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【摘 要】论文结合自己实际工作,通过对DSP的电动机控制系统的发展历程、类型,以及常见问题进行了深入探讨,以期为从事电动机控制系统研发和应用的工程师、高校相关专业的师生提供参考和借鉴.
【关 键 词】DSP；电机；控制系统；数字信号；传输
DSP是一种专用的综合性的微处理器,能够告诉输入和输出数据,其是专门处理以运算为主的信号处理应用系统.90年代DSP揭开了计算机、消费类、通信、军事、汽车等电子市场的新纪元,在这些技术高速发展的同时,又反过来促进了数字信号处理器技术的发展.
一、DSP的电机控制系统概述
常见的数字式闭环电机饲服控制系统原理较为简单,该系统一般由电机、DSP、驱动放大电路、光盘编码器等组成.当DSP接受主机发出的参考输入时（转动角速度及方向）,将数据转换为PWM输出,经过驱动放大送给电机,进而产生输出.再通过编码器来检测电机的转动方向和角度,反馈回DSP系统,形成闭环控制,进而达到有效地控制运动精度.如下图所示：
图1电机控制示意图
设计以DSP为核心的电机控制系统平台对实现多个电机进行控制非常有必要.与其它控制系统相比,电机DSP控制系统有如下优越性：
1、DSP采用哈佛结构或者是改进的哈佛结构,使数据和程序相互独立的总线结构提高了计算能力.因此可以实现比较复杂的控制规律,如智能控制、优化控制等,将现代算法和控制理论的应用得以体现.
2、简化了电机控制器的硬件设计难度,降低了整体的重量,缩小了体积,降低了能耗.
3、DSP芯片内部设计,在一定程度上为元器件的可靠性和稳定性提供了保证,从而会使整个系统的可靠性得到提高.
4、通过DSP控制系统,使得软件的灵活性和硬件的统一性得到了有机的结合,DSP电机控制电路可以统一,如DSP控制三相逆变器驱动相应的感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机或用改进后的逆变器驱动直流电机等,它们的硬件电路的结构大致相同,我们只需要针对不同的电机,编写和设计出不同的控制规律即可,进而使得系统的灵活性大大提高.
二、电机控制系统的发展
从主传动机电能量转换的角度来看,电机控制系统主要经历了：机械控制系统（如齿轮箱变速）、机械和电气联合控制系统（如感应电机电磁离合器调速）、全电气控制系统（基于电力电子电源变换器的电机控制系统）；而从控制电路的角度来看,经历了模拟电路、数字电路、模拟混合电路、全数字电路控制系统；从控制策略的角度来看,主要经历了从最初的低效有级控制发展到现在的高性能智能型控制.电机运动控制系统主要指电机的位置控制系统或位置伺服系统.电机的运动控制系统是通过电机伺服驱动装置,通过编制指令将期望的运动路线得以实现.虽然系统的功率不大,但是对运动轨迹的准确性要求较高,并能频繁启动和制动,该技术在导航、雷达、机器人、数控机床、磁盘驱动器,以及全自动洗衣机等领域得到广泛应用.
三、电机控制系统的类型
在电气传动系统和位置伺服系统中,经常需要使用各种各样的驱动电机,如永磁同步电机、无刷直流电机、直流电机、感应电机、步进电机等.目前常见的电机控制系统主要有以下几种：
(一)直流电机控制系统
直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解藕,可以独立控制,具备良好的调速性能,出力大,调速范围宽和易于控制,广泛用于拖动系统中,目前在各种推进系统中也仍有着广泛的应用.
(二)感应电机控制系统
感应电机定子一般为多对称多相绕组,转子可以是绕线式,也可以式鼠笼式绕组.不同的转子结构,使用不同的控制策略.例如绕线式感应电机可以达到转子串电阻调速、串级调速等目的,而鼠笼式感应电机可以实现电子变频、变极调速的要求.现代交流感电机控制系统主要有以下几种：转差频率控制系统、矢量变换控制系统、直接转矩控制系统、智能控制系统,以及空间矢量调制控制系统等.
(三)同步电机控制系统
永磁交流电机的驱动电源波形主要有正弦波和方波两种.前者称为永磁同步电机,而后者称为直流无刷永磁电机.永磁无刷直流电机的特点是磁极位置检测与无换向器电机一样比较简单,通常为磁敏式霍尔传感器,驱动控制易于实现,主要应用在恒速驱动、调速驱动,以及一些精度要求不很高的领域.而正弦波驱动永磁同步电机的控制系统,电机转子采用的是永磁材料,电子绕组和普通同步电机一样,为对称多相正弦分布绕组.它主要应用在恒速、调速驱动和精度要求很高的位置伺服系统.当前国际国内学者研究较多的是转矩脉动、削弱齿谐波、消除位置传感器技术.
(四)变磁阻电机控制系统
变磁阻电机主要是由反应式步进电机、同步磁阻电机、开关磁阻电机等组成.步进电机做为电磁式增量运动执行的元件,它的作用是将输入的电脉冲信号转换成执行的线位移和机械角位移信号,从而完成执行操作.所以我们又称步进电机为脉数字电动机或者是冲电动机.简而言之,它是主要用作数字控制装置的执行元件,直接控制者电机旋转角度,切旋转角度与脉冲数成正比关系,因此电机转速与输入脉冲频率成比例.步进电机的控制一般是采用的开环控制,它的有点使控制系统简单并具有很高的精度.可以改变绕组的励磁顺序实现步进电机的正反转控制.
四、电机DSP控制存在的常见问题
结合自己工作实际,我个人认为在电机的DSP控制中还存在以下不足,有待我们日后解决,具体如下：
控制系统结构需进一步优化电动机作为控制系统中主要动力执行元件之一,在具体控制系统中起着拖动机械负载实现位置伺服、速度调节、转矩或力控制调节的作用.对于常见的闭环电机控制系统,属于机械运动正向控制,一般由传感、机电祸合关系、信号检测和电气控制这几个部分.机械运动控制通过外部给定的位置信号和转子位置传感器检测的位置信号比较,进而获得位置误差信号.控制系统中的信号检测主要指的是转子位置的检测,以及电压与电流的检测等.我们首先要解决的问题是如何利用检测到的电机转子位置、电流和电压信号观测电机内部磁场的变化.其次是如何反映电机产生的电磁转矩大小,以便有效地控制电机的电磁转矩.
(二)DSP控制的硬件需及时更新
基础以DSP为基础构建的电机控制系统,其硬件资源主要包括：信号检测与转换、PWM控制器、系统接口等等.随着科技快速发展,各设备技术更新较快,为了保证控制系统的高效运行,就必须及时更新DSP控制的硬件.此外控制系统中信号检测是必不可少的,尤其是在闭环控制系统中,状态信息的检测也十分重要,我们必须严格按照工作要求,认真做好信号检测,及时发现、解决问题.而检测信号又分为电量和非电量两大类.电量信号有电流、电压和电功率等；非电量信号包括位置、力或转矩、速度和温度等.这些变量的检测主要是通过传感器将非电量信号转换成电信号再来检测.