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摘要：电机在各种电气传动和位置伺服系统中占有极其重要的位置,可以实现速度控制和位置控制。随着高性能电机控制系统也在不断地更新，尤其是将DSP技术运用到电机控制之后,硬件的统一性与软件的灵活性可以有机结合,电机的全数字化及集成化控制成了电机控制的发展方向。本文分析了电机DSP控制技术应用的必要性和可行性，并对电机的DSP控制系统进行了总体设计研究。
关键词:DSP；控制技术；可靠性
1设计电机DSP控制系统的必要性及可行性
电机控制系统中,通常存在模拟信号和数字信号,既有连续信号,也有离散信号,多种信号的处理比较复杂。同时在一些控制系统中,执行机构或是驱动电机并不是只有一种电机,如果单独设计控制器,就需要更多的元器件,从而整个系统变的复杂,可靠性降低。单独设计的控制器也可以满足系统的要求,但是这样会使影响系统性能的来源增加,对系统的安装、测试等就造成了诸多不便。同样在一些更加复杂的系统中,如果使用的电机种类更多,则对电机控制的要求也越高。为此,有必要设计电机控制系统平台,可以同时实现对多个或多种电机进行控制,从而使控制系统更简单、可靠。
传统的数字控制系统通常以单片机或微机为核心,而以DSP为核心的电机控制系统则具有更高的精度和速度、具有逻辑控制功能和各种中断处理等更强大的处理及计算能力。随着大规模和超大规模集成电路技术的发展,DSP芯片的功能将会越来越强。在DSP应用到电机控制中后,全数字控制系统成了当前电机控制的发展方向。同时以DSP为核心的控制系统的以下特点也使设计电机的DSP控制系统更加可行了。
（1）DSP采用哈佛结构或改进的哈佛结构,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,如优化控制、智能控制等现代控制理论和算法的应用。
（2）可简化电机控制器的硬件设计,重量低,体积小,能耗低。
（3）DSP芯片内部设计保证元器件的稳定性和可靠性,从而会使整个系统的可靠性提高。
（4）硬件的统一性和软件的灵活性可以有机结合,DSP电机控制电路可以统一 ,针对不同的电机只需设计和编写不同的控制规律即可,从而使系统具有很强的灵活性。
2电机控制系统的硬件平台设计
2.1电机控制系统的总体设计
本电机控制系统属于数字控制系统,硬件电路主要由供电电路、功率电力电子电路、信号处理电路、DSP控制器电路等组成,每部分电路在一块电路板上。系统的总体框图如下图2-1所示。
供电电路(电源板)主要负责给其它各个电路模块提供工作电源,其输出电压有+27V、士15v、士5V,且在设计中考虑了带负载能力。
功率电力电子电路(电机驱动板)完成对电机的驱动控制,包括功率桥及其驱动电路、桥臂的制动控制电路等。此模块上带有三相全控桥式逆变电路,三个桥臂的驱动电路也相互独立。
信号调理电路(信号调理板)完成对各种传感器及采集回来的信号的处理,主要包括采样的电流电压反馈信号、给定的控制信号等模拟量信号以及霍尔传感器的输出等开关量信号,经调理电路处理后,使各种信号的幅值及其电平可以满足DSP控制器的要求。
DSP主控制电路(控制板)以TMS320F2812为核心,完成对各种信号的处理以及系统的闭环控制,并通过SCI接口实现控制器与上位机的通讯。该控制器带有各种调试电路接口,且可以输出多达的12路PWM信号,即可以同时控制两块电机驱动板。
2.2 DSP控制电路的功能
控制电路是电机控制系统正常运行并实现各种功能的指挥中心,它主要完成以下功能:(l)输出电机控制的PWM调制信号、正反转信号以及制动控制信号。为驱动电路(无论配置为H桥或三相全控桥)的各个开关管提供斩波信号和选通信号,实现对电机的速度、力矩、正反转等控制。(2)产生PWM调制信号,使电机的电压随给定速度信号而自动变化,实现电机开环调速控制。(3)采集各种传感器以及反馈信号,对电动机进行速度闭环调节和电流环调节,使系统具有良好的动态和静态性能,使之满足系统控制的要求。(4)实现短路、过流和过压、欠压等故障保护功能。(5)通过SCI与上位机进行通信。
2.3硬件可靠性设计
在控制系统中,各种干扰是客观存在的。主要有来自系统内部和外部的各种电气干扰。电机控制系统同样存在比较大的干扰:一方面,电动机本身会产生电磁干扰(EMl)信号;另一方面,逆变器中的功率半导体元件是以开关方式工作的,且工作频率比较高,会产生大量高频谐波;这些干扰信号通过“场”或“路”的方式传递到控制电路中,如果不采取有效措施加以避免,就可能使电路或程序工作紊乱。在系统的硬件中,主要采用了以下方法来防止干扰:
(l)电源噪声干扰的抑制。一般来说,这种干扰是无法完全克服的,只能尽可能的减小干扰脉冲的幅度。在设计电路时在VCC与GND之间跨接10-1000μF的电解电容,同时并联滤除高频信号的小电容,在低频信号的传输通路中加入RC低通滤波器,可以大大削弱各类高频干扰信号。
(2)由于干扰抑制受到设备的体积、成本等多种因素的影响和限制,是不可能完全抑制掉的,只能尽量减小。因此,在控制系统电路的内部设计上必须采取相应的措施,保证系统运行的可靠性。通常的做法有:添加硬件看门狗电路;尽可能使用单片机的内部程序存储器和内部数据存储器而不使用外部总线;在进行系统扩展时,特别在一些模块化设计中,数据总线,控制总线形成板与板的连接时,添加总线驱动器。在总线上加光电隔离电路时,必须选用高速光祸。
(3)控制部分的PCB板整板敷铜,在电路各部分中配置去祸电容。PCB上的器件要合理布局,减小各级之间的电磁辐合。将强、弱电严格分开,引线尽可能的短;在有互感的线路中间置一根地线,起隔离作用,并保证相互之间有一定的距离。电源线的走向尽量与数据传输方向一致,接地线尽可能的加粗。
(4) 外部噪声源干扰的抑制。传感器及其信号连线应尽量远离高电平大功率的导线和元器件(如变压器、功率管等),以减少噪声和电磁场的干扰。为了实现物理隔离,即使在同一设备内部,也应该把这两类信号导线分开走线,远距离走线时,更应该注意把信号电缆和功率电缆分开,并保持一定的距离。
(6)空间场干扰的抑制。系统采取的措施主要有:选择较高等级的电子元器件,提高器件的抗干扰能力;系统的外壳采取特殊的抗干扰材料,经过特殊处理,增强其屏蔽性;正确的接地方法,将数字地,模拟地及功率地分开,最后只在一点相连。
3结语
总的来说，在军工、机械等多个领域中，电机控制系统的不断推广，使生产效率得到大大提高，特别是DSP技术的合理应用，大大降低企业生产成本，使电机控制系统的整体性能得到全面提高，对于推动电机控制智能化发展有着重要影响。
参考文献:
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[3]伍艮常.基于DSP的无刷直流电动机控制系统的设计[J].组合机床与自动化加工技术 ISTIC PKU，2010，1.
论文作者:程伟真
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/26
标签：电机论文; 信号论文; 控制系统论文; 电路论文; 系统论文; 干扰论文; 控制器论文; 《电力设备》2017年第5期论文;