基于DSP控制的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

言行果 張勇 路曉 王國(guó)寧

摘要：為了提高無(wú)刷直流電機(jī)的可控性，設(shè)計(jì)了以數(shù)字信號(hào)處理器（簡(jiǎn)稱(chēng)DSP）為核心的電機(jī)控制系統(tǒng)?；贒SP控制的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速好、啟動(dòng)快速穩(wěn)定、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)DSP控制的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

關(guān)鍵詞：DSP控制;無(wú)刷直流電機(jī);調(diào)速系統(tǒng);設(shè)計(jì)

引言

傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法都存在計(jì)算精度低、外圍電路轉(zhuǎn)換率低的缺點(diǎn)，但現(xiàn)在正被基于DSP的控制方法所取代。 DSP控制模式的發(fā)展經(jīng)歷了小模分立器件控制專(zhuān)用集成控制器的演進(jìn)。近年來(lái)，國(guó)外一些大公司也陸續(xù)推出了高性?xún)r(jià)比的DSP控制系統(tǒng)。雖然國(guó)內(nèi)無(wú)刷直流電機(jī)的控制起步較晚，但無(wú)刷直流電機(jī)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)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(wěn)定性，而且可以擴(kuò)大無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍，因此采用DSP控制具有更好的發(fā)展前景。

一、無(wú)刷直流電機(jī)DSP控制器概述

（1）無(wú)刷直流電機(jī)DSP控制器的運(yùn)行特性

雖然無(wú)刷直流電機(jī)本身在運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大，但是控制器響應(yīng)比較快，整體調(diào)速性能也比較好。由于沒(méi)有普通直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)必須經(jīng)過(guò)碳刷、滑環(huán)等結(jié)構(gòu)，整體運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，在工業(yè)環(huán)境中得到了更多的應(yīng)用。但是，我國(guó)機(jī)械領(lǐng)域廣泛使用的無(wú)刷直流電機(jī)在DSP控制器的測(cè)量中經(jīng)常檢測(cè)到控制器的PI參數(shù)較差，響應(yīng)速度慢，影響了控制器應(yīng)用的精度控制要求。BLDC控制系統(tǒng)主要顯示在DSP上，串行通訊接口與直流電機(jī)通信，更容易獲得附加指令。

（2）無(wú)刷直流電機(jī)DSP控制器的應(yīng)用效果

隨著無(wú)刷直流電機(jī)控制器應(yīng)用的日益廣泛，越來(lái)越多的研究和工作集中在無(wú)刷直流電機(jī)閉環(huán)控制器的應(yīng)用上。以遺傳算法（GA）為核心的PID技術(shù)可以有效支持直流電機(jī)切換助力系統(tǒng)，同時(shí)基于遺傳算法的閉環(huán)PID控制可以有效幫助直流無(wú)刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)。最佳PID參數(shù)控制優(yōu)化控制，同時(shí)比傳統(tǒng)閉環(huán)控制更有效。

總的來(lái)說(shuō)，無(wú)刷直流電機(jī)DSP控制器基于參數(shù)辨識(shí)提供了更好的應(yīng)用效果。優(yōu)化賦予遺傳算法的PI控制參數(shù)，可以?xún)?yōu)化遺傳算法中不同時(shí)延系數(shù)的比例，實(shí)驗(yàn)表明，與不同方法相關(guān)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(wú)刷直流電機(jī)工作原理

（1）基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)主體

基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)的主體由包括定子和轉(zhuǎn)子的靜止部分和操作部分組成。對(duì)基于DSP ?的無(wú)刷直流電機(jī)靜態(tài)部分的分析表明，定子的繞組和鐵芯構(gòu)成了電機(jī)的定子。定子繞組在電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，形成電磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分形成電能。定子將動(dòng)力傳遞給轉(zhuǎn)子后，轉(zhuǎn)子開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子主要是由永磁體、導(dǎo)磁體和其他支撐部件組成。

（2）基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器

基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子還配備了傳感器，這些傳感器有助于轉(zhuǎn)子的運(yùn)行并輔助電機(jī)的運(yùn)行。典型的轉(zhuǎn)子傳感器效應(yīng)與基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器一樣敏感，因?yàn)榛贒SP的無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器可以幫助無(wú)刷電機(jī)確定轉(zhuǎn)子的磁極位置。精確鎖定轉(zhuǎn)子位置，并將信息反饋給無(wú)刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路的換向?；贒SP的直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器由固定和旋轉(zhuǎn)兩部分組成，轉(zhuǎn)子位置傳感器有效且傳遞信息更快，幫助電機(jī)在更短的時(shí)間內(nèi)完成換向。

（3）基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)電子開(kāi)關(guān)電路

基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)的電子開(kāi)關(guān)電路由功率管、驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理組件三個(gè)模塊組成。驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理元件可以幫助基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部傳感器完成電機(jī)通電時(shí)間和繞組順序處理，是無(wú)刷電機(jī)完成非接觸換向的重要基礎(chǔ)元件。同時(shí)，基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)的電子開(kāi)關(guān)電路，在實(shí)際工作過(guò)程中也可以將轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)和工作位置傳輸給傳感器，傳感器完成信號(hào)解調(diào)后，功率放大。觸發(fā)功率管完成電樞繞線，信號(hào)輸出也有助于電機(jī)完成導(dǎo)通任務(wù)，保持穩(wěn)定運(yùn)行。

三、控制系統(tǒng)的系統(tǒng)研究

（1）控制系統(tǒng)硬件配置

整個(gè)無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件由四個(gè)區(qū)域硬件模塊組成。一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域是系統(tǒng)控制的硬件集成電路模塊，基于DSP的無(wú)刷電機(jī)硬件采用觸摸感應(yīng)一體機(jī)作為主機(jī)，幫助控制器實(shí)現(xiàn)人機(jī)方案，無(wú)刷直流電機(jī)即可完成。數(shù)據(jù)信息然后向系統(tǒng)發(fā)送傳輸指令，使無(wú)刷電機(jī)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，完成終端指令，分機(jī)利用DSP芯片完成控制信號(hào)的輸出。在短時(shí)間內(nèi)，將形式傳遞到電機(jī)內(nèi)部，通過(guò)PWM指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和速度控制。

基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的另一個(gè)重要硬件是電源轉(zhuǎn)換部分?；贒SP的無(wú)刷直流電機(jī)功率轉(zhuǎn)換部分利用電場(chǎng)效應(yīng)控制電機(jī)內(nèi)部運(yùn)行的DSP芯片，通過(guò)在功率轉(zhuǎn)換中安裝DSP芯片，可以記錄電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和運(yùn)行信息，同時(shí)調(diào)整上位機(jī)設(shè)定設(shè)定速度，幫助無(wú)刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。還有一個(gè)MC集成控制芯片，可以過(guò)濾DSP芯片發(fā)出的指令，選擇適合控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)整電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的控制信號(hào)。

（2）控制系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)

無(wú)刷電機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)要從無(wú)刷電機(jī)的硬件入手，包括對(duì)上位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)際運(yùn)行情況的合理分析和布局。無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)可以處理上位機(jī)的控制信號(hào)，識(shí)別傳感器的信號(hào)反饋。信號(hào)處理后，有刷電機(jī)系統(tǒng)采用光電隔離方式通過(guò)向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)送信息信號(hào)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和動(dòng)力轉(zhuǎn)換。DSP主控板可以控制直流電機(jī)，幫助直流無(wú)刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)字化集成，基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部安裝的DSP芯片是控制電路的中心，電機(jī)外圍的外圍電路工作包括電源轉(zhuǎn)換電路、模擬電路和無(wú)刷電機(jī)時(shí)鐘復(fù)位電路，電路分段還包括通信電路和上位機(jī)擴(kuò)展電路。

（3）控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)

DSP無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)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(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。傳感器MC集成芯片霍爾位置和位置信號(hào)，有助于準(zhǔn)確定位無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)序列的輸入和輸出。便于基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)功率管的開(kāi)關(guān)控制和運(yùn)行管理。

同時(shí)，集成的控制芯片可以幫助DSP芯片接收來(lái)自主控板電路的控制信號(hào)和信息，實(shí)現(xiàn)多維信號(hào)處理。此外，DSP無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能強(qiáng)大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度、功率和信號(hào)轉(zhuǎn)換。無(wú)刷電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)部分是IR公司生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的新一代功率逆變器，MC芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和整流后，傳送到IR功率驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)三相逆變。

（4）控制系統(tǒng)傳感部分設(shè)計(jì)

直流無(wú)刷電機(jī)的感應(yīng)部分是整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的終端環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)的感應(yīng)部分設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，基于DSP的直流無(wú)刷電機(jī)的感應(yīng)設(shè)計(jì)主要是基于定子電流，轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)子速度。采樣電阻用于無(wú)刷電機(jī)的三相控制電路中的高效感應(yīng)。采樣電阻是專(zhuān)門(mén)用于無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)傳感的功能性信息采集電阻，可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的精確傳感和準(zhǔn)確定位，幫助控制系統(tǒng)完成包括操作在內(nèi)的傳感和驗(yàn)證任務(wù)。更新MC芯片控制系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子編碼器狀態(tài)等任務(wù)。采樣電阻定位無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的三個(gè)轉(zhuǎn)子位置后，將運(yùn)行信息發(fā)送到傳感系統(tǒng)，供無(wú)刷直流電機(jī)檢測(cè)人員參考檢測(cè)。

四、基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）上位機(jī)設(shè)計(jì)

基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)的上位機(jī)設(shè)計(jì)需要在上位機(jī)啟動(dòng)人機(jī)監(jiān)控操作后啟動(dòng)串口通訊設(shè)置，通過(guò)串口設(shè)置建立下位機(jī)的連接和通訊，無(wú)縫訪問(wèn)監(jiān)控界面。然后運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，控制調(diào)試無(wú)刷電機(jī)監(jiān)控，包括調(diào)試指令、控制終端以及與芯片控制器的交互，實(shí)現(xiàn)基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)的參數(shù)修改。同時(shí)根據(jù)上位機(jī)程序的DSP速度繪制動(dòng)態(tài)曲線，保證監(jiān)控界面的正常運(yùn)行和順利完成。

（2）下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)為了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)DSP控制器的通訊，需要將速度設(shè)定值、轉(zhuǎn)向信號(hào)、啟停信號(hào)等通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線傳送到DSP控制器，然后需要DSP控制器將電機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)傳送給上位機(jī)。DSP控制系統(tǒng)的子機(jī)軟件采用模塊化程序思想設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)功能要求建立一定的基本通信鏈路，包括來(lái)自DSP控制器的信息傳輸。DSP無(wú)刷電機(jī)的上位機(jī)將速度等物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)的DSP控制器，完成控制器的操作。下位機(jī)DSP控制器跟蹤并定時(shí)更新無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，在監(jiān)控過(guò)程中對(duì)電機(jī)模板進(jìn)行分區(qū)，完成定位和格式設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行分區(qū)到磁盤(pán)。

五、基于DSP控制器無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）無(wú)刷直流電機(jī)DSP控制器控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在對(duì)基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)DSP控制器控制系統(tǒng)的進(jìn)一步研究中，研究過(guò)程中使用的集成編程（IDE）代碼為C語(yǔ)言，集成商的開(kāi)發(fā)環(huán)境包括編譯、匯編和鏈接。如果編程成功，則創(chuàng)建一個(gè)后綴為“.out”的文件，加載到DSP板設(shè)置的flash中，獲取相應(yīng)信息。此外，DSP 的BLDC電機(jī)繼續(xù)正常工作。使用的硬件和性能如下：

第一，JTAG調(diào)試仿真器。JTAG調(diào)試使用Black hawk Inc.生產(chǎn)的調(diào)試電纜，型號(hào)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(dú)立的電源模塊和隔離棚，可在DSP系統(tǒng)輸出過(guò)程中轉(zhuǎn)換為幾種不同的PWM輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)。第三，無(wú)刷直流電機(jī)。硬件中的無(wú)刷直流電機(jī)采用MBE.172.E500型電機(jī)，其速度反饋信息通過(guò)連接到主板上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)獲得。DSP芯片內(nèi)置的正交編碼脈沖系統(tǒng)可以檢測(cè)其他編碼器輸出的通道脈沖并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)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(biāo)速度控制指令系統(tǒng)，同時(shí)優(yōu)化個(gè)人電腦用戶(hù)UI界面中的串行接口，最終傳輸信息。實(shí)時(shí)速度信息可從UI時(shí)間響應(yīng)界面獲取。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文提出的基于GA的PI概念在不同的時(shí)延下獲得了最優(yōu)的PI參數(shù)值，在時(shí)間響應(yīng)方面表現(xiàn)出更好的性能。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果和顯著性分析之間，可以看出所提出的方法比現(xiàn)有的PI方法更有效。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，DSP在幫助無(wú)刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的同時(shí)，也解決了無(wú)刷電機(jī)效率低、運(yùn)行功能少的問(wèn)題，基于DSP的運(yùn)行平臺(tái)提升了無(wú)刷電機(jī)的升級(jí)改造。

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