基于DSP控制的无刷直流电机在电动执行器中的使用分析

    1 无刷直流电机的相关特性

    无刷直流电机与有刷电机相比最大的特点是采用电子换相装置，具有更好的调速性能、其工作效率大为提高、使用中的噪音也大大降低。因为其上述优点，使得无刷直流电子在航空以及一些较高性能的数控驱动中得到了较为广泛的应用。转子位置传感器向电机提供一些较为基本的换相信息，对无刷电机的正常工作有着重要的影响，但它因为自身的限制也存在一些使用的弊端，比如其结构较为复杂，信号会受到环境的影响等。但是，无刷直流电机以其电子装置及直流电机的优势，在电动执行器中得到了较为广泛的应用。

    无刷直流电机在具体应用中作用的发挥与电压等影响因素有着重要的关系。具体而言，当提高作用于电机的电压时，电机的运行速度便会提高，而在该种供电电压升高时，电机中电枢的反电势的值仍然为其原值，而电机的工作电压发生变化时电压和电流的变化会带动电枢中电机转子绕组的电流也相应的增加。而电机绕组电子的电流的增加从某种程度上是对转子的作用，从而对其产生一个加速度，提高了电机的运行速度，而电机运动的加速也会带动电枢反电势的提高[2]。而从另一个方向来讲，电机中的电枢反电势的提高会在某种程度上降低电机转子绕组电流，从而使得转子减速，当反电势的电压变化降至电压电压变化量水平时，电机的该种加速运动便会停止，如反电势的电压再提高则开始一个新的加速周期运动。

    无刷直流电机的降速与加速运动的原理相似。在无刷直流电机的工作电压被降低时，其运行的速度也相应的降低。而在电压降低的那一刻，其电枢的反电势没有任何的变化，但是电压的降低会直接使电机转子绕组的电流降低，从而影响转子的运动模式最终降低其运动的速度，而转子运动速度又作用于电枢电动势，使其也呈现出下降的变化，电机便会以一种新的速度来运动[3]。这种对电机的电压进行影响的方式，能够有效地提高直流电机调速的便捷性，并且该种方式简单且可靠性较高，比交流电机的变频调速等有着较多的有点。无刷直流电机运动的另一影响因素是其负载力矩，当某电机的负载力矩提高而其电压不发生任何变化时，电机的转速会出现降低，反之，转速则会提高。

    对于电动执行器而言，稳定与可靠性是关系其质量的最为关键的因素。无刷直流电机定子采用与交流电机相似的原件，而转子的材料则是永久磁铁，是的直流电机具有运行中的稳定性、使用寿命相对较长等优点。因为永久性磁铁在运动的过程中不会产生热，而以绕线中枢形式存在的定子产生的热量会直接向外散出，因此也不会造成热量的堆积，这对于电机的性能及其使用寿命都有积极的作用。

    无刷直流电机应用于电动执行器时，其电磁力矩对于电动执行器的输出力矩有直接的影响，当我们能够对前者进行有效的控制时也便实现了对后者的控制。电机的该种输出力矩的计算可以通过对电机电气参数的检查记录来完成，在无刷直流电机中，该种检测只需检测电机中的电流便可以计算出电机的输出力矩，再通过相关参数的比较计算得出电动执行器的输出力矩。当我们得到上述相关数值时，便可以以它们作为参考来对电机的电流进行相应的调整，实现对电动执行器输出力矩的科学合理控制。

    2 DSP控制及其特点分析

    DSP是一种性能比较高的数字信号处理器，它是针对电机的数字化控制所设计，就其结构而言，由定点DSP内核与一系列的微控制器外围电路组成。它能够实现对数字信号的高速运算和处理，同电机的更高性能的控制有机集合，在很大程度上提高了电机控制策略修改的便捷度，并且能够实现对一些控制参数的检测和修正以及机器故障的监测、诊断等。将该种控制应用于无刷直流电机中，能够有效的提高电动执行器的作用。其系统的硬件构成如图1所示。

图1 系统硬件构成图

    以DSP控制为基础的无刷直流电机就硬件而言，主要是由定点DSP、外围电路、功率驱动电路及其保护电路等构成。DSP的主控制电路由一个功能相对比较齐全的定点数字信号处理器作为其控制的核心，负责完成直流电机内各种信号的搜集和处理，并且负责整个系统的闭环控制，该种控制核心还以SCI接口的形式来完成控制器和它的上位机的通讯工作。

    该系统的具体工作原理为：无刷直流电机以某种方式启动之后，会以PWM的形式来实现对电机的闭环控制，而在这个控制调节的过程中输入的交流电在经过整流电路时经过转换形成直流电，并且经过稳压之后便成为逆变电路的直流电源。在调试中将系统的电阻设定为1.6Ω，相电感为5.5mH而电压恒定为380V时，若PWM的周期为1ms，以调节PWM信号占空比的方式来实现对开环的调速时能够得到如表1所示实验数据。

表1 实验数据

    从上述数据可以看到两者的线性关系及其对电机控制的效果。无刷直流电机的给定转速通过DSP的一个口来输入，输入之后经过ADI将该种模拟的信号转化成为数字信号，该种信号的转化能够在很大程度上提高其工作速度。电机的换相的控制是由数字信号中的位置信号来完成的，由数字信号所包含的相关位置参数能够计算出电机的转速，我们将计算的结果与电机给定的转速进行比较，并在此基础来进行一定的偏差修正，并且将修正偏差过程中所产生的电流参考量和反馈量进行比较，以比较的结果进行相应的调整，并以对脉冲宽度的控制来实现对控制功率管开关时间的改变，从而实现了对于无刷直流电机的控制。

    该数字控制器中，PWM驱动主电路以智能功率模块的形式来完成驱动与电路保护的功能，在一定程度上优化DSP与驱动电路的工作模式及其接口方式的简化。在DSP中，功率驱动电路实现其控制的电路输出的相应脉冲信号功率的放大，从而实现对于电机中相应部件的驱动，在DSP控制构件的选择时尽可能选择一定电压范围内的，保证满足电机工作需求的同时能够实现欠压保护及其过流保护的作用。

    在电机工作的过程中，通过其的直流电压的高低会对其工作产生直接的影响。当通过电机的直流电压过高时会造成一些功率器件的损坏或者是电机本身的损坏，而电压过低时则会造成电流的增加从而使得开关的损耗提升。从系统安全的角度出发，我们在设计控制系统时选择欠压及电压保护电路的形式。过压保护电路能够将直流电源的电压通过分压电路分压之后再输入到比较器的同相输入端，而反向输入端连接相对固定的电压阀值。在这过程中，我们可以通过电压值和固定阀值的比较来进行电压的调节和控制，电压正常的水平下，比较器所输出的是低电平，而当电压比较高时输出的则是高电平，当高电平出现时电机会停止运动，以保证系统的安全。

    DSP功能的实现是由其不同的结构及其相互间的协作所完成的。其采用的核心部件具有较快的执行速度，高端的结构、流水线式的作业模式以及高速的频率使得其运动周期大为缩短并且能够使多数指令能够在一个周期内完成。DSP中的事件管理器主要是应用于电机的控制模块，它的组成部件包含了周期信号产生及计算等功能。该种控制器中的比较单元及其PWM控制的选择具有较多的输出端，保证了对空间矢量的控制，同时具备相应的逆变器功能，能够实现对无刷直流电机的有效控制。而捕获单元的设计及其元器件的选择能够保证其对无刷直流电机所产生的磁极位置信号的及时准确捕捉，并将其传输到计数器通过计算来体现点击的转速。正交编码器完成有电机相应的编码器产生的相关正交编码信号的统计，并依据该种统计数据来完成对电机位置、转速及其转动方向等的判断，并以此来实现对电机的控制。它设有多个接口，保证其内部交流及其与外部控制的实现，同时保证电路系统内的开关控制的实现[5]。

    3 基于DSP控制的无刷直流电机在电动执行器中的具体应用

    电动执行器是电机控制系统的的一种终端设备，实践中，控制系统要通过他来完成对电机相应生产过程的调节和干预，以提高电机工作的自动化水平。随着科技的进步及其自动化水平的提高，控制系统的功能及其性能等也要随之提升，此外，控制系统对于执行器的可靠性、定位的精确度以及稳定性能、力矩控制等都有了更高的要求。以DSP控制的无刷直流电机应用到电动执行器中，很大程度上体现了自动化发展的水平，也在很大程度上提高了执行器运行的水平，从而保证电机作用的充分实现。

    将DSP控制的无刷直流电机应用到电动执行器中时，最为重要的是构建一个完善的控制系统，该系统包括相应的驱动系统、传递系统等。就驱动系统而言由主电路、控制电路以及电机等来组成，在这一系统中不应包括机械装置。DSP控制系统的构建以当前技术水平为基础，选择性能较高、功能全面的芯片作为其控制的核心部件，以PWM为基础来完善控制管理器。后者负责对一些编程死区的控制，并且完成一些非对称PWM波形的输出等，实现控制的及时性及其科学合理，保证控制效果的实现。DSP控制中还有智能模块IPM它通过与计算机终端的连接，并且利用发达的网络，使其在完成功率开关器件与驱动电路的连接工作时，能够高效的完成电机内相关电压、电流等信号的捕捉和传递，并且能够及时发现电流中存在的一些故障等，保证控制系统及电机工作的正常和安全。控制系统结构如图2所示。

图2 控制系统结构图

    对控制系统作用的实现由软启动、换相逻辑等模块的协调运作来保证。所谓软启动是在系统启动时以PWM的方式来实现对逆变器功率开关的控制，实现平均电压的降低，保证启动电流限制在一定的水平。换相逻辑则是将功率器件按照一定的逻辑打开，使电机实现正反转，并以磁极位置传感器所传递的信号进行组合进行循环调整实现变相控制。PWM的控制则是在充分利用无刷直流电机自身特点的基础上改变通过电机的电压来实现控制。在每相导通的时间不变的前提下来改变其加在线圈上的电压，该种电压的变化能够带来电机转速的变化，从而实现对其速度的调整，该种方法在保证了调速线性度的同时也会带来较大的损耗。为降低该种损耗，可以通过供电方式的改变来实现电压的调整，比如直流电压变换器的使用，但是它在一定程度上带来的成本的增加。而较为经济的方式则是在保证每相导通时电枢线圈电压恒定的基础上，通过改变相导通的时间来实现控制，其本质上是对线圈平均电压的一种改变，也能够实现调速的目的。而无刷直流电机中应用该种方式，也能够有效的实现对于其脉宽等的调节和控制，保证控制的效果。转矩脉动会因为电机的换相呈现出一定的变化，电压的变化带来电流的直接变化，直接作用于电机则会产生较大的换相转矩脉动。该种转矩脉动较大时，会造成电机的抖动，使其寿命降低，而系统的可靠性也随之降低。为避免该种问题，我们采用换相补偿，有效降低该种电机换相所产生的转矩脉动[6]。在工作中，当偏差较大时，该种换相补偿能够进行快速的纠偏，使非线性控制来完成初步的定位，当该种位置的偏差限定在较小范围之后控制器将其转化为线性控制，以实现定位的精准度。

    信息技术不断发展及其自动化技术应用范围不断扩展的背景下，电机的网络控制技术也不断完善，基于DSP控制的无刷直流电机便可在很大程度上实现网络控制。电动执行器中的无刷直流电机系统控制的设计时，便要以网络控制为前提，对系统的接口等进行相对完善的设计。首先要进行各种端口的设计，通过微处理器各种内嵌端口来满足其网络接入及输出的需求。这种网络的设计，将对无刷直流电机的控制形成一个完整的系统，通过控制数据的传输和处理来实现其控制的目标。以模块划分的形式，每个模块传递不同的信号和数据，从而使驱动信息能够传输到控制的主机，实现对整个系统的控制。其次，构建完善的通讯系统，保证系统信号的传输。DSP控制器自身所具有的双向缓冲设计，以自身的使用及其中断位结构特点和功能的发挥来实现其半双工或者全双工的工作。在网络控制的通讯设计时，要考虑其在接收和发送的双向特点，使端口、网络等能够满足其该种需求，保证其控制信息能够通过网络直接传送到无刷直流电机，从而使其控制能够更好地实现。而该种通讯的实现，还需要主机与光纤的连接的保证。在该种网络的设计时，应该使其最大限度的满足主机信号的传播，实现各种控制信息的光纤中的双向移动，并且在这个过程中能够对相关信号进行一定的区别，在信号传输的同时保证整个网络系统的通畅。只有在信息传递上实现迅速和高效，并且信息的网络传播能够使无刷直流电机的控制成为一个完整高效的控制系统，使其在电动执行器中的作用得到更好地发挥。

    在控制系统中，以PWM方式来对转速开环记性控制，能够有效的提高调节控制的水平和线性度，并且能够通过对转速的调整来实现对系统的控制。将DSP控制的无刷直流电机应用到电动执行器中，能够充分发挥无刷直流电机的优势，并且通过数字化控制能够有效提高电动执行器的效率。

    4 结语

    以DSP控制的无刷直流电机，能够充分利用数字化技术所带来的先进性来提高其自身的性能，并且在使用的过程中与完善的网络控制系统相结合，使其控制信号能够更好地传输，实现控制的目标。从其控制系统的构建来看，其控制方式及其控制水平都随着相关技术和元器件的使用而不断的提高，使该种控制更具稳定性和可靠性，能够在很大程度上提高电动执行器的运行质量和水平，保证其正常运作。因其自身具有的稳定性及其数字化的特点，DSP控制的无刷直流电机在电动执行器中有着广阔的应用空间。