基于DSP的无刷直流电机控制系统

梁永春+王少坤+刘雅丽

摘 要

为提升无刷直流电机的控制能力，笔者设计一个以数字信号处理器（简称DSP）为核心的电机控制系统。文中先分析无刷直流电机的原理，基于此设计出双闭环控制系统，同时从硬、软件2方面去实现系统。最后通过MATLAB对控制系统予以仿真实验，得出该控制系统有调速性好、启动快速稳定、控制精度高等诸多优势。

【关键词】DSP 无刷直流电机 控制 算法 仿真

旧有的无刷直流电机其控制方式都面临着运算精度小、外围电路转换率低等不足，如今正在为基于DSP的控制方式替代。DSP控制方式的发展经历了由小模数分立元器控制→专用集成控制器→MCU→DSP的演变过程。最近几年，外国部分大企业逐步推出性价比较高的DSP控制系统。国内的无刷直流电机控制尽管起步相对晚些，但业已制定无刷直流电机的国家规范。借助DSP的性能，不但可以增强各种算法的控制精度以及稳定性，还能拓展无刷直流电机的应用范围，故而利用DSP控制有较好的发展前景。

1 控制系统硬件设计

1.1 控制原理

理想情况下的无刷直流电机的感应电势以及电磁转矩的计算公式分别是式（1）与（2）中所示的：

这里面：N是定子上的绕组数；r是转子的内径；i是每相的相电流；B是转子的磁通密度；L是相感抗；ω是角速度；R是相电抗；θ是转子的位置角。从公式可以得出感应电动势和电机的转速成正比关系，转矩与相电流也成正比关系，因此可利用改变电机的转速以及电流的办法去控制电机。

1.2 系统的控制方法

主控芯片是控制系统的关键部件，大多采用T1公司生产的TMS320F2812型號处理器，这种处理器是专门用于电机的，功能非常强大，能够对信号处理以及计算方面具有很强的功能。电机是Y型进行连接，对转子测试位置是利用霍尔传感器。其中功率变换器是三相全桥电路，由六个MOSFET组成，采用PWM控制来调制逆变器。DSP控制和驱动电路具体如图1所示。

第一步，DSP参照CAP端所捕到的传感器信号而计算得到实际转速，把其与给定转速予以对比从而获得速度的偏差量，把这个偏差量借助速度调节器获得电流参考值。第二步，把其与系统反馈的电流值予以对比得到差值以后借助电流调节器得到PWM占空比的控制量，这个控制量就能够调节MOSFET的导通次序进而可以实现对直流电压平均值的改变。第三步，就能够改变电机的转速并予以换相，以保证电机处于最大转矩的状态进行运行。为有效保障控制精度因而运用双闭环控制的方式，其中外环是转速环，内环是电流环，两环都是运用PID算法以保障系统没有静差。

1.3 对电流进行相关的检测

从系统性价比以及集成程度来看的话，在电流采样的时候，需要对电压母线和地间的电阻采样，这样就发现电流经过滤波电路走到ADCINOO。电流检测的作用多重，既能够检测过流，又能够反馈电流闭环时候的电流量。但是，有些注意事项需要多加注意，不能再电流不稳定的时候进行检测，这样影响采样的精确度，应该在中断比较稳定的时间采样，这样就能够有有效保障其精确度。

1.4 驱动电路

由DSP发生的PWM波对于电子开关器而言并不会有直接的驱动作用，故而应于DSP与电子开关器间构建起驱动电路，进而把PWM信号转换为适于电子开关器运行的开关信号。系统选用Rectifier出产的适合无刷直流电机的芯片IR2136。其能只用1路电源去产生6路驱动信号，以使得驱动电路的构造变得相对简单一些，还能有效减少制造的成本。

2 对控制系统的软件进行详细设计

对系统硬件进行设计之后，就要考虑系统软件的设计了，软件流程是否合理非常关键，制约着整个系统的功能，同时硬件和软件的共同控制着电机，发挥关键作用的程序和模块分别是主程序以及中断程序模块。主程序模块的作用就是要实现整个系统中I/O端口以及时间等软硬件的初始化功能，另外，在系统软件的具体设计中，最关键的程序是能够捕捉中断的子程序，转子位置和转速都是在中断处实现。

3 汇总仿真实验结果

为有效验证系统的性能和PID控制算法的合理性，笔者借助MATLAB搭建起仿真模型。仿真的时候先将电机进行空载启动，等进入稳态之后于t=0.1s的时刻加入负载，目的是检验电机控制系统有没有较好的静动态性。电机于n=1500r/min的转速时启动的较为迅速并十分稳定，空载的时候不计系统的摩擦转矩，启动的时候转矩恒定，而电磁转矩的均值是0。加入负载之后的转矩及转速均产生波动，转速突然下降，不过可以很快恢复平稳，稳态时没有静差。结果表面电机有较强的自适应性能，结果达到预期目标。

参考文献

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