直流无刷电机控制系统

徐志勇　苏文瑾

【摘 要】炸药伴随着社会经济的发展、科学技术的进步，在工业生产与应用领域，永磁材料、电力电子技术、传感器技术、现代控制理论和微处理器技术也取得了飞跃的发展。基于上述相关材料、技术的研发及技术嵌入，直流无刷电机控制系统应用技术愈发完善成熟，其具有高效率、长寿命、低噪声等优良的转速-转矩特性等相应优点。新时期新形势下，直流无刷电机正是因为自身所具备的众多优势特点，所以在工业生产与家用电器领域得到了广泛的应用，在这种情况下，人们对电机控制性能提出了更高层次的要求。本文基于直流无刷电机控制系统的研究与设计，针对现阶段我国国内直流无刷电机发展与研究现状进行分析。

【关键词】直流无刷电机；发展；现状分析

1 直流无刷电机

1.1 直流无刷电机基本结构

直流无刷电机是同步电机的一种，具体就是指电机转子的转速很大程度上会受到电机定子旋转磁场的速度，以及周边相应转子极数的影响。直流无刷电机是21世纪新研发的一种机电一体化设备产品，主要构成结构包括有电动机主体和驱动其等，特别是在工业生产领域得到了广泛的普及与应用。关于直流无刷电机，它是新旧两代直流电机的优点结合体，它既具有传统直流电机的优点，同时在实际结构构造上，基本剔除了碳刷、滑环等结构，最终实现了无级调速的效果，且调速范围也比较广，在这种情况下，直流无刷电机在实际应用操作中，过载能力就会大大增强、并且可靠性、稳定性、适应性能也良好，最重要的一点就是对其进行维修与保养管理时，操作及方法变得更加简单。关于直流无刷电机的基本结构，主要是由三部分组成，分别是电机本体、控制电路、传感器，直流无刷电机本身就是电机能量实现转换的重要设备，所以说，电机本体在直流无刷电机构成内部属于一个核心地位，整个电机控制与操作系统内部的各项性能指标、噪声振动及工作性能、使用寿命都受到其控制。

1.2 直流无刷电机控制技术

关于直流无刷电机控制技术的发展，以当前在工业生产领域的应用情况来看，基本上集中体现在对转速的控制层面上，简单一点讲，就是指直流无刷电机在工作运行的全过程，核心环节还是在于检测控制系统中电机的转速，强化对功率管的控制，主要是为了保护电机电路，比如过流保护、过压保护等。

在现实工业实践应用中，直流无刷电机控制技术可以归纳总结为两方面内容：①控制器转变应用技术。直流无刷电机控制器，在早期发展阶段，其基本形式构造主要还是表现为模拟控制器。进入到21世纪以来，尤其是最近几年，随着数字化电机控制器设备及相关技术的开发与应用，在工业生产领域电机模拟和控制系统操作方面，也变得更加的简单，并且这种技术设备本身就非常实用，物美价廉。但是受到技术层面、经济投入的限制，模拟化电机控制系统也有许多不足之处，最主要的一点就是抗干扰能力较差，几乎不可重复利用。随着计算机软件技术的蓬勃发展，在新一轮的技术研发方向上，直流无刷电机也逐渐由现代化的软件程序代替传统的硬件结构，其中，控制系统所运用的理论就是现代控制理论。②处理器转变应用技术。当前，在我国国内电机控制处理器及其技术研究领域，用于电机控制的处理一般包括以下三种技术形式，分别包括有微处理器、专用集成电路、现代数字信号处理器等。其中，微处理器在实践应用中，对于直流无刷电机在控制方面，无论是控制精度还是控制速度，都已经无法满足当前工业生产与家用电器中人们的实际需求；而专用集成电路主要适用于那些对控制性能标准要求不高的电机，这种控制方法下设计出来的电路总体上相对简单，也比较实用。

基于上述关于现阶段我国国内直流无刷电机控制技术的发展现状的阐述，重点提出大家普遍使用的现代DSP来进一步解决工业生产及生活中人们对电机控制性能的技术要求。

2 直流无刷电机控制系统

基于DSP电机控制系统的硬件与软件设计。

2.1 直流无刷电机控制系统硬件设计

在直流无刷电机控制系统硬件设计层面上，重点体现在处理器转型及系统硬件电路设计。在实际应用过程中，可以较为清楚的观察到，由于直流无刷电机控制系统需要采集大量的电流、电压、温度以及转速等高速信号，所以通常情况下需要使用高速A/D予以转换。在工业生产领域或者是家用电器领域，对于该电机控制系统的硬件设计，在处理器选型控制策略上，通常采用的都是矢量控制，因为它信息运算处理量比较大，并且内部存储空间充足。在国内不少应用领域，多是选用美国 TI 公司的TMS320F280X系列DSP芯片，以此来作为整个直流无刷电机控制系统的主控制芯片，我们在市面上常见到的集中DSP型号，包括有 F2802、 F2808、 F2809、 F28016等，各种型号相互之间管脚兼容，内部最小子系统的电路也基本一致。就以其中的F2802型号的DSP芯片为例，它的以往我们所使用的传统的微处理器进行比较，DSP芯片的优势特点就凸显出来了，包括在存储器结构上、流水线结构上、高效特殊指令以及硬件乘法累加单元等。

在系统硬件电路设计方面，整个系统硬件主要是由三部分来组成，分别是主电路部分、控制电路部分、驱动控制电路部分。其中，电机控制系统硬件电路结构中的主电路部分，又是由整流电路和逆变电路组成；电机控制系统设计电路结构中的控制电路部分，又是由DSP与其外围电路组合而成；电机控制系统硬件电路结构中的驱动控制电路部分，主要是由PWM信号驱动电路来设计实现的，它的作用就是保护电机控制系统内部电路，并实时监控检测电路。

2.2 直流无刷电机控制系统的软件设计

在电机控制系统软件设计层面，重点围绕着控制系统的程序设计来进行。在程序设计上，所涉及到的重要部分包括有直流无刷电机控制系统主程序设计、电机控制系统内部SVPWM程序设计、电机控制系统内部中断程序设计等，在上述程序设计环节，电机控制系统功能的发挥主要得益于中断程序子系统的设计与实现。关于直流无刷电机控制系统的软件设计主程序流程，具体呈现为“开始——DSP及各模块初始化——DSP自检——转子磁极位置采样——转子转速计算——定子电流采样——电流滤波——Clarke变换——Park变换——电流调节——Park逆变换——Svpwm控制”。

在整个控制系统运转流程当中，Svpwm调制技术是矢量控制的核心。从上述所列举出来的软件设计控制流程归纳总结当中可以观察出，直流无刷电机控制系统DSP软件所需要完成的任务，可以具体分为四个阶段环节来实施操作。这四阶段任务分别是：①电机控制系统内各软件功能模块的初始化任务；②电机控制系统软件设计DSP芯片的自检；③软件设计流程中对于电机位置的采样；④软件设计流程中对于电流的采样。

【参考文献】

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[3]傅涛.基于模糊PI控制的无刷直流电机控制系统[J].电源技术应用.2013（05）.

[4]张勇，程小华.智能控制在无刷直流电机控制中的应用研究[J].微电机.2013（10）.

[责任编辑：王伟平]