电机控制系统影响因素及可靠性防护

孟凡菲

摘 要：在工业生产中，电机控制系统被广泛应用，它的主要作用是对电机的位置和速率等运行参数进行控制。随着计算机技术的发展，数字化发展是电机控制系统未来必然的趋势。DSP在电机控制系统中的应用，能够快速实现各类数字信号的处理算法，是实现控制系统数字化的重要手段。但是在实际应用中，对DSP软件的可靠性造成影响的因素很多，在诸多影响因素中，外界环境中的静电场和电磁场对其影响最明显。文章从软件的设计角度入手，多方面优化软件的防护设计，有效避免运行程序出错，提高了电机控制系统的运行可靠性。

关键词：电机控制系统；可靠性影响；DSP软件；防护设计

中图分类号：TM301.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）34-0080-02

Abstract： In the industrial production， the motor control system is widely used， its main function is to control the position and speed of the motor and other operating parameters. With the development of computer technology， digital development is the inevitable trend of motor control system in the future. The application of DSP in motor control system can quickly realize all kinds of digital signal processing algorithms， and it is an important means to realize the digitization of control system. However， in practical application， there are many factors that affect the reliability of DSP software. Among many factors， the electrostatic field and electromagnetic field in the external environment have the most obvious impact on the reliability of the software. This paper starts with the design of software， optimizes the protection design of software in many aspects， effectively avoids the error of running program， and improves the operation reliability of motor control system.

Keywords： motor control system； influence of reliability； DSP software； protection design

电机控制系统被广泛应用于电机位置伺服系统和传动系统，在工业生产过程中发挥着重要作用。在数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）广泛应用之前，电机实现数字化控制主要依靠微控制器（Micro-Control Unit， MCU），但

MCU只能对相对简单的数字信号进行处理。然而随着我国工业的深入发展，越来越多的工业控制系统对其控制性能提出了更高要求，以实现更复杂的控制算法，而MCU运算速度慢，无法满足系统的工作需求。因此性能更高、运算速度更快的DSP被发展应用于工业控制系统领域[1]。DSP在电机控制系统中的应用，其最大优势是将系统的软件和硬件有效结合，使得系统的灵活性和统一性提高。然而，在实际生产过程中，外部环境的许多因素都会对电机控制系统的可靠性造成一定影响，例如外界电磁场和静电场的作用会使得電机运行不稳定，甚至可能会使整个系统崩溃，造成严重损失。为解决这一问题，本文从DSP的软件部分入手，优化其软件防护设计，以提升系统的可靠性。

1 电机控制系统可靠性与影响因素

微电子技术的快速发展使得电机控制系统随着集成度的提高，物理体积越来越小，但同时构成系统的各个元器件的故障率提高，进而造成整个控制系统的可靠性降低。电机控制系统中的DSP可实现各类数字信号的算法处理，对信号进行实时检测监控、输出和反馈等功能[2]。由此可见对DSP软件进行相应的防护设计对加强整个电机控制系统的可靠性具有重要的实际意义。

对电机控制系统的可靠性造成影响的因素主要有：温度、湿度、电源波动、振动、静电场、电磁场等。另外，系统控制软件本身的设计缺陷、以及元件故障和电路短路等也是影响电机控制系统可靠性的重要因素。在诸多可靠性影响因素中，外界环境的电磁场和静电场作用对系统元器件的影响最大。

1.1 电磁场的影响

外界电磁场产生电磁干扰会影响系统电源的稳定性，而当电磁干扰增强到一定程度时，可能会因为电源的巨大波动而直接造成系统瘫痪。控制系统受到外界电磁干扰可能出现以下问题：（1）侵入系统电路，干扰视频电路和微处理器的晶振时钟信号，产生噪声；（2）系统CPU的PC指针发生故障，使得程序进入死循环或者发生未知故障；（3）电磁场的干扰可使RAM区的数据被随机数取代，使得系统无法正常进行数据读取；（4）电磁干扰造成系统数据输入输出和数据传输发生错

误，影响过程通道。

DSP的电磁兼容性和信号完整性都会受电磁干扰影响，导致定时故障、数据出错、信号失真等一系列问题。系统的工作条件越复杂，电磁干扰对DSP软件的影响越大，系统故障发生率越高。

1.2 静电场的影响

在工业生产环境中静电场广泛存在，而电子元器件的集成度越高，对静电场的影响越敏感，严重时会导致整个系统失效。当系统的电子元器件所带的静电达到一定负荷时，系统的电压、电流、信号等的稳定性会被降低。而静电放电过程会对DSP芯片造成一定的损害，使DSP的功能失效。

2 电机控制系统可靠性防护策略

DSP软件受到不同因素的影响表现为不同的故障形式，因此需要针对不同的故障设计DSP软件的防护设计。通过DSP软件提高电机控制系统的可靠性的最大优势就是设计成本低，其对系统可靠性的提高是通过硬件提升可靠性的方式所不能取代的。

2.1 设置软件陷阱

DSP程序在受到外界干扰时可能会跑飞到存储器的空白空间而无法跳转，程序因此而陷入死循环。此时通过设置软件陷阱，即在存储器的空白空间里填写NOP指令（机器码

00H），当程序跑飞到该区域时，不会执行任何命令，有效避免了程序在此种情况下陷入死循环，提高了系统可靠性。

2.2 程序跳转监控设计

程序跳转监控是指程序跳转至相应模块时，通过预先设置在各个模块中的标志来检验程序是否跑飞。具体方法是将立即数标志设置在各个系统模块的出口和入口处，程序进入到对应模块时，预先设置标志，然后与立即数进行比对，如果结果一致则执行下一步，如果不一致则报错，并返回至程序出错处理模块。该方法可以有效防止程序跑飞。处理示意图如图1所示。

2.3 程序运行监视

在外界电磁场存在条件下，DSP程序受到干扰，有很大可能引起PC指针错误，进而使得DSP的指令出错，造成程序运行发生异常。因此，针对这种情况，可以在DSP程序外设置另一个独立的监视程序，即看门狗定时监视器对DSP程序的运行状况进行实时监视。看门狗监视程序作为一个独立的监视器，可对DSP程序执行复位和初始化操作，其内置的计时器可通过设定的计时自动执行复位操作。通过DSP中的定时器按照一定的周期将喂狗脉冲发送至看门狗监视器，接收到喂狗脉冲的定时器自动清零，不会执行对DSP程序的初始化，而一旦DSP程序运行出错，同时也无法发送出喂狗脉冲，此时监视程序的计时器达到设定时间，强制执行对DSP程序的复位。

2.4 程序中斷防护设计

DSP程序在电磁场的干扰下，可能会引起PC指针错误，进而导致程序跑飞至未使用中断，误触发中断而造成程序停止运行。对于这种情况需要对未使用中断设置安全返回出口，使得系统在错误触发中断之前就能够通过安全出口跳出，然后从发生错误而暂停的位置继续执行下一步流程。图2显示了简化的程序中断防护设计，程序通过“B $”命令跳转到当前的代码位置，程序一旦跑飞到未使用中断，便进入死循环，同时也不能发送喂狗脉冲，当达到计时门限后，对DSP执行初始化操作，防止由于中断误触所造成的程序停止。

2.5 信号降噪

DSP程序的输入信号中的噪声对系统会造成一定的影响，因此，输入的信号必须经过降噪处理才能应用。采用数字滤波技术可有效滤除输入信号中的无用频率信号。常用的数字滤波器有经典滤波器和现代滤波器。经典滤波器工作原理简单，它利用线性系统可将信号中分别处于不同频段内的有用与无用信号滤出。但如果输入信号中有用信号与噪声处在同一频段内，经典滤波器则无法发挥作用，此时现代滤波器的优势便体现出来。现代滤波器的工作原理是利用信号检测和估计的方式，对信号中有用与无用成分进行估计，进而将两者滤出。该方法把有用和无用信号均设为随机信号，通过自相关和互相关函数、自功率谱、互功率谱等途径推导出随机信号的估计算法，最后通过相应的数字设备实现信号过滤。在实际的信号降噪处理中，根据不同的系统信号特征选择不同的数字滤波器，提高控制系统可靠性。

3 结束语

DSP在电机控制系统中的广泛应用，是未来该类型系统数字化发展的必然趋势。而更高性能的DSP在占据很大发展优势的同时也存在一些不足，针对这些问题通过软件防护设计手段在有效提高系统稳定性的同时也大大降低了成本。相信在高性能和高稳定性的双重属性下，DSP将在控制系统领域被更广泛的应用。

参考文献：

[1]刘晓辉.多电机控制系统的研发及其可靠性研究[D].河北工业大学，2012.

[2]周鹏，许钢，查君君，等.无刷直流电机控制中DSP系统电源可靠性设计[J].电源技术，2013，37（7）：1210-1212.