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湖 北 民 族 学 院 课 程 论 文 题目： DSP在电机控制方面的应用 专业：电气工程及其自动化 班级： 0309407 学号： 030940724 姓名： 虞建聪 DSP在电机控制方面的应用 摘 要:介绍了TMS3204F240 在电机控制方面的应用及优点TMS320F240 是首片专门为电 机控制应用而优化的工业用单片DSP 控制器该芯片卓越的处理能力及电机控制外 围部件的集成使之为先进的 关 键 词:DSP( Digital Signal Processor ) ; 控制器; 电机控制 1 引 言 DSP 在电机控制方面的应用是一个新领域DSP 是应用高性能的处理器提高对电机控 制精度的一种芯片高速的DSP 主要用在电机无传感器控制和磁场定向控制中, 因为在无 传感器控制中需要用已知的电流和电压实时计算速度和位置, 而在电机磁场定向控制中, 需要把所有的变量以矢量形式转化到与定子旋转磁场同步的坐标系中, 这些都需要进行大 量的运算, 高速的DSP 可以实时完成这些工作在价格上DSP 已经从最初期的几百美元降 到了几美元。

16 位的DSP 的性能也从 5Mips ( 百万次每秒) 提高到了2000Mips包括大 容量片内存储器, 还在片上集成多种外围设备 2 DSP控制器的特点 在DSP 问世之前, 设计者进行传统的电机控制主要使用2 种组合: 用便宜的控制器控 制昂贵的直流有刷电机或用复杂的控制器控制交流电机复杂的速度变量控制器必须克服 转矩耦合,这些非线性电机要求更精确的控制算法以达到直流机的性能因此, 直流机以其 简单的线性控制结构成为早期电机控制的首选然而, 随着DSP在电机控制领域的应用, 已经可做出性价比很高的无刷电机控制器该控制器的计算速度超过Ls 级, 达到了高效、 低成本、安静、高可靠的生产要求, 且在系统中不需要大量的支持电路 数字系统通常包括1 套响应说明( 传递函数) 、受控过程、计算单元、测量系统参数 变量的传感器、A/ D、D/ A 等并且它的计算单元必须足够快, 以在采样结束前完成算法 计算控制器的采样速率一般为受控系统带宽的10 到20 倍实际中, 运动控制要求处理 器执行8~ 20Mips这些要求使对电机进行控制的处理器从 LCs( 微秒级的微处理器) 向 DSP 过渡, DSP 的制造商也开发出了适于电机控制应用的产品。

DSP 控制器的性价比要优 于用在传统高端控制器的LCs, DSP的单周期乘法指令和结果累加器大大加强了其性能T I 公司的16 位定点处理器T MS320F240,就是经过优化专为电机控制开发的 该芯片包括1 个20Mips 的处理器, 2 个10位的A/ D 转换器, 1 个特别用来做控制 的事件管理器采用哈佛结构的双总线形式,T MS320F240 可以在1 个周期内同时取指令 和操作数, 使DSP 的速度提高到LCs 的2 倍以上 3 DSP的控制任务 早期DSP 主要用做控制算法的运算, 现在设计者让控制功能也由DSP 来实现, 则在数 字控制系统中DSP 可以处理所有的工作如DSP 通过对输入和反馈信号进行处理来改善噪 声和不准确的信号该过程对所有的传感器操作都有改善作用, 被誉为/ 智能传感器0 智能传感器价格低、重量轻、可靠性高, 并且和DSP 或微处理器紧密联系因为DSP 可以通过精确的算法产生1 个变量估计值, 如转子位置和磁通, 使系统省去不可靠的传感器, 节约了资金, 可在一些控制中实现无传感器控制 DSP 还可以在高级算法的实时应用上改善系统控制的性能许多控制算法包括自适应、 多变量寻优、学习、自校正、神经网络、遗传算法和模糊逻辑, 都需要由DSP 的速度和性 能来实现。

对于许多系统, 在一般操作之前或当中必须估计一些系统的参数, DSP 有足够 的能力在处理其他任务的同时进行辨识和参数估算 许多电机数字控制系统包括电源信号调节和功率因数校正控制电机的系统, 通常都 采用PWM 方法控制能量转换器, DSP 带有PWM 的产生功能PWM 产生单元消除了DAC, 提 高了供电量先进的算法, 如空间矢量PWM 等需进行的大量运算, 由于采用了快速DSP 控 制器这些运算, 都可以在1 ms 之内完成这些算法提高了电能的利用率并且消除了不必 要的电流谐波, 使电能的质量和信号的环境得到提高在系统运行过程中, 故障的诊断和 保护功能是必不可少的, 由DSP 作控制器的系统能够轻松地实现这些功能另外在许多控 制系统中DSP 还可以实现非控制的功能, 包括与上位机的通信、数字滤波和数据总线的控 制协议( 如SCSI) 等 DSP 可以实现快速精确的变速度和转矩控制, 增大了调速器的调速范围在某些场合 负载可直接连在电机上而不需要其他的液压子装置该特点在汽车上非常有用汽车上液 压装置占用了许多宝贵的空间并且消耗了发动机至少5% 的能量, 动力转向系统就是其中 的一例。

用DSP 控制电子装置实现这些功能, 不但可以节省空间能量和消耗, 而且可以得 到更快的响应在汽车上的其他应用还包括防抱死刹车系统、无级变速装置、悬挂系统等 DSP 在无刷电机控制方面的优越性使其不仅在工业自动化方面的应用剧增而且在白色 家电市场( 如洗衣机和甩干机等) 、办公用品和加热、空气调节器上也大量使用例如在 吹风机和压缩机上DSP 可以用来实现节能降噪, 通过编程控制电机软启动以减小震动、噪 音和磨损办公产品如打印机、复印机等的生产者也用DSP 控制电机实现低成本、高可靠 性、低噪声的产品 4 交流感应电机的控制 在很多领域, 交流电机、直流电机及直流无刷电机的性价比是三者竞争的焦点电力 电子技术特别是DSP 领域的进步使交流电机调速中具备优良性能交流感应电机的磁场定 向控制能实现很好的瞬态控制和稳态控制数字控制器可以精确地控制电机输入电压的幅 值和频率, 如果电机的瞬态响应重要时, 磁场定向控制也可以精确控制电机的瞬态转矩和 速度对交流感应电机应用无速度传感器控制时, 节省费用并使可靠性也得到了提高复 杂的电机控制算法如自适应控制也需要用到DSP 的强大运算能力来保证实时性。

DSP 也适 合对直流无刷电机进行控制三相直流无刷电机的简单结构使其越来越受到欢迎, 首先它 没有电刷不需要定期进行维护, 它的线圈在定子上对散热要求比较低, 另外直流无刷电机 可以获得相对较好的转矩控制1 个三相直流无刷电机在转子上有 2 个、4 个或更多的永 磁极,定子绕组用来产生要求的旋转磁场, 它的三相必须在控制器的控制下正确换相, 换相 的次序由转子的位置进行控制, 因此控制器需要算法去感知使用这些位置的信息, 产生正 确的换相顺序在定子上加装霍尔传感器或位置编码器获取位置信息, 然后对其进行译码 以控制相电流的方向和顺序无刷直流电机驱动系统必须保持适当的相电流大小高速时, 电机的反相电动势限制着相电流, 但在低速时, 反相电动势接近于0, 因此必须采取其他 的一些措施如关闭电流反馈环来保持电流所以直流无刷电机控制系统不但要有相电流的 信息, 还要产生适当的PWM 信号保持电流的幅值另外, 在紧急情况下系统应该能够禁止 所有的PWM 通道以保护系统DSP 有足够的计算资源处理这些复杂的实时请求5 开关磁阻电机的驱动 电力电子技术的发展使得开关磁阻电机驱动系统得到广泛的应用开关磁阻电机驱动 系统在很宽的调速范围内都有很高的效率, 并且不需要复杂的功率转换器, 转子上没有绕 组, 占用空间小。

采用双凸结构, 即定子和转子都有突起的极定子上有集中的绕组, 转 子上即使没有绕组、笼条, 也不是永磁结构把定子上正相相反的绕组串联连接形成一相, 给定子磁极对通以能置则转子对应的极对向着它运动以减少磁路中的磁阻不断给连续的 定子相通电, 电机就会形成1 个旋转方向上的转矩, 驱动电机转动开关磁阻电机是高阶 非线性的, 运行性能依赖于能否正确选择与转子位置相关的相电流当控制器给定子一相 通电时, 对应的转子极要接近定子极, 这个位置就产生了转矩, 因此必须知道转子的位置 才可以进行控制用DSP( 如TMS320F240) 组成的控制器非常适合于开关磁阻电机驱动的 控制如果对1 个四相开关磁阻电机进行控制, 就需要6 个独立的通道TMS320F240 提 供了9 个独立的PWM 通道, 每个通道都有单独的比较寄存器, 通过对其写入操作可以改变 PWM 的占空比而转子的位置可以直接通过DSP 的QEP 接口或数字I/ O 口输入通过外 部中断引脚可以禁止所有的PWM 通道以防发生事故 6 功率因数的校正 三相电压型PWM 转换器利用DSP 的A/ D转换和PWM 生成单元进行功率因数的校( PFC) , 应用到电机控制上可以改善功率信号的状况, 减少了误操作的发生。

电机驱动应用改善的 转换器提高功率因数, 这种功率因数改善电路的使用要求交流电输入电压、直流电流和直 流输出电压作为反馈输入到系统, 控制器通过对它们的处理得到合适的PWM 方式如果把 功率因数校正应用在电机控制系统中, 就可以去掉专门的校正电路使控制方案中的元件变 少, 增加系统的可靠性PFC 也可以用到开关磁阻电机或感应电机的驱动上 7 结 语 DSP有许多专用的外围设备和高的执行特性, 使其成为了电机控制系统最好的芯片, 随着DSP的不断发展使电机的无速度传感器控制器、智能控制器的性能越来越好, 以及机 械和液压装置的去除都可以成为现实综上所述, DSP 非常适用于电机控制, 随着对DSP 功能的不断开发,在电机控制上将取代单片机而获得巨大的发展 参考文献: [ 1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[ M] . 北京: 机械工业出版社, 1990. [ 2] 许大中. 交流电机调速理论[M ] . 杭州: 浙江大学出版社, 1991. [ 3] Hisao Kubota, Kouki Matsue. DSP-based speed adaptiveflux observer of induction motor [ J] . IEEE Trans Ind.Appl, 1993, 29( 2) : 36- 40. [ 4] J. Dubovsky . Fully digital controlled IM drive w ithunity power factor [ C] .Pr oceedings 9th EDPE ( 9thI nternat ional Conference Electrical Dr ive and Pow erElectro nics Dubrovnik Croatia, 9- 11. [ 5] 陶红明, 等. 基于DSP 的全数字化异步电动机直接转矩控制系统[ J] . 电气传动, 1997, 18( 4) : 3- 6. [ 6] Xingy i Xu, Do nald W. Implementation of direct statorflux orientation contr ol on a versatile DSP basedsystem. Nov otny[ J] . IEEE, Trans. On IA, 1991, 4.。