徐志勇　蘇文瑾

【摘 要】炸藥伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域，永磁材料、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和微處理器技術(shù)也取得了飛躍的發(fā)展?；谏鲜鱿嚓P(guān)材料、技術(shù)的研發(fā)及技術(shù)嵌入，直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)愈發(fā)完善成熟，其具有高效率、長(zhǎng)壽命、低噪聲等優(yōu)良的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性等相應(yīng)優(yōu)點(diǎn)。新時(shí)期新形勢(shì)下，直流無(wú)刷電機(jī)正是因?yàn)樽陨硭邆涞谋姸鄡?yōu)勢(shì)特點(diǎn)，所以在工業(yè)生產(chǎn)與家用電器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在這種情況下，人們對(duì)電機(jī)控制性能提出了更高層次的要求。本文基于直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)國(guó)內(nèi)直流無(wú)刷電機(jī)發(fā)展與研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】直流無(wú)刷電機(jī)；發(fā)展；現(xiàn)狀分析

1 直流無(wú)刷電機(jī)

1.1 直流無(wú)刷電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

直流無(wú)刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，具體就是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很大程度上會(huì)受到電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，以及周邊相應(yīng)轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響。直流無(wú)刷電機(jī)是21世紀(jì)新研發(fā)的一種機(jī)電一體化設(shè)備產(chǎn)品，主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)包括有電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)其等，特別是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的普及與應(yīng)用。關(guān)于直流無(wú)刷電機(jī)，它是新舊兩代直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合體，它既具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)造上，基本剔除了碳刷、滑環(huán)等結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速的效果，且調(diào)速范圍也比較廣，在這種情況下，直流無(wú)刷電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用操作中，過(guò)載能力就會(huì)大大增強(qiáng)、并且可靠性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性能也良好，最重要的一點(diǎn)就是對(duì)其進(jìn)行維修與保養(yǎng)管理時(shí)，操作及方法變得更加簡(jiǎn)單。關(guān)于直流無(wú)刷電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，主要是由三部分組成，分別是電機(jī)本體、控制電路、傳感器，直流無(wú)刷電機(jī)本身就是電機(jī)能量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，所以說(shuō)，電機(jī)本體在直流無(wú)刷電機(jī)構(gòu)成內(nèi)部屬于一個(gè)核心地位，整個(gè)電機(jī)控制與操作系統(tǒng)內(nèi)部的各項(xiàng)性能指標(biāo)、噪聲振動(dòng)及工作性能、使用壽命都受到其控制。

1.2 直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)

關(guān)于直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以當(dāng)前在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用情況來(lái)看，基本上集中體現(xiàn)在對(duì)轉(zhuǎn)速的控制層面上，簡(jiǎn)單一點(diǎn)講，就是指直流無(wú)刷電機(jī)在工作運(yùn)行的全過(guò)程，核心環(huán)節(jié)還是在于檢測(cè)控制系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速，強(qiáng)化對(duì)功率管的控制，主要是為了保護(hù)電機(jī)電路，比如過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等。

在現(xiàn)實(shí)工業(yè)實(shí)踐應(yīng)用中，直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)可以歸納總結(jié)為兩方面內(nèi)容：①控制器轉(zhuǎn)變應(yīng)用技術(shù)。直流無(wú)刷電機(jī)控制器，在早期發(fā)展階段，其基本形式構(gòu)造主要還是表現(xiàn)為模擬控制器。進(jìn)入到21世紀(jì)以來(lái)，尤其是最近幾年，隨著數(shù)字化電機(jī)控制器設(shè)備及相關(guān)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域電機(jī)模擬和控制系統(tǒng)操作方面，也變得更加的簡(jiǎn)單，并且這種技術(shù)設(shè)備本身就非常實(shí)用，物美價(jià)廉。但是受到技術(shù)層面、經(jīng)濟(jì)投入的限制，模擬化電機(jī)控制系統(tǒng)也有許多不足之處，最主要的一點(diǎn)就是抗干擾能力較差，幾乎不可重復(fù)利用。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在新一輪的技術(shù)研發(fā)方向上，直流無(wú)刷電機(jī)也逐漸由現(xiàn)代化的軟件程序代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，其中，控制系統(tǒng)所運(yùn)用的理論就是現(xiàn)代控制理論。②處理器轉(zhuǎn)變應(yīng)用技術(shù)。當(dāng)前，在我國(guó)國(guó)內(nèi)電機(jī)控制處理器及其技術(shù)研究領(lǐng)域，用于電機(jī)控制的處理一般包括以下三種技術(shù)形式，分別包括有微處理器、專用集成電路、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理器等。其中，微處理器在實(shí)踐應(yīng)用中，對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)在控制方面，無(wú)論是控制精度還是控制速度，都已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)與家用電器中人們的實(shí)際需求；而專用集成電路主要適用于那些對(duì)控制性能標(biāo)準(zhǔn)要求不高的電機(jī)，這種控制方法下設(shè)計(jì)出來(lái)的電路總體上相對(duì)簡(jiǎn)單，也比較實(shí)用。

基于上述關(guān)于現(xiàn)階段我國(guó)國(guó)內(nèi)直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀的闡述，重點(diǎn)提出大家普遍使用的現(xiàn)代DSP來(lái)進(jìn)一步解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中人們對(duì)電機(jī)控制性能的技術(shù)要求。

2 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)

基于DSP電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)。

2.1 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)層面上，重點(diǎn)體現(xiàn)在處理器轉(zhuǎn)型及系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以較為清楚的觀察到，由于直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)需要采集大量的電流、電壓、溫度以及轉(zhuǎn)速等高速信號(hào)，所以通常情況下需要使用高速A/D予以轉(zhuǎn)換。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域或者是家用電器領(lǐng)域，對(duì)于該電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，在處理器選型控制策略上，通常采用的都是矢量控制，因?yàn)樗畔⑦\(yùn)算處理量比較大，并且內(nèi)部存儲(chǔ)空間充足。在國(guó)內(nèi)不少應(yīng)用領(lǐng)域，多是選用美國(guó) TI 公司的TMS320F280X系列DSP芯片，以此來(lái)作為整個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的主控制芯片，我們?cè)谑忻嫔铣Ｒ姷降募蠨SP型號(hào)，包括有 F2802、 F2808、 F2809、 F28016等，各種型號(hào)相互之間管腳兼容，內(nèi)部最小子系統(tǒng)的電路也基本一致。就以其中的F2802型號(hào)的DSP芯片為例，它的以往我們所使用的傳統(tǒng)的微處理器進(jìn)行比較，DSP芯片的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)就凸顯出來(lái)了，包括在存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)上、流水線結(jié)構(gòu)上、高效特殊指令以及硬件乘法累加單元等。

在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方面，整個(gè)系統(tǒng)硬件主要是由三部分來(lái)組成，分別是主電路部分、控制電路部分、驅(qū)動(dòng)控制電路部分。其中，電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)中的主電路部分，又是由整流電路和逆變電路組成；電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)中的控制電路部分，又是由DSP與其外圍電路組合而成；電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)控制電路部分，主要是由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，它的作用就是保護(hù)電機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部電路，并實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)電路。

2.2 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)層面，重點(diǎn)圍繞著控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行。在程序設(shè)計(jì)上，所涉及到的重要部分包括有直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、電機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部SVPWM程序設(shè)計(jì)、電機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部中斷程序設(shè)計(jì)等，在上述程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，電機(jī)控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮主要得益于中斷程序子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。關(guān)于直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主程序流程，具體呈現(xiàn)為“開始——DSP及各模塊初始化——DSP自檢——轉(zhuǎn)子磁極位置采樣——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算——定子電流采樣——電流濾波——Clarke變換——Park變換——電流調(diào)節(jié)——Park逆變換——Svpwm控制”。

在整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程當(dāng)中，Svpwm調(diào)制技術(shù)是矢量控制的核心。從上述所列舉出來(lái)的軟件設(shè)計(jì)控制流程歸納總結(jié)當(dāng)中可以觀察出，直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)DSP軟件所需要完成的任務(wù)，可以具體分為四個(gè)階段環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)施操作。這四階段任務(wù)分別是：①電機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)各軟件功能模塊的初始化任務(wù)；②電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)DSP芯片的自檢；③軟件設(shè)計(jì)流程中對(duì)于電機(jī)位置的采樣；④軟件設(shè)計(jì)流程中對(duì)于電流的采樣。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王偉平]