刘志安

摘 要：为了实现自动化控制，在电机控制系统中添加了DSP技术，将其称为自动化控制技术。DSP数字信号处理技术能够采用计算机数字信号的方式输出信号命令，从而实现远程电机操作。研究了DSP技术，并探讨了其在电机控制中的应用。

关键词：交流电机；电机控制；DSP技术；信号处理

中图分类号：TM34 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.141

1 DSP简述

DSP中文名为数字信号处理，是Digital Signal Processing的缩写。在电机控制中，DSP通常是以数字信号处理芯片的形式应用的，而数字信号处理是近几年才发展起来的一门学科，尤其是计算机等技术的发展，使 DSP被广泛应用于计算机领域。与传统的模拟信号相比，数字信号处理采用的是提取信息点的方式。在模拟信号中，可以直接提取现实信息，而在数字信号处理中，是通过一些特殊的数学处理，提取现实中的信号关键点，这样获取的信息量虽然比较小，但是，得到信息的效果并不受影响。在数据传输的过程中，由于承载的信息量较小，传输的效率就得到了很大的提升，而这种传输效率的提升正符合现在无线发展的需要。

在电机控制领域，TI公司推出2000系列的电机控制DSP。TMS320F2812属于最新的高端产品，适合应用于工业控制、机床控制等高精度生产中。目前，2000系列芯片在电气传动中的应用主要是以TMS320LF240X为主，应用TMS320F（C）28X的比较少。28X系列的DSP与24X系列的DSP相比，具有更多的外围控制接口和更丰富的电机控制外设电路、更高的主频，指令时间仅为6.67 ns，流水线采样最高速率为60 ns，12位A/D转换通道16个，PWM输出道12个。资源足够同时控制2台三相电机，大大降低了控制系统的价格，缩小了其体积，提高了其可靠性，以便其可以在高度集成的环境中实现高性能电机控制。

2 基于DSP的电机控制方式

2.1 单DSP系统

目前，利用DSP实现复杂控制算法的应用有很多，比如无速度传感器的矢量控制、直接转矩控制等。它是采用基于DSP的矢量控制的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，进而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，该系统精度高，动态响应快。

2.2 双DSP系统

双PWM控制系统分别采用PWM控制整流和逆变器，但是，电机采用的是恒压频比控制，可以对其进一步改进。其中，一个PWM控制系统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。这样，系统将有更快的响应速度和更高的精度。二者之间可以用SCI通讯端口连接起来，既减小了谐波污染，又提高了变频器的控制性能。

2.3 DSP与PC组合系统

DSP作为系统快速处理的执行者，以尽量快的速度完成算法的实现。它是由PC、高性能DSP、64 K字的程序存储器和64 K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。该系统不仅提供了一个完整的硬件环境，实时运行1个真正的数字控制，而且还实现了各种先进的控制规律，比如在设计控制器时，由于系统具有高速数字控制能力，通过S域的变换，模拟控制器就能在其上实现相关的应用、重构和评价。

3 交流电机控制系统的控制算法

3.1 PI控制

PI控制器以其简单、有效、实用的特性被广泛应用于交流电机控制系统中。交流电机调速系统的速度环和电流环调节器均使用PI控制器。但是，交流电机是一个强耦合的非线性对象，并且其应用环境较为复杂，常常有各种干扰，而电机参数也会在运行过程中发生变化。因此，在交流电调速过程中，由于PI控制器自身的特点和存在的不足，比如PI 控制器直接获取目标和实际之间存在一定的误差，会因为初始控制力太大而出现超调的情况，无法有效解决控制过程中快速性和稳定性之间的矛盾。如果PI参数一旦确定，就无法在线自调整，以适应对象参数的变化，即同一PI参数一般难以适用于不同电机的转速，且PI控制器参数控制对象的范围较小。所以，交流电机采用PI控制难以取得令人满意的调速性能，尤其是在对控制精度要求比较高的场合。

3.2 模糊控制

模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用概念中的模糊性，使控制器能够更加逼真的模仿、熟练操作人员和专家的控制经验和方法。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制的突出特点是无需建立被控对象的精确数学模型，系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变和滞后问题，以语言变量代替常规的数学变量，推理过程模仿人的思维过程，借鉴专家的知识、经验，处理复杂的控制问题。模糊控制器的基本结构如图1所示。

图1 模糊控制器的基本结构

3.3 神经网络控制

人工神经网络是依据人脑生物微观结构和功能，模拟人脑神经系统而建立的模型。其主要功能是模拟人脑的思维方式工作，具有自学习、并行处理和自适应等能力。利用神经网络优秀的学习能力和非线性逼近能力，提出了许多基于神经网络的控制方案，从而改善系统的收敛性、稳定性和鲁棒性等。在交流调速领域中，应用神经网络的主要问题是其算法比较复杂，大多以仿真形式出现，但其控制效果还有待于在系统中进一步检验。

4 交流电机控制的发展趋势

虽然交流电机控制已经取得了很多成果，但是，仍不完善。它的发展方向主要有：①随着电力电子、微电子、计算机等技术的发展，采用数字处理器可以快速完成复杂运算，一些复杂控制算法逐步被应用，且有效提高了电机控制的性能。②为了使电机控制系统具有较高的动静态性能和鲁棒性，应该寻找新型的控制方法或改进现有的控制方法。③每种电机控制方法都有其优点和缺点，为了提高电机的控制性能，可以将两种或多种控制方法有机结合起来，取长补短，实现优势互补，将其集成为一体，克服单控制方法的缺陷。例如，可将模糊与PID、自适应与变结构、模糊与神经、无源与自抗扰等控制结合起来。④电机控制系统需要速度信号，但是，安装速度传感器会引发很多问题。通过容易测量的其他信号，可以间接估算出电机速度。目前，高性能的无速度传感器控制方法也已经成为了研究的热点。⑤电机的定、转子等参数会随着工况和环境而变化，除了采用先进的控制策略减小它们的变化对控制性能的影响外，还应对电机参数进行实时在线精确辨识。目前，对电机参数的辨识，已经提出了递推最小二乘法、模型参考自适应法、扩展Kalman滤波法、神经网络和遗传算法等多种辨识方法。⑥随着人们环保意识的增强，电机控制产生的高次谐波会对电网造成污染，降低电机的工作噪声，增强其可靠性、安全性等。人们试图采取合适的控制方式设计出绿色变频调速器来解决这个问题。

5 结束语

电机控制未来的发展趋势是将电机、功率变换器、控制系统集成在一起，使其成为结构紧凑的机电一体化产品。目前，DSP器件具有较高的集成度，精简的指令系统、独立的程序和数据空间等使其具有高速的数据运算能力，采用基于DSP的电机专用集成电路可以降低对传感器等外围器件的要求。在高速控制中，使用DSP可以实现位检测、逻辑运算和高速数据传输。采用DPS器件代替单片机控制电机已经成为了电机控制未来的发展趋势。

参考文献

[1]程善美，蔡凯，龚博.DSP在电气传动系统中的应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]叶成平，张兴华.基于DSP的异步电动机的恒压频比控制[J].中小型电机，2004（01）.

〔编辑：白洁〕