基于DSP的直流無(wú)刷電機(jī)控制

黃鎮(zhèn)坤

摘 要：直流無(wú)刷電機(jī)可以具有更快的轉(zhuǎn)速，能夠?qū)崿F(xiàn)很多機(jī)械高速運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，并且利用DSP進(jìn)行直流無(wú)刷電機(jī)的控制是非常具有市場(chǎng)意義的。軟件可以更快捷的進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化和更新，開(kāi)啟更多的研發(fā)功能，運(yùn)用Nios內(nèi)核進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并且自主的設(shè)計(jì)霍爾元件驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)核，得出直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的電流角度。運(yùn)用DSP可以同時(shí)對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，具有更高的處理效率，而且方便控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化，方便后期設(shè)備的維修和調(diào)整，可以很好的實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)的調(diào)節(jié)和控制。

關(guān)鍵詞：DSP;直流：無(wú)刷直流無(wú)刷電機(jī);控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.106

1 引言

直流無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)非常多，與傳統(tǒng)的交流直流無(wú)刷電機(jī)相比，直流無(wú)刷電機(jī)的速度更高，并且擁有很高的電能轉(zhuǎn)化效率，并且有著更高的熱容量，可以承受更高的溫度。除此之外，直流無(wú)刷電機(jī)的工作噪音比較小，而且在體積上進(jìn)行了縮小，重量更低，非常便于攜帶，相關(guān)的技術(shù)人員也方便進(jìn)行維修工作。目前直流無(wú)刷電機(jī)普遍采用的是單片機(jī)進(jìn)行控制，但是這種控制方式已經(jīng)逐漸的落伍，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，DSP也逐步在直流無(wú)刷電機(jī)中開(kāi)始使用，可以根據(jù)相關(guān)技術(shù)人員編寫(xiě)的算法來(lái)合理的進(jìn)行功能的更改，靈活的調(diào)配電路資源，處理和響應(yīng)的速度都非常高。

2 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)造和發(fā)展問(wèn)題

直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)主要是由DSP芯片、直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、以及直流交流轉(zhuǎn)化芯片和霍爾傳感器組成，驅(qū)動(dòng)芯片要根據(jù)實(shí)際的需要選擇不同的廠商生產(chǎn)的芯片，在直流無(wú)刷電機(jī)工作的過(guò)程中，可以采用DSP的輸出將PWM信號(hào)進(jìn)行放大，從而通過(guò)驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)對(duì)相關(guān)的直流無(wú)刷電機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)動(dòng)。直流無(wú)刷電機(jī)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了各種控制原件的集成，在直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件會(huì)產(chǎn)生不同頻率的脈沖，DSP芯片對(duì)這些脈沖進(jìn)行采集，輸入到控制端中來(lái)進(jìn)行電路轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制。DSP可以通過(guò)相關(guān)的脈沖數(shù)據(jù)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行判定，對(duì)其實(shí)現(xiàn)設(shè)備轉(zhuǎn)速的控制。

2.1 Nios內(nèi)核程序設(shè)計(jì)

Nios內(nèi)核具有很多的處理功能，主要包括直流交流采樣處理、直流無(wú)刷電機(jī)的自身保護(hù)功能以及直流無(wú)刷電機(jī)位置轉(zhuǎn)動(dòng)的控制功能。位于雙閉環(huán)控制電路中，直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置通過(guò)直流與交流采樣來(lái)確定，通過(guò)霍爾元件對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼可以得出直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)電位角度，并且通過(guò)角度值來(lái)確定直流無(wú)刷電機(jī)的位置反饋，從而實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的電流給定。

2.2 霍爾解碼器的設(shè)計(jì)

霍爾傳感器具有5路信號(hào)，通過(guò)這5路信號(hào)來(lái)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行判斷和控制。當(dāng)直流無(wú)刷電機(jī)在正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，1路信號(hào)比2路信號(hào)會(huì)提前一個(gè)頻段，在直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)的過(guò)程中，1路信號(hào)會(huì)相較于2路信號(hào)落后一個(gè)頻段，這樣就可以根據(jù)電信號(hào)的頻段來(lái)確定直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。為了得出直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角度，還需要增設(shè)一個(gè)計(jì)數(shù)器，通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)記錄頻段的超越或者落后次數(shù)，這樣可以根據(jù)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)來(lái)判斷直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向次數(shù)，進(jìn)而求出直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

2.3 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)核心設(shè)計(jì)

直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)是根據(jù)磁場(chǎng)的相關(guān)知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的定位功能，這種控制系統(tǒng)已經(jīng)得到了工業(yè)行業(yè)的普遍運(yùn)用，并且效果良好。通過(guò)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的不同位置來(lái)確定直角坐標(biāo)系，并且運(yùn)用三相電路交換機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電路的電流轉(zhuǎn)化功能，并且對(duì)不同路的電流進(jìn)行矢量的控制，并且利用相關(guān)的算法將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化到三相電路中，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的矢量控制功能。直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)核心配置了5個(gè)寄存器，分別根據(jù)電路的電流來(lái)進(jìn)行直流無(wú)刷電機(jī)的控制，直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度根據(jù)霍爾元件的相關(guān)參數(shù)來(lái)獲取，其中用到了很多的控制模塊，并且要根據(jù)每個(gè)模塊的算法來(lái)計(jì)算相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，從而完成數(shù)據(jù)建模，接著利用HDL語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)生成HDL代碼，從而可以成功的對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。

2.4 直流無(wú)刷電機(jī)發(fā)展面臨的問(wèn)題

在當(dāng)前的直流無(wú)刷電機(jī)市場(chǎng)中，由于直流無(wú)刷電機(jī)是一個(gè)新型的發(fā)展方向，所以針對(duì)這一項(xiàng)技術(shù)的專業(yè)人才不能夠滿足該行業(yè)的需求。相關(guān)的機(jī)械專業(yè)院校應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)直流無(wú)刷電機(jī)方向的人才，但是由于該行業(yè)和機(jī)械專業(yè)院校之間的交流和溝通不足，院校對(duì)于該行業(yè)的需求并不清楚，該行業(yè)對(duì)于機(jī)械專業(yè)院校培養(yǎng)的學(xué)生需要再次培訓(xùn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該行業(yè)應(yīng)當(dāng)和學(xué)校建立良好的互動(dòng)和溝通，以便學(xué)?？梢栽谂囵B(yǎng)學(xué)生的過(guò)程中做到相應(yīng)的引導(dǎo)，從而逐步滿足市場(chǎng)的需求，彌補(bǔ)直流無(wú)刷電機(jī)領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的不足。

為了適應(yīng)該行業(yè)的迅速發(fā)展，該行業(yè)需要大量的相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才，機(jī)械專業(yè)院校應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整現(xiàn)在的培養(yǎng)模式，將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，與該行業(yè)的實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)一批實(shí)用性的人才，可以直接滿足該行業(yè)對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)發(fā)展的需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并且針對(duì)DSP在直流無(wú)刷電機(jī)中的運(yùn)用進(jìn)行了分析，運(yùn)用Quartus開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行硬軟件統(tǒng)一開(kāi)始設(shè)計(jì)。DSP運(yùn)用Nios內(nèi)核進(jìn)行系統(tǒng)的可控制運(yùn)行，在Nios內(nèi)核中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與核對(duì)工作，并且利用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的互聯(lián)通信，從而可以做到直流無(wú)刷電機(jī)的控制。利用DSP的優(yōu)點(diǎn)有很多，與傳統(tǒng)的交流直流無(wú)刷電機(jī)相比，直流無(wú)刷電機(jī)的速度更高，并且擁有很高的電能轉(zhuǎn)化效率，并且有著更高的熱容量，可以承受更高的溫度，直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)用DSP進(jìn)行控制在未來(lái)會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

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