基于DSP的直流电机双电机同步控制系统设计
李峥
【摘 要】数控机床中，多个电机同步运动的控制成为很多机床工作性能的瓶颈，特别是随着加工精度要求的提高，对于数控机床中的多电机同步控制的要求也逐步提高。在详细研究直流电机调速技术的基础上，基于DSP芯片TMS320F2812设计了一种直流电机双电机同步控制系统，在单电机基础上，实现了电流环、速度环和位置环的三环控制，在单电机精确控制的基础上实现了双电机的同步控制，取得了较理想的效果，经一定改进可初步用于数控机床控制系统中。
【期刊名称】科技创业月刊 【年(卷),期】2012(000)005 【总页数】3
【关键词】多电机同步；DSP；直流电机
数控技术的发展使得多电机驱动的运动控制方式成为当前数控机床的的主流方式。但是，与过去单电机拖动的驱动方式相比，多电机驱动的一个关键问题就是多电机运动同步的问题，特别是在一些比较精密的数控系统中，多电机同步控制技术有很广泛的应用。
从广义上来说，多个电机的同步控制大体上可以分成两种类型：第一种情况是简单的多个电机同时以相同的运动速度运行，相对来说，这种多电机同步运行的方式是比较容易实现的；第二种情况是两个电机或者多个电机的运动速度能够能固定的比例，利用这种方式，可以实现多个电机的比例运动，从而完成一定函数下的运动控制功能。随着现代数控技术的发展和加工要求的不断提高，
仅仅对于速度的控制在很大程度上已经不能满足生产加工的需求，而是在电机加速度、电机相位等更多方面提出了更多的控制要求。从国内的电机控制技术来看，多电机同步控制技术的落后成为很多自动化生产的瓶颈。对数控技术中的多电机同步控制方法具有非常现实和迫切的意义。
直流电机是一种发展起步较早的电机，它在调速性能方面表现出很多的优点，例如，启动和制动性能较好，调速范围宽、控制灵活方便，特别在一些调速范围较宽和要求快速正反转的场合，调速性能较好的直流电机是这些领域的首选电机。近年来，随着功率电机技术的不断发展，交流调速电机的使用也越来越广泛，但是，因为控制原理的不同，直流电机在调速方法的发展、以及调速技术的应用等方面，都有着交流调速电机无法比拟的优点，在很多场合都成为不可替代的调速设备。
1 直流电机的数学模型和调速方案
稳态条件下，直流电机的转速与其外加条件之间的关系为：
式（1）表示直流电机转速n与电枢电压（U）和电枢电流（I），以及励磁磁通Φ之间的关系，Ke为电机的电动势常数，由上式可以看出，除电机的电动势常数Ke由电机本身的特性决定而无法调节外，电枢电流的值I电路特性决定，改变其余三个变量U、Φ、及R的值都可以改变直流电机的转速n，由此也形成了三种不同的电机调速方式：通过调节电枢的外加电压U达到调速目的成为调压调速，通过改变励磁磁通Φ的值达到电机调速的目的成为调磁调速，通过调节电枢回路的电阻R达到电机调速的目的，称为串接电阻调速的方案。以上三种调速方案中，回路串电阻调速因为要浪费大量的能源，一般不被采用，最常用的调速方法为调压调速方法，在某些特殊情况下采用调节励磁磁通Φ的方法
进行辅助调速。而对于调压调速方法的实现，利用PWM变流器进行电压的调节是最常使用的方法。PWM变流器的基本模型见图1。
如图1所示，Uct为加到PWM控制器上的直流电压，经过PWM控制器的变换以后，输出直流电压Ua为加到直流电机MD上的直流电压，通过控制PWM控制器的中功率开关管的开启占空比，便可以控制输出到直流电机上的直流电压Ua。
2 双电机同步控制系统硬件电路的设计
为了实现直流电机双电机同步控制系统的设计，首先要完成单电机速度的精确控制，在单电机的精确控制基础上，将两个电机进行同步，便可以实现双电机同步控制系统的要求。
电机速度控制的精确性要求整个系统以一个闭环系统的方式实现，例如，在调速的过程中，PWM控制器根据控制要求输出一个直流电压，然后，利用光电编码器或者旋转编码器等转速检测设备进行速度的采集，将采集到的速度值与设定的速度值进行比较，根据比较得到的结果进一步调节PWM控制器的输出电压，但是，在实际的系统中，电机的负载往往不是固定不变的，也就是说，在电机一定的转速下输出的转矩，并不是固定不变的，因此，直流电机进行稳定调速的关键还要针对负载的情况进行速度的调节。为了实现转矩的控制，需要对转矩进行采集，而与电机转矩直接相关的物流量为电枢电流，由电机理论可知，直流电机的电枢电流与直流电机输出的转矩是成一定的比例关系的。由以上分析过程可知，在直流电机调速过程中，在利用旋转编码器进行速度闭环控制的基础上，必须实现电枢电流，即直流电机转矩构成的电流闭环设计，形成双闭环系统，其中，速度环作为外环，电流环作为内环。对于双电机同步控
基于DSP的直流电机双电机同步控制系统设计
