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摘 要：无刷直流电机调速涉及到复杂的算法和大量的计算，采用DSP芯片作为核心控制模块可以较好地满足调速要求。本文首先介绍了无刷直流电机调速控制的特点，然后分析了调速控制系统的总体结构，然后探讨了系统功能模块的应用关键点。应用结果表明，DSP在无刷直流电机调速控制中可以满足实际生产要求，具有较好的应用前景。
关键词：DSP;无刷直流电机;调整控制
随着电子技术的发展，各种微处理器不断涌现并先后在无刷直流电机驱动系统中得到应用。其中以单片机为代表的嵌入式控制系统在高速控制中具有较好的性能，但目前的单片机在实现控制电路的全数字化还有一定的难度，而DSP（Digital Signal Processing）的出现使这一问题得到了更好的解决。本文将对DSP在无刷直流电机调速控制中的应用进行深入的探讨。
1系统概述
基于DSP的无刷直流电机调速控制系统是一种典型的机电一体化系统，其控制模块的核心是DSP芯片，并且辅以各种采集单元、显示单元和输入输出单元等等，可以实时、自动、快速地完成无刷直流电机的调整。电机调速本身可以通过许多种方案实现，但无刷直流电机高精度快速调整却一直是一个技术难点，这主要是因为高精度且快速的速度调整涉及到非常复杂的算法和很大的计算量，这无论是对于DSP芯片的性能还是对于开发者的算法编程能力都是一项挑战。
2系统总体结构
2.1功能结构
基于DSP的无刷直流电机调速控制系统在总体上包括电源部分、控制部分、驱动部分和显示部分，其中控制部分决定了系统调速的内在逻辑，它是在DSP芯片程序的控制下实现的;驱动部分则是将控制信号转化为电机转动的转矩的环节，它的性能对系统综合性能有很大的影响;显示部分主要为使用者提供一个人机接口，为用户实时显示系统运行参数，并允许用户通过输入参数调整电机的速度;电源部分不仅为直流电机提供动力，也是控制模块中各芯片供电的源头。
2.2工作原理
系统工作原理大致如下：首先根据无刷直流电机调速控制的实际需求编写程序代码，并写入DSP芯片中，其中电机运行参数可以从显示模块手动输入，也可以使用默认参数。电机启动后，DSP会读取预设的参数并转化为驱动信号发送给驱动单元，由驱动器件实时调整系统运行状态。传感器采集到新的运行参数反馈给DSP并在显示器上显示出来。从而完成一个调速周期。
2.3关键器件选型
为了保证系统的运算能力并控制开发成本，本文采用了由TI研发的32位定点DSP芯片TMS320C280，该芯片问世已有一些时间，其性能经过了大量应用案例的检验，目前已经比较成熟。该芯片不仅可以完成大量复杂的运算，而且兼有较强的时间管理功能及控制能力，在大型测控系统中有广泛的应用。
无刷直流电机换向机制中的关键技术之一是位置检测，综合考虑精度和成本等因素，采用了霍尔元件完成位置信息采集，通过脉冲计数实现位置和转速的实时测量。该测量值将作为DSP修正电机转速的参数。本系统采用的ICETEK-2812-B开发板已经集成了霍尔元件，因此直接采用即可。
驱动部分以MC3035芯片为核心，以IR2183及IRGP50B60PD1为驱动元件，这些芯片均为成熟的高性能产品，可以满足系统要求。由于驱动部分为高压电路，而控制和显示部分均为低压电路，为了硬件安全起见，采用光电耦合器件TLP521对各部分之间进行隔离。
3系统功能模块分析
3.1控制模块
控制模块以TMS320F2812为主控单元，为了减少线路连接，采用了ICETEK-2812-B开发板提供电源模块，该模块可以直接供应3.3V標准电压信号。无刷直流电机的转速和位置信号由传感器采集后通过A/D转换变成数字信号，传送给DSP芯片，DSP对信号进行计算并运算后得到一个修正量并发送给驱动单元，由驱动电路对电机转速进行调整。如果电机发生过载，会向DSP反馈一个高电平信号，DSP监测到该信号后立即向电机发送停机指令。控制模块不仅可以在显示单元进行操作，还可以通过RS485串行数据总线与PC相连，通过PC进行操作，大大提高了使用的方便性。
3.2驱动模块
驱动模块以MC33035器件为核心，采用IR2183及IRGP50B60PD1为驱动元件。驱动单元通过传感器采集的位置信号可以计算出电机转子当前所在位置，并以此为依据对IGBT的开启和截止进行控制。这在原理上是很容易做到的，但在实际应用中，IGBT在截止时会出现一个尖峰信号，这对于电机而言是非常不利的，应该通过设计优化进行避免。本系统通过在IR2183和IGBT之间串接一个电阻对冲击电压进行缓冲，起到了较好的效果。
驱动模块的调速原理是基于PWM信号的，DSP会根据实时数据计算出转速修正值，然后以PWM波的形式发送给驱动模块，驱动模块根据PWM波的占空比可以控制IGBT导通的时间，从而达到改变电机转速的目的。
3.3显示模块
显示模块与驱动模块之间通过串口进行数据交互，显示模块的供电由开发板统一完成。霍尔传感器采集到的脉冲信号，并由主控单元换算成频率信号后发送给数码管。显示模块的主要作用是完成人机交互，用户可以通过键盘上的按键直接设置转速值，该转速会以数字量的形式由串口发送到2812，由于转速值是任意输入的，因此本系统可以满足无级调速的要求。为安全起来，程序中对转速值进行了限定，避免误输入造成电机损坏。
4系统软件分析
硬件在工作是在软件程序的统一调度下完成的，控制程序采用了传统的PID控制算法，同时开发了信号滤波、去噪、误差修正等功能，采集子程序会不断采集转速信号并持续计算修正，直到转速与预设值相同为止。
软件程序设计的关键点在于转速信号的采集和计算修正。本系统以50Hz的频率不断采集电机转速信号，以脉冲进行转数计数，以10转为一个周期，也就是以5Hz的速度对电机转速进行监测，其误差可以达到100转以内，已经能够满足高速电机的控制要求。
软件系统还提供了一个报警模块，当电机转速超过限值时，立即从后台发送一条停机指令，同时在软件界面显示预警信息，这样不仅可以保证电机的安全，也可以提醒用户尽快解决故障，保障安全生产、提高生产效率、提升经济效益。
5结语
本系统在某设备进行了为期三个月的试运行，发现该系统运行稳定可靠、实时性好、控制精度满足生产需求，并且在过载和超速时可以快速自动调整，保证了设备的安全。系统中采用的DSP芯片成本较低，可扩展性较强，可以满足后期扩展的需求。可见，DSP在无刷直流电机调速控制中具有较好的应用前景。随着DSP技术的进步，无刷直流电机调速系统的综合性能还将进一步提升，以满足现代化工业生产的实际需求。
参考文献：
[1]韦汉培，王超，张懿，魏海峰.基于DSP的永磁无刷直流电动机变频调速控制系统[J].变频器世界，2015（06）：48-50.
[2]李春峰，于洋.无刷直流电机调速系统智能调节器的设计[J].《电子技术与软件工程》，2018（13）：230-230.
作者简介：罗晓伟（1975.04.24-），男，汉族，籍贯重庆，现就职于四川九洲电器集团有限责任公司，职称：工程师，学历：大学本科，主要研究方向：运用dsp和fpga以及各控制芯片进行通信及数据传输、控制等开发和应用。
关键词：DSP;无刷直流电机;调整控制
随着电子技术的发展，各种微处理器不断涌现并先后在无刷直流电机驱动系统中得到应用。其中以单片机为代表的嵌入式控制系统在高速控制中具有较好的性能，但目前的单片机在实现控制电路的全数字化还有一定的难度，而DSP（Digital Signal Processing）的出现使这一问题得到了更好的解决。本文将对DSP在无刷直流电机调速控制中的应用进行深入的探讨。
1系统概述
基于DSP的无刷直流电机调速控制系统是一种典型的机电一体化系统，其控制模块的核心是DSP芯片，并且辅以各种采集单元、显示单元和输入输出单元等等，可以实时、自动、快速地完成无刷直流电机的调整。电机调速本身可以通过许多种方案实现，但无刷直流电机高精度快速调整却一直是一个技术难点，这主要是因为高精度且快速的速度调整涉及到非常复杂的算法和很大的计算量，这无论是对于DSP芯片的性能还是对于开发者的算法编程能力都是一项挑战。
2系统总体结构
2.1功能结构
基于DSP的无刷直流电机调速控制系统在总体上包括电源部分、控制部分、驱动部分和显示部分，其中控制部分决定了系统调速的内在逻辑，它是在DSP芯片程序的控制下实现的;驱动部分则是将控制信号转化为电机转动的转矩的环节，它的性能对系统综合性能有很大的影响;显示部分主要为使用者提供一个人机接口，为用户实时显示系统运行参数，并允许用户通过输入参数调整电机的速度;电源部分不仅为直流电机提供动力，也是控制模块中各芯片供电的源头。
2.2工作原理
系统工作原理大致如下：首先根据无刷直流电机调速控制的实际需求编写程序代码，并写入DSP芯片中，其中电机运行参数可以从显示模块手动输入，也可以使用默认参数。电机启动后，DSP会读取预设的参数并转化为驱动信号发送给驱动单元，由驱动器件实时调整系统运行状态。传感器采集到新的运行参数反馈给DSP并在显示器上显示出来。从而完成一个调速周期。
2.3关键器件选型
为了保证系统的运算能力并控制开发成本，本文采用了由TI研发的32位定点DSP芯片TMS320C280，该芯片问世已有一些时间，其性能经过了大量应用案例的检验，目前已经比较成熟。该芯片不仅可以完成大量复杂的运算，而且兼有较强的时间管理功能及控制能力，在大型测控系统中有广泛的应用。
无刷直流电机换向机制中的关键技术之一是位置检测，综合考虑精度和成本等因素，采用了霍尔元件完成位置信息采集，通过脉冲计数实现位置和转速的实时测量。该测量值将作为DSP修正电机转速的参数。本系统采用的ICETEK-2812-B开发板已经集成了霍尔元件，因此直接采用即可。
驱动部分以MC3035芯片为核心，以IR2183及IRGP50B60PD1为驱动元件，这些芯片均为成熟的高性能产品，可以满足系统要求。由于驱动部分为高压电路，而控制和显示部分均为低压电路，为了硬件安全起见，采用光电耦合器件TLP521对各部分之间进行隔离。
3系统功能模块分析
3.1控制模块
控制模块以TMS320F2812为主控单元，为了减少线路连接，采用了ICETEK-2812-B开发板提供电源模块，该模块可以直接供应3.3V標准电压信号。无刷直流电机的转速和位置信号由传感器采集后通过A/D转换变成数字信号，传送给DSP芯片，DSP对信号进行计算并运算后得到一个修正量并发送给驱动单元，由驱动电路对电机转速进行调整。如果电机发生过载，会向DSP反馈一个高电平信号，DSP监测到该信号后立即向电机发送停机指令。控制模块不仅可以在显示单元进行操作，还可以通过RS485串行数据总线与PC相连，通过PC进行操作，大大提高了使用的方便性。
3.2驱动模块
驱动模块以MC33035器件为核心，采用IR2183及IRGP50B60PD1为驱动元件。驱动单元通过传感器采集的位置信号可以计算出电机转子当前所在位置，并以此为依据对IGBT的开启和截止进行控制。这在原理上是很容易做到的，但在实际应用中，IGBT在截止时会出现一个尖峰信号，这对于电机而言是非常不利的，应该通过设计优化进行避免。本系统通过在IR2183和IGBT之间串接一个电阻对冲击电压进行缓冲，起到了较好的效果。
驱动模块的调速原理是基于PWM信号的，DSP会根据实时数据计算出转速修正值，然后以PWM波的形式发送给驱动模块，驱动模块根据PWM波的占空比可以控制IGBT导通的时间，从而达到改变电机转速的目的。
3.3显示模块
显示模块与驱动模块之间通过串口进行数据交互，显示模块的供电由开发板统一完成。霍尔传感器采集到的脉冲信号，并由主控单元换算成频率信号后发送给数码管。显示模块的主要作用是完成人机交互，用户可以通过键盘上的按键直接设置转速值，该转速会以数字量的形式由串口发送到2812，由于转速值是任意输入的，因此本系统可以满足无级调速的要求。为安全起来，程序中对转速值进行了限定，避免误输入造成电机损坏。
4系统软件分析
硬件在工作是在软件程序的统一调度下完成的，控制程序采用了传统的PID控制算法，同时开发了信号滤波、去噪、误差修正等功能，采集子程序会不断采集转速信号并持续计算修正，直到转速与预设值相同为止。
软件程序设计的关键点在于转速信号的采集和计算修正。本系统以50Hz的频率不断采集电机转速信号，以脉冲进行转数计数，以10转为一个周期，也就是以5Hz的速度对电机转速进行监测，其误差可以达到100转以内，已经能够满足高速电机的控制要求。
软件系统还提供了一个报警模块，当电机转速超过限值时，立即从后台发送一条停机指令，同时在软件界面显示预警信息，这样不仅可以保证电机的安全，也可以提醒用户尽快解决故障，保障安全生产、提高生产效率、提升经济效益。
5结语
本系统在某设备进行了为期三个月的试运行，发现该系统运行稳定可靠、实时性好、控制精度满足生产需求，并且在过载和超速时可以快速自动调整，保证了设备的安全。系统中采用的DSP芯片成本较低，可扩展性较强，可以满足后期扩展的需求。可见，DSP在无刷直流电机调速控制中具有较好的应用前景。随着DSP技术的进步，无刷直流电机调速系统的综合性能还将进一步提升，以满足现代化工业生产的实际需求。
参考文献：
[1]韦汉培，王超，张懿，魏海峰.基于DSP的永磁无刷直流电动机变频调速控制系统[J].变频器世界，2015（06）：48-50.
[2]李春峰，于洋.无刷直流电机调速系统智能调节器的设计[J].《电子技术与软件工程》，2018（13）：230-230.
作者简介：罗晓伟（1975.04.24-），男，汉族，籍贯重庆，现就职于四川九洲电器集团有限责任公司，职称：工程师，学历：大学本科，主要研究方向：运用dsp和fpga以及各控制芯片进行通信及数据传输、控制等开发和应用。