直流無刷電機控制系統(tǒng)

徐志勇　蘇文瑾

【摘 要】炸藥伴隨著社會經(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，直流無刷電機控制系統(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。新時期新形勢下，直流無刷電機正是因為自身所具備的眾多優(yōu)勢特點，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，人們對電機控制性能提出了更高層次的要求。本文基于直流無刷電機控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計，針對現(xiàn)階段我國國內(nèi)直流無刷電機發(fā)展與研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】直流無刷電機；發(fā)展；現(xiàn)狀分析

1 直流無刷電機

1.1 直流無刷電機基本結(jié)構(gòu)

直流無刷電機是同步電機的一種，具體就是指電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很大程度上會受到電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度，以及周邊相應(yīng)轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響。直流無刷電機是21世紀(jì)新研發(fā)的一種機電一體化設(shè)備產(chǎn)品，主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)包括有電動機主體和驅(qū)動其等，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)于直流無刷電機，它是新舊兩代直流電機的優(yōu)點結(jié)合體，它既具有傳統(tǒng)直流電機的優(yōu)點，同時在實際結(jié)構(gòu)構(gòu)造上，基本剔除了碳刷、滑環(huán)等結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)了無級調(diào)速的效果，且調(diào)速范圍也比較廣，在這種情況下，直流無刷電機在實際應(yīng)用操作中，過載能力就會大大增強、并且可靠性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性能也良好，最重要的一點就是對其進(jìn)行維修與保養(yǎng)管理時，操作及方法變得更加簡單。關(guān)于直流無刷電機的基本結(jié)構(gòu)，主要是由三部分組成，分別是電機本體、控制電路、傳感器，直流無刷電機本身就是電機能量實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，所以說，電機本體在直流無刷電機構(gòu)成內(nèi)部屬于一個核心地位，整個電機控制與操作系統(tǒng)內(nèi)部的各項性能指標(biāo)、噪聲振動及工作性能、使用壽命都受到其控制。

1.2 直流無刷電機控制技術(shù)

關(guān)于直流無刷電機控制技術(shù)的發(fā)展，以當(dāng)前在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用情況來看，基本上集中體現(xiàn)在對轉(zhuǎn)速的控制層面上，簡單一點講，就是指直流無刷電機在工作運行的全過程，核心環(huán)節(jié)還是在于檢測控制系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)速，強化對功率管的控制，主要是為了保護(hù)電機電路，比如過流保護(hù)、過壓保護(hù)等。

在現(xiàn)實工業(yè)實踐應(yīng)用中，直流無刷電機控制技術(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)。直流無刷電機控制器，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，尤其是最近幾年，隨著數(shù)字化電機控制器設(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)域電機模擬和控制系統(tǒng)操作方面，也變得更加的簡單，并且這種技術(shù)設(shè)備本身就非常實用，物美價廉。但是受到技術(shù)層面、經(jīng)濟(jì)投入的限制，模擬化電機控制系統(tǒng)也有許多不足之處，最主要的一點就是抗干擾能力較差，幾乎不可重復(fù)利用。隨著計算機軟件技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在新一輪的技術(shù)研發(fā)方向上，直流無刷電機也逐漸由現(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，在我國國內(nèi)電機控制處理器及其技術(shù)研究領(lǐng)域，用于電機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)字信號處理器等。其中，微處理器在實踐應(yīng)用中，對于直流無刷電機在控制方面，無論是控制精度還是控制速度，都已經(jīng)無法滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)與家用電器中人們的實際需求；而專用集成電路主要適用于那些對控制性能標(biāo)準(zhǔn)要求不高的電機，這種控制方法下設(shè)計出來的電路總體上相對簡單，也比較實用。

基于上述關(guān)于現(xiàn)階段我國國內(nèi)直流無刷電機控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀的闡述，重點提出大家普遍使用的現(xiàn)代DSP來進(jìn)一步解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中人們對電機控制性能的技術(shù)要求。

2 直流無刷電機控制系統(tǒng)

基于DSP電機控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計。

2.1 直流無刷電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

在直流無刷電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計層面上，重點體現(xiàn)在處理器轉(zhuǎn)型及系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。在實際應(yīng)用過程中，可以較為清楚的觀察到，由于直流無刷電機控制系統(tǒng)需要采集大量的電流、電壓、溫度以及轉(zhuǎn)速等高速信號，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，對于該電機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，在處理器選型控制策略上，通常采用的都是矢量控制，因為它信息運算處理量比較大，并且內(nèi)部存儲空間充足。在國內(nèi)不少應(yīng)用領(lǐng)域，多是選用美國 TI 公司的TMS320F280X系列DSP芯片，以此來作為整個直流無刷電機控制系統(tǒng)的主控制芯片，我們在市面上常見到的集中DSP型號，包括有 F2802、 F2808、 F2809、 F28016等，各種型號相互之間管腳兼容，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)勢特點就凸顯出來了，包括在存儲器結(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)計方面，整個系統(tǒng)硬件主要是由三部分來組成，分別是主電路部分、控制電路部分、驅(qū)動控制電路部分。其中，電機控制系統(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；電機控制系統(tǒng)設(shè)計電路結(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；電機控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動控制電路部分，主要是由PWM信號驅(qū)動電路來設(shè)計實現(xiàn)的，它的作用就是保護(hù)電機控制系統(tǒng)內(nèi)部電路，并實時監(jiān)控檢測電路。

2.2 直流無刷電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計層面，重點圍繞著控制系統(tǒng)的程序設(shè)計來進(jìn)行。在程序設(shè)計上，所涉及到的重要部分包括有直流無刷電機控制系統(tǒng)主程序設(shè)計、電機控制系統(tǒng)內(nèi)部SVPWM程序設(shè)計、電機控制系統(tǒng)內(nèi)部中斷程序設(shè)計等，在上述程序設(shè)計環(huán)節(jié)，電機控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮主要得益于中斷程序子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。關(guān)于直流無刷電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主程序流程，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”。

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

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊向宇，楊進(jìn)，鄒利平.直流無刷電機控制系統(tǒng)的建模與仿真[J]，華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005.

[2]周美蘭，高肇明，吳曉剛，李志.五種PWM方式對直流無刷電機系統(tǒng)換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響[J].電機與控制學(xué)報.2013（07）.

[3]傅濤.基于模糊PI控制的無刷直流電機控制系統(tǒng)[J].電源技術(shù)應(yīng)用.2013（05）.

[4]張勇，程小華.智能控制在無刷直流電機控制中的應(yīng)用研究[J].微電機.2013（10）.

[責(zé)任編輯：王偉平]