羅 樂(lè)

（成都工業(yè)學(xué)院 通信工程系，成都 611730）

0 引言

直流電機(jī)控制系統(tǒng)是一種結(jié)合了多種學(xué)科的技術(shù)系統(tǒng)，如材料學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科和微電機(jī)技術(shù)等，在許多的領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是到了20世紀(jì)60年代，科學(xué)技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了直流電機(jī)控制系統(tǒng)從位置傳感器控制系統(tǒng)最終發(fā)展到了智能控制系統(tǒng)，其高效節(jié)能的特點(diǎn)更是顯示其強(qiáng)大的應(yīng)用空間。

而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)就是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)產(chǎn)物，不僅具有直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，還具有起動(dòng)性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便操作與維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，突出的一點(diǎn)就是在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，從模擬調(diào)速中轉(zhuǎn)變成數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)?，F(xiàn)在普遍使用的是集成電路，雖然可以降低投資，提高性能，但是應(yīng)對(duì)不同的要求不能靈活改變。針對(duì)這個(gè)情況，本文提出了一種新的技術(shù)，將DSP技術(shù)應(yīng)用到控制核心中來(lái)構(gòu)成整個(gè)硬件系統(tǒng)，然后通過(guò)一些編程軟件來(lái)控制功能，經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這個(gè)方法具有靈活性，更有著強(qiáng)大的實(shí)用性和有效性。

1 DSP 技術(shù)的闡述

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(Digital Signal Processing）簡(jiǎn)稱為DSP，是一種將模擬信用通過(guò)轉(zhuǎn)化成為一種數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)各種信息的方法，且這個(gè)過(guò)程設(shè)計(jì)到許多的學(xué)科綜合。從1980年以后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，DSP技術(shù)的得到了進(jìn)一步的發(fā)展，像是運(yùn)算速度，就是從原先的400ns到現(xiàn)在的40ns，像是制造工藝，就是從原先的4μ的N溝道MOS工藝到現(xiàn)在的亞微米CMOS工藝，引腳的數(shù)量也達(dá)到了200多個(gè)，像是成本核算，也從原先的花大量時(shí)間和人力到現(xiàn)在的流水線操作，等等各個(gè)方面使得DSP的芯片得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

現(xiàn)在具體地介紹一下DSP芯片的構(gòu)造和主要的特征。DSP芯片是一種集成各種功能的微處理器，有著特殊的結(jié)構(gòu)，是一種將程序與數(shù)字分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，同具有自己專門(mén)的乘法器，可以輸入一些對(duì)著需要功能的DSP指令，也就是軟件語(yǔ)句，就可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種處理算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。一般針對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的處理過(guò)程，可以將DSP芯片的主要特性進(jìn)行歸納，如下：

1）完成一次算法，包括一次乘法與一次加法的時(shí)間是在一個(gè)指令周期內(nèi)完成的。

2）在訪問(wèn)各種指令與一些數(shù)據(jù)的時(shí)候可以兩者同時(shí)進(jìn)行。

3）由于具有RAM，在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)可以通過(guò)數(shù)據(jù)總線在幾個(gè)中間同時(shí)進(jìn)行訪問(wèn)。

4）在硬件的方面，做到了低損耗、無(wú)循環(huán)和跳轉(zhuǎn)的功能。

5）接口良好，可以迅速地處理中斷和輸出輸入功能。

6)在一個(gè)周期操作內(nèi)，可以訪問(wèn)多個(gè)地址。

7)在過(guò)程中涉及到的取指令，翻譯代碼和執(zhí)行代碼的流水線操作流程中可以重疊操作。

2 DSP技術(shù)在直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的主要應(yīng)用

2.1 闡述無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)主要體系是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)，而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上伴隨著技術(shù)的改革產(chǎn)生的，兼具有電動(dòng)機(jī)的主要特征和自身的優(yōu)勢(shì)，故在本文中主要采用了無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行闡述。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor）簡(jiǎn)稱為BLDCM，是一種非常典型的電動(dòng)機(jī)體，它的主要的構(gòu)成是四個(gè)部件，分別是電動(dòng)機(jī)機(jī)體、位置檢測(cè)器、逆變器以及控制器。主要的流程過(guò)程如下：顯示位置檢測(cè)器根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的信號(hào)來(lái)確定其位置，然后通過(guò)控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行處理，同時(shí)產(chǎn)生出相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，這個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)是按一定順序的進(jìn)行處罰逆變器，從而將功率按照一定的邏輯關(guān)系分配到各個(gè)電動(dòng)機(jī)本身上，從而使得電動(dòng)機(jī)開(kāi)始不停滴扭動(dòng)，從而來(lái)輸出額定的動(dòng)力?，F(xiàn)在在市面上流動(dòng)的主要的兩種型號(hào)是自同步電動(dòng)機(jī)體系和自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主要特性如下，一是機(jī)械特性：

圖1 機(jī)械特性曲線簇

當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。

二是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性，如式（2）、式（3）和圖2所示。

其中，公式（2）和公式（3）分別代表的是調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率。

圖2 調(diào)節(jié)特性

從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在這個(gè)過(guò)程中，主要突出的有點(diǎn)是效率高的電機(jī)，降低了損耗。但是與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，只能通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，不具有良好的調(diào)速控制性能。

2.2 DSP技術(shù)在無(wú)刷直流系統(tǒng)中的應(yīng)用

電機(jī)控制器在這個(gè)無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)中是核心的硬件組成，可以對(duì)各種功能進(jìn)行調(diào)整，但往往單片機(jī)的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)整，這種不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不宜動(dòng)態(tài)調(diào)整，針對(duì)上述的這個(gè)情況，本文采用了DSP芯片組成控制系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，如圖4所示組成了無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，在這個(gè)組成中也包含四個(gè)電路。在這個(gè)過(guò)程中，可以通過(guò)編程軟件將功能集成到DSP芯片中，然后再經(jīng)過(guò)DSP芯片的高速處理能力進(jìn)行運(yùn)算，最后可以針對(duì)不同的功能要求對(duì)無(wú)刷的直流電機(jī)進(jìn)行改變，使得不僅實(shí)現(xiàn)功能方便，還是做到靈活調(diào)整無(wú)刷直流電機(jī)的速度。

圖3 基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

從圖3中可以看到，采用的是TI公司產(chǎn)生的TMS320F28X的芯片，也就是說(shuō)在啟動(dòng)電機(jī)之后，通過(guò)PWM的閉環(huán)方式來(lái)進(jìn)行交直流電的轉(zhuǎn)換，同時(shí)根據(jù)要求來(lái)調(diào)整PWM的脈沖寬度，來(lái)保證功率的開(kāi)觀點(diǎn)，同時(shí)也做好保護(hù)措施，在任何故障產(chǎn)生的時(shí)候，都可以通過(guò)保護(hù)電路，來(lái)斷開(kāi)PWM的輸出。

根據(jù)上述的原理和功能，我們采用CSS2的軟件工具，對(duì)這個(gè)硬件組成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，且在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，假定設(shè)置電機(jī)的額度轉(zhuǎn)速為3000r/min,額定功率為25w,額定的電壓為24V,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了本文利用DSP芯片進(jìn)行控制無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)反饋的數(shù)值大于期望值的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致PWM的占空比減少，此時(shí)電壓被降低了，速度就減慢在；相反，當(dāng)速度的反饋值的數(shù)值低于期望值的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致PWM的占空比就會(huì)逐漸地增加，從而使得電壓和速度都得到了提高。

圖5 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖5上可以看出，利用DSP技術(shù)可以產(chǎn)生很好的三相PWM控制波形，同時(shí)考慮到所用的無(wú)刷直流電機(jī)忽略了一些難消除的實(shí)際的非線性物理線性，但是將應(yīng)用傳統(tǒng)的控制方法與實(shí)驗(yàn)的調(diào)速進(jìn)行對(duì)比，采用DSP技術(shù)的調(diào)速相對(duì)達(dá)到了預(yù)期的效果，實(shí)際的仿真結(jié)果接近實(shí)際的結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

在本文中，通過(guò)采用TI公司的TMS320CX系列的DSP芯片搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，并通過(guò)轉(zhuǎn)化電刷中的控制電機(jī)線圈的流向和位置信號(hào)，靈活調(diào)整了整個(gè)控制系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。在這個(gè)過(guò)程中，DSP的優(yōu)勢(shì)性能為無(wú)刷直流電機(jī)的控制提高了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在精度和抗干擾方面都得到了提高。

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