凌曄華

（廣西民族師范學(xué)院，崇左 532200）

DSP直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究

凌曄華

（廣西民族師范學(xué)院，崇左 532200）

在工程實(shí)踐中，大量的機(jī)械要求要有良好的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，并且還要具有在一定范圍內(nèi)保持速度的平滑調(diào)節(jié)功能。DSP的功能有多，如具有靈活的指令集，改進(jìn)并行結(jié)構(gòu)，在實(shí)際操作中靈活多變，且運(yùn)轉(zhuǎn)速度快。采用DSP控制器后，使整個(gè)調(diào)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，且電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，其時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到很高的水平。本文將介紹直流電機(jī)和DSP的發(fā)展，直流電機(jī)的控制原理及DSP在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。

DSP 直流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)

引言

在當(dāng)今時(shí)代的電器領(lǐng)域中，直流電機(jī)具有兩個(gè)突出性能，即運(yùn)行性能和控制特性，速度調(diào)節(jié)范圍寬，響應(yīng)快，因此以直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)在電器傳動(dòng)領(lǐng)域被廣泛使用，是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。近年來，計(jì)算機(jī)發(fā)展迅猛，滲透到各個(gè)領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到控制領(lǐng)域，直流電機(jī)朝著智能化的方向發(fā)展。隨著工作生產(chǎn)的發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)在速度控制方面的要求更高、更精準(zhǔn)，DSP直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與開發(fā)，滿足這一發(fā)展需求，在很多對于系統(tǒng)性能要求高的場合得到廣泛的使用。

1 DSP的概述及發(fā)展

1.1 DSP技術(shù)簡介

DSP，即數(shù)字信號處理，是電子信息技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科，它的概念和基本分析方法已滲透到電路與系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程、電磁與微波技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，是一門新興且應(yīng)用廣泛的學(xué)科。DSP在通常的信號處理過程中有著突出的優(yōu)點(diǎn)，如精度高、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法、大規(guī)模集成等，DSP的這些優(yōu)點(diǎn)是其他系統(tǒng)無法比擬的。

1.2 DSP技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程

縱觀DSP技術(shù)的發(fā)展史，大致經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段。20世紀(jì)50年代到60年代，數(shù)字信號處理技術(shù)得到初步發(fā)展，直到20世紀(jì)70年代，提出了DSP的理論和算法的基礎(chǔ)，即1978年由AIM公司發(fā)布的世界上第一個(gè)單片芯片S2811。在1979年，由美國英特爾公司組織投入研究并開發(fā)的商用可編程器件2920，被業(yè)內(nèi)人士推崇為DSP芯片的里程碑作品。但是，無論是AIM公司研發(fā)的DSP芯片還是美國因特爾公司研發(fā)的DSP芯片，都缺少DSP芯片必有的單周期乘法器。世界上第一個(gè)擁有硬件乘法器的DSP芯片是由日本公司在1980年推出的mpD7720，被認(rèn)為是第一塊單片器件。1982年，美國德州儀器公司推出了世界上第一代DSP芯片及其系列產(chǎn)品，這一系列產(chǎn)品的出現(xiàn)推動(dòng)了實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的大跨步發(fā)展。在90年代以后，DSP芯片進(jìn)入高速發(fā)展階段，前后推出了六代芯片。

目前，在工業(yè)中，電機(jī)耗電量大，電機(jī)的工作效率問題一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)，為提高電機(jī)的效率，可以通過智能手段從以下兩方面著手：一方面，在提高電機(jī)的運(yùn)行性能方面，智能控制所使用的算法更加先進(jìn)；另一方面，由于系統(tǒng)采用智能控制，就有可能將現(xiàn)有的電機(jī)更換為效率更高的電機(jī)。

2 DSP系統(tǒng)在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或永磁電動(dòng)機(jī)控制器的構(gòu)成，不僅包括微處理器、存儲器和外圍芯片，還需要專用門陳列組合，在這種情況下，芯片的使用數(shù)量就會增加，相應(yīng)的軟件應(yīng)用程序更為復(fù)雜，從而使使用成本增加，企業(yè)的利潤降低。為解決上述出現(xiàn)的問題，提高電機(jī)的性能同時(shí)降低成本，各個(gè)公司都致力于在這方面的研究。其中由TI公司研制出的TMS320C24X系列和由AD公司研制出的ADMC系列的控制器，不僅具有高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且有為電機(jī)控制應(yīng)用提供單片解決方案所必需的外圍設(shè)備。

由此可以看出，選擇以DSP技術(shù)為核心的控制系統(tǒng)的直流電機(jī)多很有優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)硬件中，減少了芯片的使用，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，體積變小，節(jié)約成本。

3 直流電機(jī)的DSP控制

3.1 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)主要包括兩部分，定子和轉(zhuǎn)子，其中定子主要包括主磁極、換向磁極、電刷裝置、機(jī)座和端蓋。主磁極是由鐵心和勵(lì)磁繞組成，產(chǎn)生恒定的氣隙磁通。換向磁極主要用于改善換向。電刷裝置與換向片相結(jié)合，完成直流與交流的互換，機(jī)座與端蓋起到支撐和固定的作用。轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和軸承五部分組成。電樞鐵心是主磁路的一部分，用來放置電樞繞組，電樞繞組是電路部分，由帶絕緣的導(dǎo)線繞制而成。換向器與電刷裝置相配合，完成直流與交流的互換。

3.2 直流電機(jī)的工作原理

直流電機(jī)作為一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過直流電能與機(jī)械電能之間的相互轉(zhuǎn)化完成工作。首先把電刷A與電源的正極鏈接在一起，電刷B與電源的負(fù)極連接在一起，然后再把電刷A與電刷B分別連接到直流電源上，就形成一個(gè)閉合電路，保證電樞線圈中有電流產(chǎn)生并且流過，在磁場的作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右到左，S極下導(dǎo)體cd受力方向是從左到右，該電磁力形成逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)到所示的位置時(shí)，原N極性下導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左到右，原S極導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右到左，該電磁力形成逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，繼續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

3.3 直流電機(jī)的DSP控制方法

在整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)施部分中，其中硬件TMS320F2812在研發(fā)制作的過程中使用了帶有2812的DSP開發(fā)板，是控制部分的核心硬件，除使用DSP外，還要有一個(gè)電源管理芯片，該電源管理芯片能夠鏈接一個(gè)5V轉(zhuǎn)為3.3V為系統(tǒng)供電。首先，2812從電機(jī)處采集三部分的信息信號，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流反饋信號以及位置反饋信號，然后DSP再把這三個(gè)信號進(jìn)行處理并輸出對外的控制信號。從驅(qū)動(dòng)部分反饋的過流信號是一個(gè)0、1信號，DSP在工作時(shí)始終監(jiān)視這一信號，一但監(jiān)視到1，即表示電機(jī)過載，則立即給出一個(gè)讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的信號，以免損壞電機(jī)和調(diào)速器。MC33035是驅(qū)動(dòng)部分的控制核心，它的主要作用是根據(jù)電機(jī)反饋的位置信號，通過分辨出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置達(dá)到控制開關(guān)的目的。在顯示部分所采用的主控元件是AT89C51。

在整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)部分，通過采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速，與給出的速度指令相比較，同時(shí)綜合濾波算法，不斷修正速度誤差，一直到這兩個(gè)速度相同，程序就會認(rèn)為系統(tǒng)已入鎖，如果發(fā)生異常，便會啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制，讓電機(jī)停止發(fā)電。

任何電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)都轉(zhuǎn)速為給定量，并使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨給定值進(jìn)行控制。為使系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，通常要構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。需要速度調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語

近幾年科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，為直流電機(jī)系統(tǒng)信息化、數(shù)字化的發(fā)展提供了技術(shù)支持，并且對其發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。DSP有著突出的優(yōu)點(diǎn)，耗能小、速度快，DSP的使用使整個(gè)系統(tǒng)數(shù)字化信息化，操作簡單易行，可極大地滿足電機(jī)調(diào)速的要求。

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Research on DSP DC Motor Speed Regulation System

LING Yehua
(Guangxi Normal University for Nationalities, Chongzuo 532200)

In engineering practice, a large number of mechanical requirements have good static performance and dynamic performance, but also have a certain range to maintain the smooth speed adjustment function. DSP has many functions, such as flexible instruction set, improved parallel structure, flexible operation and fast running speed. After using DSP controller, the whole control system is digital, simple structure and easy to operate, the motor speed can reach a high level when the motor runs steadily. This paper will introduce the development of DC motor and DSP, control principle of DC motor and application of DSP in motor field.

DSP, DC motor, speed regulation system