基于DSP 無刷直流電機調速系統設計

李長碩，譚 麗，隋 然

(1.長春大學，吉林 長春130022;2.長春發電設備總廠，吉林 長春130000;3.黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱150027)

1 無刷直流電機的概述

1.1 無刷直流電機的特點

它的電樞繞組放在定子上，永久磁鋼放在轉子上。其電樞繞組的繞組形式與交流電機的繞組一樣，采用的是多相形式，由逆變器連接到直流電源上，運用位置傳感器實現電子換相的這種方式來替代有刷直流電機的電刷換相。電機的各個相依次通電并且產生電流，以轉子主磁場和定子磁場相互產生作用的方式來產生轉矩。因此，與有刷直流電機相比，其取消了電機的滑動接觸機構。由于主磁場是恒定的，另外加上沒有繞組在轉子上，沒有了勵磁損耗，由此鐵損是很小的。總的來說，無刷直流電機既具備使用壽命長、維修和保護比較方便、可靠性高等優點外，也和交流電機結構一樣簡單，并且也具有普通直流電機的轉矩較大、調速比較方便、效率高、動態性能快等優勢。

1.2 無刷直流電機的原理

無刷直流電機的原理是讓一定量的電流流過電樞繞組，這與有刷直流電機的工作原理相同，由此就產生了持續不變的只和電流大小相關聯的電磁轉矩。無刷直流電機的電概繞組是固定在定子上的，轉子是永磁體的，沒有電刷。關于無刷直流電機的定子電樞繞組的接法一般有三種:三扣橋式封閉式接法、三相橋式品形接法和三相非橋式星形接法。

2 無刷直流電機調速系統的硬件設計

2.1 調速系統的功率驅動電路設計

電機控制的驅動器采用特有的芯片。可控制6 個大功率管的關斷和導通，通過輸出H01，H02 和H03 分別控制三相全橋驅動電路的上半橋Q1、Q3、Q5 的接通和關閉;而IR2131 的輸出L01，L02，L03 的作用是分別控制驅動電路的下半橋Q4、Q6、Q2 的接通和關閉，從而達到控制電機正反轉和轉速的目的。全橋式電機電路原理控制部分由6 個IGBT 組成，其作用是在PWM 信號的控制作用下，將電機的工作電壓按規律加到電機的三相繞組上，從而達到使電機高速工作的。

2.2 調速系統的系統保護電路設計

在無刷直流電機調速系統的運行工作過程中，若出現欠壓或者過流情況，PWM 信號驅動器會啟動系統內部的保護電路。保護電路的作用主要是用于防止IGBT 因過流，出現短路或其他的一些意外而出現被燒壞的現象。調速系統的保護電路主要有過溫保護、過流保護、過壓以及欠壓保護。

3 無刷直流電機調速系統的軟件設計

3.1 無刷直流電機調速系統的軟件設計要求

無刷直流電機調速系統僅有硬件部分是不夠的，要想保證其能夠正常工作，還需要有軟件的配合才能構成一個完整的控制系統。軟件設計可以采用順序結構。主要包括初始化模塊、按鍵模塊、顯示模塊、速度環模塊、電流環模塊和保護模塊。其中軟件的主程序主要是通過調用各個子程序，使程序循環運行，以實現所要求的各種控制要求，并通過這種方式來實現其功能。軟件系統中的參數設置、參數輸入、速度計算等［2］，都是通過調用子程序和中斷程序來實現的。

3.2 電流環程序的設計

電流環調節的主要目的是最大可能性去限制電機的電流，加快整個動態響應，是通過調節對象的動態結構來實現的。在電機的啟動過程中，要使工作電機能在所允許的最大的電流下進行“恒流”的啟動。同時，在電機的轉速調節的整個運行中，可以使電流能夠快速的去跟蹤電流給定的變化。同時電流環的輸入有兩個，它們分別是電流反饋值和電流參考值。并且整個系統運行的電流的參考值是由速度環通過計算出的結果給定的;電流的反饋值經A/D 轉換后轉變為數量值，并且被輸送到電流環，檢測值與參考值做差運算的結果就是電流環的誤差。

3.3 速度環程序的設計

系統軟件速度環程序的設計的思想是不停地去收集電機的轉速，之后與系統給出的速度指令作比較后，通過利用PID算法，并且綜合濾波算法，以不斷地去修正運行速度的誤差，直到收集到的電機轉速與系統給定的轉速相同為止。

速度環的程序設計有給定速度和轉速反饋值輸入，系統輸出的是電流參考信號，并且使其作為電流閉環的輸入信號。系統的轉速閉環設計的主要目的是使轉速跟隨程序的給定值不斷變化，并且達到無靜態的誤差。首先，程序可以計算出當前電機運行的轉速，然后與程序給定的速度值進行比較，從而得到速度誤差的數值，再根據這個速度誤差數值進行速度控制調節。

4 結語

基于DSP 無刷直流電機調速系統是以DSP 為核心的，通過軟件的編程設計來達到對無刷直流電機的實際調控。同時，采用的以DSP 作為調速控制系統的核心，與普通的調速系統相比具有其優越的特點，處理速度高效便利，同時可以處理大量的數據。達到了使其整個調速系統實現全數字化的目的，同時電機穩態運行時的穩速精度可以達到更高的水平。隨著技術的成熟，相信該技術可以更好地為工業發展服務。

［1］ 王念旭.DSP 基礎與應用系統設計［M］. 北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［2］ 張雄偉.DSP 芯片的原理與開發應用［M］. 北京:電子工業出版社，2012.