基于串口通信的直流無刷電機控制系統(tǒng)

苗天壽

（中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471000）

0 引 言

使用PC軟件和DSP（多用途數(shù)字信號處理器）對直流無刷電機進行控制時，串口通信能同時完成對PC端（計算機）測控信號輸出和檢測設備實時狀態(tài)的實時顯示。串口通信還可讓控制系統(tǒng)升級到一種新的人機交互狀態(tài)，可完成控制參數(shù)的實時有效變換。將串口通信技術應用到直流無刷電機控制系統(tǒng)中，可改善控制系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)簡單而有效的操作[1]。

1 直流無刷電機控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 串口通信技術的載入

串口通信的主要參數(shù)是波特頻率、數(shù)據(jù)位、停止位及奇偶檢驗，實際工作時需這些參數(shù)完成統(tǒng)一匹配。波特頻率是特定條件下衡量數(shù)據(jù)輸出效率的參數(shù)，可反映輸出信號在一定時間內的調配變化，即一定時間內信號數(shù)據(jù)的變化次數(shù)。數(shù)據(jù)位是信息通信時的數(shù)據(jù)參數(shù)，當計算機PC端發(fā)送信息數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)信息的傳遞個數(shù)代表要傳遞的信息。實際運用中，數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的使用[2]。

實際應用中，停止位適用于表示一個數(shù)據(jù)包的最后一個數(shù)據(jù)。雖然傳輸數(shù)據(jù)時需要定時，且每個傳遞設備都有自己的特定時間，但是通信過程中仍會發(fā)現(xiàn)不同步的兩臺設備，此時停止位不僅表示傳輸數(shù)據(jù)結束，而且表示計算機端的時間校正功能。停止位數(shù)位的多少，決定數(shù)據(jù)時間校正程度。當停止位數(shù)變多時，數(shù)據(jù)傳輸效率降低，反之就會加快[3]。

串口通信的應用，可促進外接設備控制的發(fā)展，還可推動相關技術的研發(fā)。

1.2 PC機和DSP通信連接

PC端的RS-233電路和DSP（多用途數(shù)字信號處理器）不兼容，需通過電平轉換器轉換電路才能實現(xiàn)雙方的鏈接，如圖1所示。

圖1 PC機和DSP通信連接圖

控制器的一端和計算機采用串口鏈接，數(shù)據(jù)傳遞在下機位控制時由DSP完成。通過此操作可讓計算機主控器在控制模式中有效地使用串口通信，提高控制系統(tǒng)的可靠性，但是控制系統(tǒng)的操作難度也會增加。當PC機和DSP完成通信后，即完成了基于串口通信技術直流無刷電機控制系統(tǒng)的硬件設計。

2 直流無刷電機控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 直流無刷電機控制系統(tǒng)上位機設計

直流無刷電機控制系統(tǒng)上位機設計中，上位機計算機軟件采用多面型編程語言Brrlanr C++ Bullder（簡稱BCB）設計。這個設計界面是基于Windows10的操作界面完成的。通過一些特定操作，上位機可完成對下位機的操作指令輸出，還可設計各種操作參數(shù)。

DSP和PC機的處理方式不一樣，處理信息速度比PC機慢。當波特頻率較高時，DSP只負責接收傳遞數(shù)據(jù)，不參與其他工作，也會出現(xiàn)無法工作的狀態(tài)。即PC機發(fā)送數(shù)據(jù)信息給DSP時，需臨近數(shù)據(jù)產生延時效果，為DSP處理通信信息留出時間。

為達到良好的信息傳遞效果，可把PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)指令按照以下串口排列：

（1）串口初始化默認選擇PC機com1；

（2）輸出波特頻率為9700；

（3）奇偶檢驗位設one；

（4）數(shù)據(jù)位設9位；

（5）停止位設2位。

通信過程中，需點擊系統(tǒng)界面的開始建，上位機會把設定好的電機轉速和扭矩等操作數(shù)據(jù)傳遞給DSP。此外，上位機還接收電機工作時的反饋信息。在電機工作室，采用數(shù)字組合COMa、COMb、COMc及COMd的信息傳遞方式。其中，COMa表示直流無刷電機工作模式，COMb表示低轉速，COMc表示高轉速，COMd表示扭矩。

2.2 直流無刷電機控制系統(tǒng)下位機設計

直流無刷電機控制系統(tǒng)下位機設計中，下位機是依靠MTS457F300為主要核心數(shù)字控制器的控制系統(tǒng)。MTS457F300處理數(shù)據(jù)信息的速度和電機轉速成正比，通過下位機的設計完全可以舍棄模擬器，便于更好地設計參數(shù)，實時收集電機故障數(shù)據(jù)，完善數(shù)據(jù)通信。

通過計算機CPU和DSP上位機的連接，可更好地完成控制操作。下位機中，SCB接收器和發(fā)送器的作用也不可忽視，SCB的效果直接影響下位機的效率。

3 實例分析

為證實串口通信對直流無刷電機控制系統(tǒng)的作用，進行以下實驗分析。

設定直流無刷電機的主要參數(shù)：額定功率P=50W×2，轉速n=7 000 r/min，極對數(shù)p=2，直流母線的電壓U=28 V。分兩組測試數(shù)據(jù)，一種是基于串口通信直流無刷電機控制系統(tǒng)電機實測電壓波線曲線，另一種是基于普通通信電機控制系統(tǒng)電機實測電壓波線曲線，電壓波線曲線如圖2所示。

實驗結果證明，基于串口通信的直流無刷電機控制系統(tǒng)，以DSP芯片為核心，達到了系統(tǒng)實時性和快速性的目的。該控制系統(tǒng)具有一般電機控制系統(tǒng)不能匹及的優(yōu)點——強大的運算能力，具體算法通過軟件實現(xiàn)。該控制系統(tǒng)擴展能力強，能應用于不同場合，同時電壓波動小，有利于控制電動機。

4 結 論

基于串口通信的直流無刷電機控制系統(tǒng)，提高了電機控制效率。結合上位機PC軟件設計和下位機DSP（多用途數(shù)字信號處理器）軟件，發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)處理能力，更好地實現(xiàn)了PC端的人機控制、控制參數(shù)的調試及反饋數(shù)據(jù)的收集處理。

圖2 電機電壓波線曲線如圖