淺析DSP電機控制系統(tǒng)

【摘 要】論文結(jié)合自己實際工作，通過對DSP的電動機控制系統(tǒng)的發(fā)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(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用的工程師、高校相關(guān)專業(yè)的師生提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】DSP；電機；控制系統(tǒng)；數(shù)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(shù)據(jù)，其是專門處理以運算為主的信號處理應(yīng)用系統(tǒng)。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(shù)高速發(fā)展的同時，又反過來促進了數(shù)字信號處理器技術(shù)的發(fā)展。

一、DSP的電機控制系統(tǒng)概述

常見的數(shù)字式閉環(huán)電機飼服控制系統(tǒng)原理較為簡單，該系統(tǒng)一般由電機、DSP、驅(qū)動放大電路、光盤編碼器等組成。當DSP接受主機發(fā)出的參考輸入時（轉(zhuǎn)動角速度及方向），將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PWM輸出，經(jīng)過驅(qū)動放大送給電機，進而產(chǎn)生輸出。再通過編碼器來檢測電機的轉(zhuǎn)動方向和角度，反饋回DSP系統(tǒng)，形成閉環(huán)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(shè)計以DSP為核心的電機控制系統(tǒng)平臺對實現(xiàn)多個電機進行控制非常有必要。與其它控制系統(tǒng)相比，電機DSP控制系統(tǒng)有如下優(yōu)越性：

1、DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)或者是改進的哈佛結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)和程序相互獨立的總線結(jié)構(gòu)提高了計算能力。因此可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制規(guī)律，如智能控制、優(yōu)化控制等，將現(xiàn)代算法和控制理論的應(yīng)用得以體現(xiàn)。

2、簡化了電機控制器的硬件設(shè)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(nèi)部設(shè)計，在一定程度上為元器件的可靠性和穩(wěn)定性提供了保證，從而會使整個系統(tǒng)的可靠性得到提高。

4、通過DSP控制系統(tǒng)，使得軟件的靈活性和硬件的統(tǒng)一性得到了有機的結(jié)合，DSP電機控制電路可以統(tǒng)一，如DSP控制三相逆變器驅(qū)動相應(yīng)的感應(yīng)電機、無刷直流電機、永磁同步電機或用改進后的逆變器驅(qū)動直流電機等，它們的硬件電路的結(jié)構(gòu)大致相同，我們只需要針對不同的電機，編寫和設(shè)計出不同的控制規(guī)律即可，進而使得系統(tǒng)的靈活性大大提高。

二、電機控制系統(tǒng)的發(fā)展

從主傳動機電能量轉(zhuǎn)換的角度來看，電機控制系統(tǒng)主要經(jīng)歷了：機械控制系統(tǒng)（如齒輪箱變速）、機械和電氣聯(lián)合控制系統(tǒng)（如感應(yīng)電機電磁離合器調(diào)速）、全電氣控制系統(tǒng)（基于電力電子電源變換器的電機控制系統(tǒng)）；而從控制電路的角度來看，經(jīng)歷了模擬電路、數(shù)字電路、模擬混合電路、全數(shù)字電路控制系統(tǒng)；從控制策略的角度來看，主要經(jīng)歷了從最初的低效有級控制發(fā)展到現(xiàn)在的高性能智能型控制。電機運動控制系統(tǒng)主要指電機的位置控制系統(tǒng)或位置伺服系統(tǒng)。電機的運動控制系統(tǒng)是通過電機伺服驅(qū)動裝置，通過編制指令將期望的運動路線得以實現(xiàn)。雖然系統(tǒng)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(shù)在導(dǎo)航、雷達、機器人、數(shù)控機床、磁盤驅(qū)動器，以及全自動洗衣機等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

三、電機控制系統(tǒng)的類型

在電氣傳動系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)中，經(jīng)常需要使用各種各樣的驅(qū)動電機，如永磁同步電機、無刷直流電機、直流電機、感應(yīng)電機、步進電機等。目前常見的電機控制系統(tǒng)主要有以下幾種：

（一）直流電機控制系統(tǒng)

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(diào)速性能，出力大，調(diào)速范圍寬和易于控制，廣泛用于拖動系統(tǒng)中，目前在各種推進系統(tǒng)中也仍有著廣泛的應(yīng)用。

（二）感應(yīng)電機控制系統(tǒng)

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

（三）同步電機控制系統(tǒng)

永磁交流電機的驅(qū)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(qū)動控制易于實現(xiàn)，主要應(yīng)用在恒速驅(qū)動、調(diào)速驅(qū)動，以及一些精度要求不很高的領(lǐng)域。而正弦波驅(qū)動永磁同步電機的控制系統(tǒng)，電機轉(zhuǎn)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(yīng)用在恒速、調(diào)速驅(qū)動和精度要求很高的位置伺服系統(tǒng)。當前國際國內(nèi)學(xué)者研究較多的是轉(zhuǎn)矩脈動、削弱齒諧波、消除位置傳感器技術(shù)。

（四）變磁阻電機控制系統(tǒng)

變磁阻電機主要是由反應(yīng)式步進電機、同步磁阻電機、開關(guān)磁阻電機等組成。步進電機做為電磁式增量運動執(zhí)行的元件，它的作用是將輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成執(zhí)行的線位移和機械角位移信號，從而完成執(zhí)行操作。所以我們又稱步進電機為脈數(shù)字電動機或者是沖電動機。簡而言之，它是主要用作數(shù)字控制裝置的執(zhí)行元件，直接控制者電機旋轉(zhuǎn)角度，切旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比關(guān)系， 因此電機轉(zhuǎn)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(huán)控制，它的有點使控制系統(tǒng)簡單并具有很高的精度?？梢愿淖兝@組的勵磁順序?qū)崿F(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)控制。

四、電機DSP控制存在的常見問題

結(jié)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?nèi)蘸蠼鉀Q，具體如下：

（一）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需進一步優(yōu)化

電動機作為控制系統(tǒng)中主要動力執(zhí)行元件之一，在具體控制系統(tǒng)中起著拖動機械負載實現(xiàn)位置伺服、速度調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩或力控制調(diào)節(jié)的作用。對于常見的閉環(huán)電機控制系統(tǒng)，屬于機械運動正向控制，一般由傳感、機電禍合關(guān)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(zhuǎn)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。控制系統(tǒng)中的信號檢測主要指的是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置、電流和電壓信號觀測電機內(nèi)部磁場的變化。其次是如何反映電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大小，以便有效地控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩。

（二）DSP控制的硬件需及時更新

基礎(chǔ)以DSP為基礎(chǔ)構(gòu)建的電機控制系統(tǒng)，其硬件資源主要包括：信號檢測與轉(zhuǎn)換、PWM控制器、系統(tǒng)接口等等。隨著科技快速發(fā)展，各設(shè)備技術(shù)更新較快，為了保證控制系統(tǒng)的高效運行，就必須及時更新DSP控制的硬件。此外控制系統(tǒng)中信號檢測是必不可少的，尤其是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，狀態(tài)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(fā)現(xiàn)、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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].湖南大學(xué).2010

[2]張琛編著.直流無刷電動機原理及應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社.2004

作者簡介：

陳昆（1980-），佛山市新泰隆環(huán)保設(shè)備制造有限公司，電氣工程師。