基于DSP的无刷直流电机控制系统设计

葛俊峰

（集宁师范学院 科研设备处，内蒙古 乌兰察布 012000）

摘 要：随着电力测控技术以及电子技术的飞速发展，无刷直流电机得到了广泛应用，其体积相对较小、运行效率较高、运行平稳可靠、维护十分便捷，凭借这一系列优势，无刷直流电机在工业控制领域应用及其广泛.本文主要阐述了基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计，主要包括的硬件设计和软件设计两方面.所设计的控制系统主要采用触摸式一体机作为系统控制的上位机，选用专门为电机的数字控制所设计的DSP芯片TMS320LF2407A作为下位机，此芯片作为控制的核心部分，通过上位机与下位机的通讯配合完成无刷直流电机的整体控制.

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关键词 ：DSP；无刷直流电机；控制系统

中图分类号：TM302文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）01-0047-02

1 引言

随着电力测控技术以及电子技术的飞速发展，无刷直流电机广泛应用于工业控制的各个领域.随着现代工业的不断发展，对无刷直流电机控制系统性能的可靠性要求也逐渐提高.所以，开发设计具有响应速度快、控制精度高、调节能力强的无刷直流电机控制系统具有非常重要的意义.无刷直流电机具有体积小、运行效率高、运行平稳可靠、维护便捷等性能，因此它在计算机外围设备、医疗器械、智能家居、交通运输、机械制造等领域都占据着重要的地位，它替代了其它种类的多种电机.所以，对无刷直流电机的研究以及应用都得到了广泛的重视，目前对其进行更加深入的研究以及设计已经成为了电机控制领域的一大热点.

2 无刷直流电机的工作原理

无刷直流电机主要由三部分组成：电机本体、转子位置传感器以及电子开关电路.

2.1 电机本体

电机本体是由主定子和主转子构成.主定子是电机的静止部分，主定子包括主定子绕组以及主定子铁芯，其中主定子绕组由漆包线绕制构成，主定子铁芯由硅钢片叠成.在电机本体中，主定子绕组其最重要的部分，在绕组中有电流通过时能够产生磁电动势，与转子产生的磁场，这样的相互作用来使得转子旋转；主转子是电机的转动部分，是用来使得电机中产生励磁磁场，主转子通常由永磁体、导磁体以及支撑部件构成，永磁体以及导磁体是用来产生磁场元件，支撑部件是转轴以及轴套等支撑转子的部件，实现对永磁体以及导磁体的固定.

2.2 转子位置传感器

转子位置传感器是为了实现无刷直流电机的无接触换向，这一传感器相当重要，它是无刷直流电机中的最关键部分，转子位置传感器包括静止部分和转动部分，即定子和转子，无刷直流电机的转子磁极位置是通过转子位置传感器来测定的，通过测定准确位置来为电子开关电路提供准确的换相信息.

2.3 电子开关电路

电子开关电路主要由功率管、驱动电路好转子位置信号处理模块组成，用来配合转子位置传感器对电机本体定子的各相绕组的通电时间以及顺序进行控制，着也是无刷直流电机实现无接触换向的重要部件.电子开关电路把转子位置传感器输出的信号进行解调并进行功率放大来触发功率管，为电枢绕组提供信号，使得电枢绕组遵循一定的逻辑顺序进行导通，这样来确保无刷直流电机按照一定规律可靠运行.

无刷直流电机的系统基本结构如图1所示.

3 控制系统硬件设计

3.1 控制系统硬件总体构成

本控制系统选用触摸式一体机机作为上位机，实现人家对话，从而完成数据信息命令的发送并能够对电机运行状态进行实时监控，下位机采用DSP芯片以及无刷直流电机专用的集成控制芯片MC33035构成，用来输出控制信号对电机进行控制和驱动电机.整个控制系统选用PWM的方式来控制电机的转速，并选择霍尔位置传感器来检测转子的位置，功率变换器件选用的是MOSFET场效应管.控制过程中DSP芯片能够采集到电机实时转速，并根据电机的实际转速信息，来修正上位机所给出的设定速度，从而实现整个系统对电机转速的闭环控制.集成控制芯片MC33035用来执行DSP芯片输出的控制指令，从而输出控制电机转速、转向以及启停的控制信号.

无刷直流电机控制系统硬件部分主要由三部分组成：控制部分、驱动部分以及检测部分.无刷直流电机控制系统的硬件构成如图2所示.

3.2 控制系统的设计

控制部分(DSP)：主要用来处理来自上位机的控制信号以及来自传感器的反馈信号，并且处理后经这些信号通过光电隔离处理后，传送至驱动单元，从而驱动电机的转动.DSP主控板是由TI公司专门为直流电机控制和运动控制的数字化实现而设计的，DSP芯片TMS320LF2407A是控制电路的主控芯片，通过与其配配合的外围电路组成成控制系统，其中外围电路主要包括电源转换电路、JTA仿真接口电路、时钟与复位电路、上位机通信电路以及存储器扩展电路等.

驱动部分：主要用来完成驱动控制无刷直流电机.驱动部分的核心是MOTOROLA公司所生产的专用集成控制MC33035芯片，它用来接收霍尔位置传感器反馈的位置信号并加以处理，来确定无刷直流电机转子的准确位置，为控制系统提供驱动输入的时序，从而实现功率管的开关控制，并且接收DSP芯片主控电路所发出的控制信号，并进行相应处理，从而实现对电机的转速、转向以及启停的控制.系统选用IR公司生产的IR2130功率驱动系统对功率逆变器进行驱动，MC33035芯片将位置信号处理后的换相信号发送给IR2130功率驱动电路，从而驱动三相桥式功率逆变电路.

检测部分：用来实现对无刷直流电机的定子电流以及转子位置和转速的实时检测.接在三相全控桥式功率逆变电路中的采样电阻来实现对定子电流的检测，MC33035内部的转子位置译码器对电机内部的三个转子位置进行检测.

4 控制系统软件设计

无刷直流电机控制控制系统的软件部分分为上位机和下位机.上位机由触控式一体机构成，主要实现人机对话，上位机程序设计是采用C#语言进行编程开发；下位机是由DSP应用程序和控制算法程序来进行设计，是在TI公司的DSP集成开发环境下开发完成.

4.1 上位机设计

上位机启动人机监控界面后，第一步是进行串口通讯设置，建立与下位机DSP的通讯协议，接着进入监控界面，进行对电机的运行状态信息进行监控，并将控制、调试命令通过串口与DSP芯片的控制器进行数据通信，并对电机运行时的各种实时参数进行修正，上位机程序界面中将DSP所上传的转速实时数据显示在相应位置，并可绘制出实时变化的曲线，从而实现对电机状态的实时监控功能.

上位机监控界面采用用C#语言为开发工具，通过界面设计以及程序的编写，来实现具有能够监控电机实时运行状态的人机界面的软件.操作者通过该上位机软件，既可以读取出电机的实时运行状态、转速等信息，也可以通过命令输入或者控件按钮等发送启、停、转向等指令，从而时间电机状态的改变.

4.2 下位机设计

上位机一体机要实现与下位机DSP控制器的通信，上位机需要将转速设定值以及转向信号、启停信号等通过数据传输线传送给给DSP控制器，DSP控制器要将电机的实时状态信号传送到上位机.

DSP控制系统下位机软件是采用模块化的程序思想进行设计，再根据系统功能需求，将下位机程序分为多个不同的功能模块，这些功能模块互相独立，不受影响，实现不同的功能.本系统下位机DSP程序设计模块主要包括：主程序、初始化子程序、中断服务程序、转速检测子程序和模糊PID控制算法子程序等，每个子程序模块分别实现不同功能.

5 总结

本文完成了以无刷直流电机专用集成控制芯片MC33035为核心的基于DSPD无刷直流电机控制系统的设计，设计出整个系统的硬件电路，并设计编写DSP应用程序以及控制算法程序，并采用C#语言编写了上位一体机监控人机界面，从而实现了对电机运行的各种实时参数的显示，以及控制信号的输入，从而实现了对无刷直流电机的有效控制.

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参考文献:

〔1〕张焱．基于DSP的无刷直流电机高性能调速系统的研究[D]．西安电子科技大学，2007.

〔2〕张红涛．DSP在无刷直流电机控制系统中的应用[D]．河北工业大学，2006．

〔3〕谢宝昌，任永德．电机的DSP控制技术及其应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．249-260．