基于DSP控制的无刷直流电机调速系统的设计

言行果 张勇 路晓 王国宁

摘要：为了提高无刷直流电机的可控性，设计了以数字信号处理器（简称DSP）为核心的电机控制系统。基于DSP控制的无刷直流电机调速系统具有调速好、启动快速稳定、控制精度高等优点。本文对DSP控制的无刷直流电机调速系统的设计进行了详细的探讨。

关键词：DSP控制;无刷直流电机;调速系统;设计

引言

传统的无刷直流电机控制方法都存在计算精度低、外围电路转换率低的缺点，但现在正被基于DSP的控制方法所取代。 DSP控制模式的发展经历了小模分立器件控制专用集成控制器的演进。近年来，国外一些大公司也陆续推出了高性价比的DSP控制系统。虽然国内无刷直流电机的控制起步较晚，但无刷直流电机的国家标准已经制定。借助DSP的性能，不仅可以提高各种算法的控制精度和稳定性，而且可以扩大无刷直流电机的应用范围，因此采用DSP控制具有更好的发展前景。

一、无刷直流电机DSP控制器概述

（1）无刷直流电机DSP控制器的运行特性

虽然无刷直流电机本身在运行时启动转矩比较大，但是控制器响应比较快，整体调速性能也比较好。由于没有普通直流电机在运行时必须经过碳刷、滑环等结构，整体运行更加稳定可靠，在工业环境中得到了更多的应用。但是，我国机械领域广泛使用的无刷直流电机在DSP控制器的测量中经常检测到控制器的PI参数较差，响应速度慢，影响了控制器应用的精度控制要求。BLDC控制系统主要显示在DSP上，串行通讯接口与直流电机通信，更容易获得附加指令。

（2）无刷直流电机DSP控制器的应用效果

随着无刷直流电机控制器应用的日益广泛，越来越多的研究和工作集中在无刷直流电机闭环控制器的应用上。以遗传算法（GA）为核心的PID技术可以有效支持直流电机切换助力系统，同时基于遗传算法的闭环PID控制可以有效帮助直流无刷电机实现。最佳PID参数控制优化控制，同时比传统闭环控制更有效。

总的来说，无刷直流电机DSP控制器基于参数辨识提供了更好的应用效果。优化赋予遗传算法的PI控制参数，可以优化遗传算法中不同时延系数的比例，实验表明，与不同方法相关的附加PI控制具有不同的比率，但总体性能更好。

二、基于DSP的无刷直流电机工作原理

（1）基于DSP的无刷直流电机主体

基于DSP的无刷直流电机的主体由包括定子和转子的静止部分和操作部分组成。对基于DSP  的无刷直流电机静态部分的分析表明，定子的绕组和铁芯构成了电机的定子。定子绕组在电机驱动过程中产生电动势，形成电磁场，驱动无刷直流电机的转子部分形成电能。定子将动力传递给转子后，转子开始旋转，转子的旋转在电机内部产生磁场。转子主要是由永磁体、导磁体和其他支撑部件组成。

（2）基于DSP的无刷直流电机转子位置传感器

基于DSP的无刷直流电机的转子还配备了传感器，这些传感器有助于转子的运行并辅助电机的运行。典型的转子传感器效应与基于DSP的无刷直流电机的转子位置传感器一样敏感，因为基于DSP的无刷直流电机的转子位置传感器可以帮助无刷电机确定转子的磁极位置。精确锁定转子位置，并将信息反馈给无刷电机，实现开关电路的换向。基于DSP的直流无刷电机转子位置传感器由固定和旋转两部分组成，转子位置传感器有效且传递信息更快，帮助电机在更短的时间内完成换向。

（3）基于DSP的无刷直流电机电子开关电路

基于DSP的无刷直流电机的电子开关电路由功率管、驱动电路和信号处理组件三个模块组成。驱动电路和信号处理元件可以帮助基于DSP的无刷直流电机内部传感器完成电机通电时间和绕组顺序处理，是无刷电机完成非接触换向的重要基础元件。同时，基于DSP的无刷直流电机的电子开关电路，在实际工作过程中也可以将转子的工作状态和工作位置传输给传感器，传感器完成信号解调后，功率放大。触发功率管完成电枢绕线，信号输出也有助于电机完成导通任务，保持稳定运行。

三、控制系统的系统研究

（1）控制系统硬件配置

整个无刷电机控制系统的硬件由四个区域硬件模块组成。一个关键区域是系统控制的硬件集成电路模块，基于DSP的无刷电机硬件采用触摸感应一体机作为主机，帮助控制器实现人机方案，无刷直流电机即可完成。数据信息然后向系统发送传输指令，使无刷电机实时分析系统数据，完成终端指令，分机利用DSP芯片完成控制信号的输出。在短时间内，将形式传递到电机内部，通过PWM指令实现电机的启动和速度控制。

基于DSP的无刷直流电机内部的另一个重要硬件是电源转换部分。基于DSP的无刷直流电机功率转换部分利用电场效应控制电机内部运行的DSP芯片，通过在功率转换中安装DSP芯片，可以记录电机的实际转速和运行信息，同时调整上位机设定设定速度，帮助无刷电机实现闭环控制。还有一个MC集成控制芯片，可以过滤DSP芯片发出的指令，选择适合控制电机转速和调整电机旋转方向的控制信号。

（2）控制系统控制部分的设计

无刷电机控制部分的设计要从无刷电机的硬件入手，包括对上位机运行状态和实际运行情况的合理分析和布局。无刷电机控制系统可以处理上位机的控制信号，识别传感器的信号反馈。信号处理后，有刷电机系统采用光电隔离方式通过向驱动单元发送信息信号，实现驱动电机的旋转和动力转换。DSP主控板可以控制直流电机，帮助直流无刷电机实现运动控制和数字化集成，基于DSP的无刷直流电机内部安装的DSP芯片是控制电路的中心，电机外围的外围电路工作包括电源转换电路、模拟电路和无刷电机时钟复位电路，电路分段还包括通信电路和上位机扩展电路。

（3）控制系统驱动部分的設计

DSP无刷电机控制系统的驱动操作主要是利用芯片的功能，在集成芯片的智能支持下，主要完成无刷电机的驱动。传感器MC集成芯片霍尔位置和位置信号，有助于准确定位无刷直流电机的转子位置，帮助系统实现驱动序列的输入和输出。便于基于DSP的无刷直流电机实现功率管的开关控制和运行管理。

同时，集成的控制芯片可以帮助DSP芯片接收来自主控板电路的控制信号和信息，实现多维信号处理。此外，DSP无刷电机驱动功能强大，驱动电机的速度、功率和信号转换。无刷电机的功率驱动部分是IR公司生产开发的新一代功率逆变器，MC芯片实现信号处理和整流后，传送到IR功率驱动电路，实现三相逆变。

（4）控制系统传感部分设计

直流无刷电机的感应部分是整个电机驱动运行的终端环节，控制系统的感应部分设计比较简单，基于DSP的直流无刷电机的感应设计主要是基于定子电流，转子的实际位置和转子速度。采样电阻用于无刷电机的三相控制电路中的高效感应。采样电阻是专门用于无刷电机控制系统传感的功能性信息采集电阻，可实现控制系统的精确传感和准确定位，帮助控制系统完成包括操作在内的传感和验证任务。更新MC芯片控制系统内部的转子编码器状态等任务。采样电阻定位无刷直流电机内部的三个转子位置后，将运行信息发送到传感系统，供无刷直流电机检测人员参考检测。

四、基于DSP的无刷直流电机控制系统设计

（1）上位机设计

基于DSP的无刷直流电机的上位机设计需要在上位机启动人机监控操作后启动串口通讯设置，通过串口设置建立下位机的连接和通讯，无缝访问监控界面。然后运行监控系统，控制调试无刷电机监控，包括调试指令、控制终端以及与芯片控制器的交互，实现基于DSP的无刷直流电机的参数修改。同时根据上位机程序的DSP速度绘制动态曲线，保证监控界面的正常运行和顺利完成。

（2）下位机设计

下位机为了实现与上位机DSP控制器的通讯，需要将速度设定值、转向信号、启停信号等通过数据传输线传送到DSP控制器，然后需要DSP控制器将电机的实时状态信号传送给上位机。DSP控制系统的子机软件采用模块化程序思想设计，根据系统功能要求建立一定的基本通信链路，包括来自DSP控制器的信息传输。DSP无刷电机的上位机将速度等物理参数转换成电信号，然后根据数据，将数据发送给下位机的DSP控制器，完成控制器的操作。下位机DSP控制器跟踪并定时更新无刷直流电机的实时动态，在监控过程中对电机模板进行分区，完成定位和格式设计，同时对存储区进行分区到磁盘。

五、基于DSP控制器无刷直流电机的实验验证

（1）无刷直流电机DSP控制器控制实验平台

在对基于DSP的无刷直流电机DSP控制器控制系统的进一步研究中，研究过程中使用的集成编程（IDE）代码为C语言，集成商的开发环境包括编译、汇编和链接。如果编程成功，则创建一个后缀为“.out”的文件，加载到DSP板设置的flash中，获取相应信息。此外，DSP 的BLDC电机继续正常工作。使用的硬件和性能如下：

第一，JTAG调试仿真器。JTAG調试使用Black hawk Inc.生产的调试电缆，型号为BH-USB-510。

第二，DSP主板。DSP主板是Spectrum  Digital  Inc. 制造的eZdsp 2812。该硬件具有独立的电源模块和隔离棚，可在DSP系统输出过程中转换为几种不同的PWM输出进行调节和驱动。第三，无刷直流电机。硬件中的无刷直流电机采用MBE.172.E500型电机，其速度反馈信息通过连接到主板上的运动控制系统获得。DSP芯片内置的正交编码脉冲系统可以检测其他编码器输出的通道脉冲并进行相应的调整。第四，RS232接口。在最终的硬件处理中，采用基于GA的PI控制增益的目标速度控制指令系统，同时优化个人电脑用户UI界面中的串行接口，最终传输信息。实时速度信息可从UI时间响应界面获取。

（2）实验结果

本文提出的基于GA的PI概念在不同的时延下获得了最优的PI参数值，在时间响应方面表现出更好的性能。在实际实验结果和显着性分析之间，可以看出所提出的方法比现有的PI方法更有效。

结语

综上所述，DSP在帮助无刷电机实现控制系统设计和运行的同时，也解决了无刷电机效率低、运行功能少的问题，基于DSP的运行平台提升了无刷电机的升级改造。

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