米广庆
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市150066
摘要：直流无刷电机是功率半导体和永磁材料一体化的新型电机，它既具有直流电机优良的调速性能，又具有交流电机结构简单、易于控制、运行效率高、运行可靠、维护方便等一系列优点。目前，在工业控制领域尤其在调速和伺服领域中得到了越来越广泛的应用。为了适应这种需要，许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器(DSP)。现在，通常使用的电机控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成。这种方案可以根据不同需要，灵活地设计出性能很好的专用电机控制器。为此，选用了Freescale公司开发的DSP芯片MC56F8323作为电机控制核心，设计了该直流无刷电机控制器。
关键词：DSP，直流无刷电机，软件设计
直流无刷电动机(BLDCM)控制系统是一种新型的调速系统。该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。本文以无刷直流电动机为控制对象，应用DSP为微处理器进行了无刷直流电动机控制系统的软件设计。无刷直流电动机控制系统是具有数字化特点的电动机控制系统。通过数字信号处理器与相关模拟电路的组合，实现对电机控制的数字化处理。
一、直流无刷电机工作原理：
直流无刷电机的控制系统主要由永磁无刷直流电机、整流器、逆变器、位置传感器和控制器几部分组成。相绕组分别与功率MOS管相接．磁极位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接。无刷直流电动机的工作是通过逆变器功率管按～定的规律导通关断，使电机定子电枢产生按600角度不断前进的磁势，带动电机转子旋转实现的。逆变器功率管共有6种触发组合状态．每种触发组合状态只有与确定的转子位置相对应。才能产生最大的平均电磁转矩。两个磁势向量当其夹角为900时．相互作用力最大。而电子电枢产生的磁势是以600角度前进，因此在每种触发模式下．转子磁势与定子磁势的夹角在120—600之间变化才能产生最大的平均电磁转矩。
二、直流无刷电机的应用
无刷直流电动机在先进国家已大量应用于办公设备、家电业、信息业、军事、手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁旋浮列车等生产生活的各个领域：(1)无刷直流电机在办公自动化领域的应用。计算机外设和办公自动化设备用的电机，绝大部分为先进制造技术和新兴微电子技术相结合的高档精密永磁无刷电动机，是技术密集化和高投资类产品。(2)无刷直流电机在家用电器中的应用。随着人们生活水平的提高，许多家用空调压缩机和洗衣机内的电机都选用了无刷直流电机。吸尘器、搅拌机和家用电风扇也有望采用无刷直流电机代替目前使用的电机，这样不仅能克服目前所用电机的缺点，还能降低能源损耗。 (3)无刷直流电机在工业上的应用。由于永磁无刷电动机驱动控制系统集有刷直流电动机和交流异步电动机驱动控制系统的优点于一体，并随着稀土永磁材料和电力电子元器件价格不断降低，性能不断提高，目前工业中使用永磁无刷电机驱动控制系统越来越多，该系统将是主要的发展方向。(4)无刷直流电机在军事上的应用。无刷直流电机以其在效率、重量和体积、噪音和振动、电磁兼容性(EMC)、可靠性、故障排除以及造价等各方面的优势，已大量应用于作战舰艇的电力推进系统。
三、DSP的直流无刷电机控制器的软件结构设计
1、软件结构。整个系统需要完成的功能是实现对电机的控制，通过人机交互界面(LCD、LED、按键)实现对系统参数的设置，所设置的系统参数包括电机最高转速、加速斜率等。当脚踏板有中踏转为前踏时，电机启动，并又踏板的偏移量决定电机转速；恢复中踏位时电机快速停止在固定位置。根据性能需求启动／停止控制模块、速度控制模块、异常处理模块；控制算法模块各模块关系如图所示。
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该系统经过分层、分模块的结构化设计后，其优点体现如下：
（1）模块独立性强，模块功能单一。各模块完成相对独立的子功能，由于主要以硬件原理来划分各模块，使得每一模块与其它模块之间的耦合主要是数据耦合!耦合度比较低，而内聚度都很高，信息隐蔽!具有较强的可修改性、可测试性和可移植性。
（2）模块扇入大，扇出小。由分层式结构原理可知，越低层的通用性越高，所以控制算法模块复用程度非常高，而各模块所调用的其它模块均不超过两级具有比较小的扇出。
（3）由于该系统控制的电机用于工业平缝机，其工作状态有 多种组合形式，模块化能将冗余工作减到极小，提高工作结果的可靠性，大幅度缩短软件开发周期。
2、控制软件的编制
（1）显示模块。当按键处理模块、速度控制模块和异常处理模块需要将相应的信息反映给用户时，首先设置更新显示标志，然后将该信息发送给显示模块，显示模块根据输入的信号在预先设定的显示表中查找对应信息并输出。
（2）按键处理模块。该模块的输入定时器中断信号以及来自用户的按键信号，输出操作状态、系统参数以及显示更新标志定时器每10ms送出一个中断信号，触发按键模块进行一 次按键采集，当采集到按键信息时，修改用以记录各按键信息的局部数据，读取并更新操作状态#系统参数以及显示更新标志。
（3）脚踏板信号处理模块类似于按键处理模块，输入信号有定时器中断信号以及脚踏板的位置和偏移量信号!输出脚踏板位置数据和经过 A/D转 换后的偏移量数据。定时器每10ms送出一个中断信号，触发脚踏板信号进行 一次采集!当采集到脚踏板位置改变的信息时，更新脚踏板位置数据!输出到启动停止控制模块。当采集到偏移量信号时，通过MC56F8323的A/D转换模块，转换成0-225 的偏移量数据，输出到速度控制模块。
（4）启动停止控制模块。启动停止控制模块接收来自脚踏板的位置数据，另外在停车处理时还要接收编码器中断信号。输出PID控制参数到控制算法模块实现对电机的启动停止。当脚踏板位置数据是由中踏位到前踏位时，先检测电机当前的运动状态，根据不同的状态输出相应的PID控制参数到控制算法模块，以进行启动电机等操作。当脚踏板位置数据是由前踏位到中踏位时，先启动降速检 测，并计算出相应的停车位置，整个过程中需要借助编码器和定位器中断信号来确定当时的运动速度以及缝纫机的针的位置，以此来选择不同的PID控制参数输出到控制算法模块，以进行快速停车及定位控制等。
（5）速度控制模块。速度控制模块主要有两项功能，一是根据踏板偏移量数据的变化结合当前所设定的操作状态和系统参数，动态计算并调节电机转速； 二是根据定位器和编码器中断信号得出单位时间的累积脉冲数，以此计算出当前的电机转速，并将该值输出到显示模块。可见该模块的输入有踏板偏移量数据、定时器和编码器中断信号#操作状态值和系统参数，而输出则为PID控制参数和当前速度值。
（6）控制算法模块。控制算法模块主要利用DSP在数字信号处理方面专用的结构和硬件逻辑，用程序实现控制电机所需要的各种自动控制算法。其输入为启动停止控制模块和速度控制模块所送出的PID控制参数以及电流传感器的电机电流信号，而输出则为不同占空比的PWM脉冲信号。
（7）异常处理模块。异常处理模块主要通过定时对各项有可能检测到的异常信号源进行监控，其中包括过压、堵转、掉电以及定位器异常等情况。当异常情况持续特定时间时该时间根据所检测的项目不同而异，得出异常值，然后通过查找预先设定的异常处理表，调用相应的异常处理动作序列并将该异常代码输出到显示模块。
通过采用MC56F8323 DSP为核心的直流无 刷电机控制器的软件结构设计，此设计已成功运用在国内某工业平缝机上，性能稳定，部分指标达到行业内领先水平。
参考文献：
[1] 刘志强．基于DSP的高性能无刷直流电动机数字控制系统[J]．上海海事大学硕士学位论文．2019，6：28—40.
[2] 李晓斌，张辉，刘建平．利用DSP实现无刷直流电机的位置控制[J]．机电工程．2018，10.
[3] 韩安太，刘峙飞，黄海，DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[J].清华大学出版社，2018.05