撐部件組成。

（2）基于DSP的無刷直流電機轉子位置傳感器

基于DSP的無刷直流電機的轉子還配備了傳感器，這些傳感器有助于轉子的運行并輔助電機的運行。典型的轉子傳感器效應與基于DSP的無刷直流電機的轉子位置傳感器一樣敏感，因為基于DSP的無刷直流電機的轉子位置傳感器可以幫助無刷電機確定轉子的磁極位置。精確鎖定轉子位置，并將信息反饋給無刷電機，實現開關電路的換向。基于DSP的直流無刷電機轉子位置傳感器由固定和旋轉兩部分組成，轉子位置傳感器有效且傳遞信息更快，幫助電機在更短的時間內完成換向。

（3）基于DSP的無刷直流電機電子開關電路

基于DSP的無刷直流電機的電子開關電路由功率管、驅動電路和信號處理組件三個模塊組成。驅動電路和信號處理元件可以幫助基于DSP的無刷直流電機內部傳感器完成電機通電時間和繞組順序處理，是無刷電機完成非接觸換向的重要基礎元件。同時，基于DSP的無刷直流電機的電子開關電路，在實際工作過程中也可以將轉子的工作狀態和工作位置傳輸給傳感器，傳感器完成信號解調后，功率放大。觸發功率管完成電樞繞線，信號輸出也有助于電機完成導通任務，保持穩定運行。

三、控制系統的系統研究

（1）控制系統硬件配置

整個無刷電機控制系統的硬件由四個區域硬件模塊組成。一個關鍵區域是系統控制的硬件集成電路模塊，基于DSP的無刷電機硬件采用觸摸感應一體機作為主機，幫助控制器實現人機方案，無刷直流電機即可完成。數據信息然后向系統發送傳輸指令，使無刷電機實時分析系統數據，完成終端指令，分機利用DSP芯片完成控制信號的輸出。在短時間內，將形式傳遞到電機內部，通過PWM指令實現電機的啟動和速度控制。

基于DSP的無刷直流電機內部的另一個重要硬件是電源轉換部分。基于DSP的無刷直流電機功率轉換部分利用電場效應控制電機內部運行的DSP芯片，通過在功率轉換中安裝DSP芯片，可以記錄電機的實際轉速和運行信息，同時調整上位機設定設定速度，幫助無刷電機實現閉環控制。還有一個MC集成控制芯片，可以過濾DSP芯片發出的指令，選擇適合控制電機轉速和調整電機旋轉方向的控制信號。

（2）控制系統控制部分的設計

無刷電機控制部分的設計要從無刷電機的硬件入手，包括對上位機運行狀態和實際運行情況的合理分析和布局。無刷電機控制系統可以處理上位機的控制信號，識別傳感器的信號反饋。信號處理后，有刷電機系統采用光電隔離方式通過向驅動單元發送信息信號，實現驅動電機的旋轉和動力轉換。DSP主控板可以控制直流電機，幫助直流無刷電機實現運動控制和數字化集成，基于DSP的無刷直流電機內部安裝的DSP芯片是控制電路的中心，電機外圍的外圍電路工作包括電源轉換電路、模擬電路和無刷電機時鐘復位電路，電路分段還包括通信電路和上位機擴展電路。

（3）控制系統驅動部分的設計

DSP無刷電機控制系統的驅動操作主要是利用芯片的功能，在集成芯片的智能支持下，主要完成無刷電機的驅動。傳感器MC集成芯片霍爾位置和位置信號，有助于準確定位無刷直流電機的轉子位置，幫助系統實現驅動序列的輸入和輸出。便于基于DSP的無刷直流電機實現功率管的開關控制和運行管理。

同時，集成的控制芯片可以幫助DSP芯片接收來自主控板電路的控制信號和信息，實現多維信號處理。此外，DSP無刷電機驅動功能強大，驅動電機的速度、功率和信號轉換。無刷電機的功率驅動部分是IR公司生產開發的新一代功率逆變器，MC芯片實現信號處理和整流后，傳送到IR功率驅動電路，實現三相逆變。

（4）控制系統傳感部分設計

直流無刷電機的感應部分是整個電機驅動運行的終端環節，控制系統的感應部分設計比較簡單，基于DSP的直流無刷電機的感應設計主要是基于定子電流，轉子的實際位置和轉子速度。采樣電阻用于無刷電機的三相控制電路中的高效感應。采樣電阻是專門用于無刷電機控制系統傳感的功能性信息采集電阻，可實現控制系統的精確傳感和準確定位，幫助控制系統完成包括操作在內的傳感和驗證任務。更新MC芯片控制系統內部的轉子編碼器狀態等任務。采樣電阻定位無刷直流電機內部的三個轉子位置后，將運行信息發送到傳感系統，供無刷直流電機檢測人員參考檢測。

四、基于DSP的無刷直流電機控制系統設計

（1）上位機設計

基于DSP的無刷直流電機的上位機設計需要在上位機啟動人機監控操作后啟動串口通訊設置，通過串口設置建立下位機的連接和通訊，無縫訪問監控界面。然后運行監控系統，控制調試無刷電機監控，包括調試指令、控制終端以及與芯片控制器的交互，實現基于DSP的無刷直流電機的參數修改。同時根據上位機程序的DSP速度繪制動態曲線，保證監控界面的正常運行和順利完成。

（2）下位機設計

下位機為了實現與上位機DSP控制器的通訊，需要將速度設定值、轉向信號、啟停信號等通過數據傳輸線傳送到DSP控制器，然后需要DSP控制器將電機的實時狀態信號傳送給上位機。DSP控制系統的子機軟件采用模塊化程序思想設計，根據系統功能要求建立一定的基本通信鏈路，包括來自DSP控制器的信息傳輸。DSP無刷電機的上位機將速度等物理參數轉換成電信號，然后根據數據，將數據發送給下位機的DSP控制器，完成控制器的操作。下位機DSP控制器跟蹤并定時更新無刷直流電機的實時動態，在監控過程中對電機模板進行分區，完成定位和格式設計，同時對存儲區進行分區到磁盤。

五、基于DSP控制器無刷直流電機的實驗驗證

（1）無刷直流電機DSP控制器控制實驗平臺

在對基于DSP的無刷直流電機DSP控制器控制系統的進一步研究中，研究過程中使用的集成編程（IDE）代碼為C語言，集成商的開發環境包括編譯、匯編和鏈接。如果編程成功，則創建一個后綴為“.out”的文件，加載到DSP板設置的flash中，獲取相應信息。此外，DSP 的BLDC電機繼續正常工作。使用的硬件和性能如下：

第一，JTAG調試仿真器。JTAG調試使用Black hawk Inc.生產的調試電纜，型號為BH-USB-510。

第二，DSP主板。DSP主板是Spectrum ?Digital ?Inc. 制造的eZdsp 2812。該硬件具有獨立的電源模塊和隔離棚，可在DSP系統輸出過程中轉換為幾種不同的PWM輸出進行調節和驅動。第三，無刷直流電機。硬件中的無刷直流電機采用MBE.172.E500型電機，其速度反饋信息通過連接到主板上的運動控制系統獲得。DSP芯片內置的正交編碼脈沖系統可以檢測其他編碼器輸出的通道脈沖并進行相應的調整。第四，RS232接口。在最終的硬件處理中，采用基于GA的PI控制增益的目標速度控制指令系統，同時優化個人電腦用戶UI界面中的串行接口，最終傳輸信息。實時速度信息可從UI時間響應界面獲取。

（2）實驗結果

本文提出的基于GA的PI概念在不同的時延下獲得了最優的PI參數值，在時間響應方面表現出更好的性能。在實際實驗結果和顯著性分析之間，可以看出所提出的方法比現有的PI方法更有效。

結語

綜上所述，DSP在幫助無刷電機實現控制系統設計和運行的同時，也解決了無刷電機效率低、運行功能少的問題，基于DSP的運行平臺提升了無刷電機的升級改造。

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