刘水
中节能（临沂）环保能源有限公司 山东省临沂市 276000
摘要：电机控制包括速度控制、位置控制以及力矩控制等多项功能，通过DSP这一高性能数字信号处理芯片，可以有效地提升电机控制的效率。电力控制中的DSP芯片主要应用在磁场定向及无传感器控制中。因无传感器控制需要通过已知电压及电流对所在位置及速度进行计算处理，但是在磁场定向控制中，则是将所有变量以矢量的形式，可以转化到定子旋转磁场的坐标中，DSP在这一过程中实现高速运算处理，确保以上工作的实现。
关键词：电机控制系统；DSP；应用
1、DSP的工作原理及特点
DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片，其有着强大的数据处理能力和高运行速度。
2、电机DSP控制系统的优越性
2.1 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。
2.2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。
2.3 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。
2.4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。
3、基于DSP的电机控制方式
3.1单DSP系统
目前利用DSP来实现复杂控制算法的应用很多。如无速度传感器的矢量控制、直接转矩控制等。它采用基于DSP的矢量控制方法来控制交流异步电机。其原理是利用坐标变换将电机的三相坐标等效为两相系统，经过按转子磁场定向的旋转变换实现对定子电流励磁分量与转矩分量之间的解藕，达到分别控制交流电机磁链和电流的目的。系统充分利用了DSP的高速运算能力和丰富的外设资源，实验结果表明系统精度高，动态响应快。
3.2双DSP系统
双PWM控制系统分别对整流和逆变器采用PWM控制，但电机采用的是恒压频比控制，可进一步改进。其一用于控制整流逆变器，另一个采用直接转矩的方法控制电机将有更快的响应速度，更高的精度。二者之间可以SCI通讯端口连接。这样减小了谐波污染，提高了变频器的控制性能。
3.3 DSP与PC组合系统
双DSP控制的双PWM控制系统是以光盘机高速数字伺服控制应用为目标的通用系统。DSP作为系统的快速处理的执行者，以尽量快的速度完成算法的实现。它由PC、高性能DSP、64K字的程序存储器和64K字的数据存储器组成。采用共享存储器的方式构成PC-DSP多处理器系统。系统不仅提供了一个完整的硬件环境，以实时运行一个真正的数字控制，而且实现各种先进的控制规律，如在设计控制器由于系统的高速数字控制能力，通过S域的变换，模拟控制器也能在其上应用、重构和评价。
4、DSP在电机控制系统中的具体应用
4.1基于DSP的电机控制系统串行通信设计
在电机控制系统中。通过上位机客户端设置电机的运行参数，并且被控电机将各种运行状态信息实时地传给远程控制端客户。采用串行通信设计的电机控制系统连线少，成本低，简单可靠，得到广泛应用。韩芝侠等分析数字信号处理芯片TMS320LF2407A DSP串行外设接口SPI和串行通信接口SCI模块。他们通过SCI串行通讯接口连接DSP控制器与PC机，控制人员使用数码显示驱动电路确定电机的转速、温度等信息，利用SPI同步串行口来实现了DSP与外围设备的通信。该电机控制系统，系统软件及通讯协议设计通过初始化设置所需操作参数，设置发送和接收波特率及中断方式等。
4.2基于DSP的多电机控制系统
在生产和制造过程中经常会遇到多电机控制问题，采用“一对一”方式的DSP控制器、逆变器和电机的方式增加了系统成本和复杂性，降低了系统的稳定性和可靠性。贺洪江等针对这一问题，提出一种基于DSP的多电机控制系统的设计，通过SVPWM方法实现对2台电机的变频调速控制，使用1片DSP芯片实现了对2台异步电机的控制，并给出了系统主要硬件电路和软件的实现方法。该系统以DSP芯片为核心，通过外部电路协调控制2台电机。电压、电流及电机转速信号经DSP通过调速控制算法转变为控制信号，传送至逆变器控制电机转速，实现了对两台电机的启动/停止、转向和调速等控制，也能实现过流保护、过压保护、欠压保护等功能。此外，该设计方案的控制系统降低了硬件成本，显著提高了系统的可靠性，具有良好的使用价值与应用前景。
4.3基于DSP的平面电机控制系统设计
平面电机由一个齿状结构的定子和一个带位置传感器的动子组成，具有结构简单、速度高、稳定性强、控制精度高等特点，还有偏航控制、自动校正、误差补偿、停滞检测等独特功能。李晓飞等设计了基于DSP的平面电机控制系统。其控制系统由平面电机、控制器模块、位置反馈模块、电源模块、驱动模块以及人机交互界面组成，采用高集成度的运动卡实现平面电机三自由度同步控制，完成采集电流信号、AD校正参考电压、位置信号、输出PMW信号、数字滤波、位置伺候控制等。该系统的控制软件由DSP实现，具备远点归位、主轴控制、状态管理、状态采集等功能。平面电机易以Y轴点对点方式运动进行精度测试，系统运行稳定，达到系统各项指标。该设计系统采用一块DSP芯片实现了平面电机的二维控制，系统结构简化、外围电路简单、开发成本低。
4.4基于DSP的直流无刷电机控制系统
直流无刷电机兼具直流电机和交流电机的优势，调速性能好、结构简单、控制容易、运行效率高等。王延奇等对基于DSP的直流无刷电机控制系统做了深入研究。他们根据自整定模糊-PID控制器，建立了基于自整定模糊-PID控制器的直流无刷电机的控制系统仿真模型，并对该系统的起动、运行、突减负载、突加负载等过程做了仿真研究。该系统硬件部分包含DSP接口电路、三相逆变电路、功率驱动电路、逻辑控制电路及保护电路等主要设计。该系统响应平稳、快速，具有理想的反电动势波曲线。
结语：电机控制是DSP应用的主要领域，高性能的芯片可以实现控制系统中的复杂控制算法，大大提高了控制系统的控制精度，在实时性和精度要求较高的场合有广阔的应用前景，大量的面向电机控制而集成的外设使得控制系统的硬件结构变得十分简单，在此基础上构成的运动控制，外围电路少，可以极大地降低控制系统的硬件成本。
参考文献：
[1]张琪,李亚芳,杨建成.单DSP控制双永磁同步电机的矢量控制技术研究[C]//中国航天第三专业信息网第四十届技术交流会暨第四届空天动力联合会议论文集——S02液体推进及相关技术.2019.
[2]冷雪敏,张津华,许傲然.基于双DSP的异步电机PWM控制系统设计[J].电子世界,2019(16).
[3]逵振雨,高峤,张林,等.DSP在电机控制中的应用研究[J].建筑工程技术与设计,2018,000(005):2821.