基于DSP 无刷直流电机调速系统设计

李长硕，谭 丽，隋 然

(1.长春大学，吉林 长春130022;2.长春发电设备总厂，吉林 长春130000;3.黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨150027)

1 无刷直流电机的概述

1.1 无刷直流电机的特点

它的电枢绕组放在定子上，永久磁钢放在转子上。其电枢绕组的绕组形式与交流电机的绕组一样，采用的是多相形式，由逆变器连接到直流电源上，运用位置传感器实现电子换相的这种方式来替代有刷直流电机的电刷换相。电机的各个相依次通电并且产生电流，以转子主磁场和定子磁场相互产生作用的方式来产生转矩。因此，与有刷直流电机相比，其取消了电机的滑动接触机构。由于主磁场是恒定的，另外加上没有绕组在转子上，没有了励磁损耗，由此铁损是很小的。总的来说，无刷直流电机既具备使用寿命长、维修和保护比较方便、可靠性高等优点外，也和交流电机结构一样简单，并且也具有普通直流电机的转矩较大、调速比较方便、效率高、动态性能快等优势。

1.2 无刷直流电机的原理

无刷直流电机的原理是让一定量的电流流过电枢绕组，这与有刷直流电机的工作原理相同，由此就产生了持续不变的只和电流大小相关联的电磁转矩。无刷直流电机的电概绕组是固定在定子上的，转子是永磁体的，没有电刷。关于无刷直流电机的定子电枢绕组的接法一般有三种:三扣桥式封闭式接法、三相桥式品形接法和三相非桥式星形接法。

2 无刷直流电机调速系统的硬件设计

2.1 调速系统的功率驱动电路设计

电机控制的驱动器采用特有的芯片。可控制6 个大功率管的关断和导通，通过输出H01，H02 和H03 分别控制三相全桥驱动电路的上半桥Q1、Q3、Q5 的接通和关闭;而IR2131 的输出L01，L02，L03 的作用是分别控制驱动电路的下半桥Q4、Q6、Q2 的接通和关闭，从而达到控制电机正反转和转速的目的。全桥式电机电路原理控制部分由6 个IGBT 组成，其作用是在PWM 信号的控制作用下，将电机的工作电压按规律加到电机的三相绕组上，从而达到使电机高速工作的。

2.2 调速系统的系统保护电路设计

在无刷直流电机调速系统的运行工作过程中，若出现欠压或者过流情况，PWM 信号驱动器会启动系统内部的保护电路。保护电路的作用主要是用于防止IGBT 因过流，出现短路或其他的一些意外而出现被烧坏的现象。调速系统的保护电路主要有过温保护、过流保护、过压以及欠压保护。

3 无刷直流电机调速系统的软件设计

3.1 无刷直流电机调速系统的软件设计要求

无刷直流电机调速系统仅有硬件部分是不够的，要想保证其能够正常工作，还需要有软件的配合才能构成一个完整的控制系统。软件设计可以采用顺序结构。主要包括初始化模块、按键模块、显示模块、速度环模块、电流环模块和保护模块。其中软件的主程序主要是通过调用各个子程序，使程序循环运行，以实现所要求的各种控制要求，并通过这种方式来实现其功能。软件系统中的参数设置、参数输入、速度计算等［2］，都是通过调用子程序和中断程序来实现的。

3.2 电流环程序的设计

电流环调节的主要目的是最大可能性去限制电机的电流，加快整个动态响应，是通过调节对象的动态结构来实现的。在电机的启动过程中，要使工作电机能在所允许的最大的电流下进行“恒流”的启动。同时，在电机的转速调节的整个运行中，可以使电流能够快速的去跟踪电流给定的变化。同时电流环的输入有两个，它们分别是电流反馈值和电流参考值。并且整个系统运行的电流的参考值是由速度环通过计算出的结果给定的;电流的反馈值经A/D 转换后转变为数量值，并且被输送到电流环，检测值与参考值做差运算的结果就是电流环的误差。

3.3 速度环程序的设计

系统软件速度环程序的设计的思想是不停地去收集电机的转速，之后与系统给出的速度指令作比较后，通过利用PID算法，并且综合滤波算法，以不断地去修正运行速度的误差，直到收集到的电机转速与系统给定的转速相同为止。

速度环的程序设计有给定速度和转速反馈值输入，系统输出的是电流参考信号，并且使其作为电流闭环的输入信号。系统的转速闭环设计的主要目的是使转速跟随程序的给定值不断变化，并且达到无静态的误差。首先，程序可以计算出当前电机运行的转速，然后与程序给定的速度值进行比较，从而得到速度误差的数值，再根据这个速度误差数值进行速度控制调节。

4 结语

基于DSP 无刷直流电机调速系统是以DSP 为核心的，通过软件的编程设计来达到对无刷直流电机的实际调控。同时，采用的以DSP 作为调速控制系统的核心，与普通的调速系统相比具有其优越的特点，处理速度高效便利，同时可以处理大量的数据。达到了使其整个调速系统实现全数字化的目的，同时电机稳态运行时的稳速精度可以达到更高的水平。随着技术的成熟，相信该技术可以更好地为工业发展服务。

［1］ 王念旭.DSP 基础与应用系统设计［M］. 北京:北京航空航天大学出版社，2011.

［2］ 张雄伟.DSP 芯片的原理与开发应用［M］. 北京:电子工业出版社，2012.