基于DSP 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

李長碩，譚 麗，隋 然

(1.長春大學，吉林 長春130022;2.長春發(fā)電設(shè)備總廠，吉林 長春130000;3.黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱150027)

1 無刷直流電機的概述

1.1 無刷直流電機的特點

它的電樞繞組放在定子上，永久磁鋼放在轉(zhuǎn)子上。其電樞繞組的繞組形式與交流電機的繞組一樣，采用的是多相形式，由逆變器連接到直流電源上，運用位置傳感器實現(xiàn)電子換相的這種方式來替代有刷直流電機的電刷換相。電機的各個相依次通電并且產(chǎn)生電流，以轉(zhuǎn)子主磁場和定子磁場相互產(chǎn)生作用的方式來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此，與有刷直流電機相比，其取消了電機的滑動接觸機構(gòu)。由于主磁場是恒定的，另外加上沒有繞組在轉(zhuǎn)子上，沒有了勵磁損耗，由此鐵損是很小的?？偟膩碚f，無刷直流電機既具備使用壽命長、維修和保護比較方便、可靠性高等優(yōu)點外，也和交流電機結(jié)構(gòu)一樣簡單，并且也具有普通直流電機的轉(zhuǎn)矩較大、調(diào)速比較方便、效率高、動態(tài)性能快等優(yōu)勢。

1.2 無刷直流電機的原理

無刷直流電機的原理是讓一定量的電流流過電樞繞組，這與有刷直流電機的工作原理相同，由此就產(chǎn)生了持續(xù)不變的只和電流大小相關(guān)聯(lián)的電磁轉(zhuǎn)矩。無刷直流電機的電概繞組是固定在定子上的，轉(zhuǎn)子是永磁體的，沒有電刷。關(guān)于無刷直流電機的定子電樞繞組的接法一般有三種:三扣橋式封閉式接法、三相橋式品形接法和三相非橋式星形接法。

2 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 調(diào)速系統(tǒng)的功率驅(qū)動電路設(shè)計

電機控制的驅(qū)動器采用特有的芯片?？煽刂? 個大功率管的關(guān)斷和導通，通過輸出H01，H02 和H03 分別控制三相全橋驅(qū)動電路的上半橋Q1、Q3、Q5 的接通和關(guān)閉;而IR2131 的輸出L01，L02，L03 的作用是分別控制驅(qū)動電路的下半橋Q4、Q6、Q2 的接通和關(guān)閉，從而達到控制電機正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速的目的。全橋式電機電路原理控制部分由6 個IGBT 組成，其作用是在PWM 信號的控制作用下，將電機的工作電壓按規(guī)律加到電機的三相繞組上，從而達到使電機高速工作的。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)保護電路設(shè)計

在無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的運行工作過程中，若出現(xiàn)欠壓或者過流情況，PWM 信號驅(qū)動器會啟動系統(tǒng)內(nèi)部的保護電路。保護電路的作用主要是用于防止IGBT 因過流，出現(xiàn)短路或其他的一些意外而出現(xiàn)被燒壞的現(xiàn)象。調(diào)速系統(tǒng)的保護電路主要有過溫保護、過流保護、過壓以及欠壓保護。

3 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計要求

無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)僅有硬件部分是不夠的，要想保證其能夠正常工作，還需要有軟件的配合才能構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)。軟件設(shè)計可以采用順序結(jié)構(gòu)。主要包括初始化模塊、按鍵模塊、顯示模塊、速度環(huán)模塊、電流環(huán)模塊和保護模塊。其中軟件的主程序主要是通過調(diào)用各個子程序，使程序循環(huán)運行，以實現(xiàn)所要求的各種控制要求，并通過這種方式來實現(xiàn)其功能。軟件系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置、參數(shù)輸入、速度計算等［2］，都是通過調(diào)用子程序和中斷程序來實現(xiàn)的。

3.2 電流環(huán)程序的設(shè)計

電流環(huán)調(diào)節(jié)的主要目的是最大可能性去限制電機的電流，加快整個動態(tài)響應，是通過調(diào)節(jié)對象的動態(tài)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。在電機的啟動過程中，要使工作電機能在所允許的最大的電流下進行“恒流”的啟動。同時，在電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的整個運行中，可以使電流能夠快速的去跟蹤電流給定的變化。同時電流環(huán)的輸入有兩個，它們分別是電流反饋值和電流參考值。并且整個系統(tǒng)運行的電流的參考值是由速度環(huán)通過計算出的結(jié)果給定的;電流的反饋值經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)量值，并且被輸送到電流環(huán)，檢測值與參考值做差運算的結(jié)果就是電流環(huán)的誤差。

3.3 速度環(huán)程序的設(shè)計

系統(tǒng)軟件速度環(huán)程序的設(shè)計的思想是不停地去收集電機的轉(zhuǎn)速，之后與系統(tǒng)給出的速度指令作比較后，通過利用PID算法，并且綜合濾波算法，以不斷地去修正運行速度的誤差，直到收集到的電機轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)給定的轉(zhuǎn)速相同為止。

速度環(huán)的程序設(shè)計有給定速度和轉(zhuǎn)速反饋值輸入，系統(tǒng)輸出的是電流參考信號，并且使其作為電流閉環(huán)的輸入信號。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)設(shè)計的主要目的是使轉(zhuǎn)速跟隨程序的給定值不斷變化，并且達到無靜態(tài)的誤差。首先，程序可以計算出當前電機運行的轉(zhuǎn)速，然后與程序給定的速度值進行比較，從而得到速度誤差的數(shù)值，再根據(jù)這個速度誤差數(shù)值進行速度控制調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語

基于DSP 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)是以DSP 為核心的，通過軟件的編程設(shè)計來達到對無刷直流電機的實際調(diào)控。同時，采用的以DSP 作為調(diào)速控制系統(tǒng)的核心，與普通的調(diào)速系統(tǒng)相比具有其優(yōu)越的特點，處理速度高效便利，同時可以處理大量的數(shù)據(jù)。達到了使其整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化的目的，同時電機穩(wěn)態(tài)運行時的穩(wěn)速精度可以達到更高的水平。隨著技術(shù)的成熟，相信該技術(shù)可以更好地為工業(yè)發(fā)展服務(wù)。

［1］ 王念旭.DSP 基礎(chǔ)與應用系統(tǒng)設(shè)計［M］. 北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［2］ 張雄偉.DSP 芯片的原理與開發(fā)應用［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2012.