直流無刷電機控制系統

徐志勇　蘇文瑾

【摘 要】炸藥伴隨著社會經濟的發展、科學技術的進步，在工業生產與應用領域，永磁材料、電力電子技術、傳感器技術、現代控制理論和微處理器技術也取得了飛躍的發展。基于上述相關材料、技術的研發及技術嵌入，直流無刷電機控制系統應用技術愈發完善成熟，其具有高效率、長壽命、低噪聲等優良的轉速-轉矩特性等相應優點。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勢特點，所以在工業生產與家用電器領域得到了廣泛的應用，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的研究與設計，針對現階段我國國內直流無刷電機發展與研究現狀進行分析。

【關鍵詞】直流無刷電機；發展；現狀分析

1 直流無刷電機

1.1 直流無刷電機基本結構

直流無刷電機是同步電機的一種，具體就是指電機轉子的轉速很大程度上會受到電機定子旋轉磁場的速度，以及周邊相應轉子極數的影響。直流無刷電機是21世紀新研發的一種機電一體化設備產品，主要構成結構包括有電動機主體和驅動其等，特別是在工業生產領域得到了廣泛的普及與應用。關于直流無刷電機，它是新舊兩代直流電機的優點結合體，它既具有傳統直流電機的優點，同時在實際結構構造上，基本剔除了碳刷、滑環等結構，最終實現了無級調速的效果，且調速范圍也比較廣，在這種情況下，直流無刷電機在實際應用操作中，過載能力就會大大增強、并且可靠性、穩定性、適應性能也良好，最重要的一點就是對其進行維修與保養管理時，操作及方法變得更加簡單。關于直流無刷電機的基本結構，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轉換的重要設備，所以說，電機本體在直流無刷電機構成內部屬于一個核心地位，整個電機控制與操作系統內部的各項性能指標、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

關于直流無刷電機控制技術的發展，以當前在工業生產領域的應用情況來看，基本上集中體現在對轉速的控制層面上，簡單一點講，就是指直流無刷電機在工作運行的全過程，核心環節還是在于檢測控制系統中電機的轉速，強化對功率管的控制，主要是為了保護電機電路，比如過流保護、過壓保護等。

在現實工業實踐應用中，直流無刷電機控制技術可以歸納總結為兩方面內容：①控制器轉變應用技術。直流無刷電機控制器，在早期發展階段，其基本形式構造主要還是表現為模擬控制器。進入到21世紀以來，尤其是最近幾年，隨著數字化電機控制器設備及相關技術的開發與應用，在工業生產領域電機模擬和控制系統操作方面，也變得更加的簡單，并且這種技術設備本身就非常實用，物美價廉。但是受到技術層面、經濟投入的限制，模擬化電機控制系統也有許多不足之處，最主要的一點就是抗干擾能力較差，幾乎不可重復利用。隨著計算機軟件技術的蓬勃發展，在新一輪的技術研發方向上，直流無刷電機也逐漸由現代化的軟件程序代替傳統的硬件結構，其中，控制系統所運用的理論就是現代控制理論。②處理器轉變應用技術。當前，在我國國內電機控制處理器及其技術研究領域，用于電機控制的處理一般包括以下三種技術形式，分別包括有微處理器、專用集成電路、現代數字信號處理器等。其中，微處理器在實踐應用中，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，都已經無法滿足當前工業生產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準要求不高的電機，這種控制方法下設計出來的電路總體上相對簡單，也比較實用。

基于上述關于現階段我國國內直流無刷電機控制技術的發展現狀的闡述，重點提出大家普遍使用的現代DSP來進一步解決工業生產及生活中人們對電機控制性能的技術要求。

2 直流無刷電機控制系統

基于DSP電機控制系統的硬件與軟件設計。

2.1 直流無刷電機控制系統硬件設計

在直流無刷電機控制系統硬件設計層面上，重點體現在處理器轉型及系統硬件電路設計。在實際應用過程中，可以較為清楚的觀察到，由于直流無刷電機控制系統需要采集大量的電流、電壓、溫度以及轉速等高速信號，所以通常情況下需要使用高速A/D予以轉換。在工業生產領域或者是家用電器領域，對于該電機控制系統的硬件設計，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，并且內部存儲空間充足。在國內不少應用領域，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，內部最小子系統的電路也基本一致。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的微處理器進行比較，DSP芯片的優勢特點就凸顯出來了，包括在存儲器結構上、流水線結構上、高效特殊指令以及硬件乘法累加單元等。

在系統硬件電路設計方面，整個系統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、驅動控制電路部分。其中，電機控制系統硬件電路結構中的主電路部分，又是由整流電路和逆變電路組成；電機控制系統設計電路結構中的控制電路部分，又是由DSP與其外圍電路組合而成；電機控制系統硬件電路結構中的驅動控制電路部分，主要是由PWM信號驅動電路來設計實現的，它的作用就是保護電機控制系統內部電路，并實時監控檢測電路。

2.2 直流無刷電機控制系統的軟件設計

在電機控制系統軟件設計層面，重點圍繞著控制系統的程序設計來進行。在程序設計上，所涉及到的重要部分包括有直流無刷電機控制系統主程序設計、電機控制系統內部SVPWM程序設計、電機控制系統內部中斷程序設計等，在上述程序設計環節，電機控制系統功能的發揮主要得益于中斷程序子系統的設計與實現。關于直流無刷電機控制系統的軟件設計主程序流程，具體呈現為“開始——DSP及各模塊初始化——DSP自檢——轉子磁極位置采樣——轉子轉速計算——定子電流采樣——電流濾波——Clarke變換——Park變換——電流調節——Park逆變換——Svpwm控制”。

在整個控制系統運轉流程當中，Svpwm調制技術是矢量控制的核心。從上述所列舉出來的軟件設計控制流程歸納總結當中可以觀察出，直流無刷電機控制系統DSP軟件所需要完成的任務，可以具體分為四個階段環節來實施操作。這四階段任務分別是：①電機控制系統內各軟件功能模塊的初始化任務；②電機控制系統軟件設計DSP芯片的自檢；③軟件設計流程中對于電機位置的采樣；④軟件設計流程中對于電流的采樣。

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[責任編輯：王偉平]