基于DSP的直流電機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)論文( 2012)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)基于dsp的直流電機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本論文（設(shè)計(jì)）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說(shuō)明并表示謝意。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）授權(quán)使用說(shuō)明本論文（設(shè)計(jì)）作者完全了解*學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留論文（設(shè)計(jì)）并向相關(guān)部門送交論文（設(shè)計(jì)）的電子版和紙質(zhì)版。有權(quán)將論文（設(shè)計(jì)）用于非贏利目的的少量復(fù)制并允

2、許論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)入學(xué)校圖書(shū)館被查閱。學(xué)校可以公布論文（設(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容。保密的論文（設(shè)計(jì)）在解密后適用本規(guī)定。 作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 日期： 注 意 事 項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬(wàn)字。3.附件包括：任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、

3、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě)2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà)3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它基于dsp的直流電機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)摘 要：直流電機(jī)由于勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)完全解耦，可以

4、獨(dú)立控制，因此具備良好的調(diào)速性能，出力大、調(diào)速范圍寬和易于控制，廣泛應(yīng)用于電力拖動(dòng)系統(tǒng)中。而隨著對(duì)電機(jī)控制要求的不斷提高，普通的單片機(jī)越來(lái)越不能滿足對(duì)電機(jī)控制的要求，dsp技術(shù)的發(fā)展正好為先進(jìn)控制理論以及復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了有力的支持。本設(shè)計(jì)采用美國(guó)ti公司專門為電機(jī)數(shù)字化控制設(shè)計(jì)的16位定點(diǎn)dsp控制器tms320lf2407作為微控制器。該芯片集dsp信號(hào)高速處理能力及適用于電機(jī)控制優(yōu)化的外圍電路于一體，可以為高性能傳動(dòng)控制技術(shù)提供可靠高效的信號(hào)處理與控制硬件。電機(jī)的控制系統(tǒng)是由檢測(cè)裝置、主控制器、功率驅(qū)動(dòng)器以及上位機(jī)組成，其中dsp控制器是電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)的反饋信號(hào)

5、進(jìn)行處理并輸出控制信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)； dsp； pid控制器； pwmthe design of dc motor control system based on dspabstract: the dc motor armature magnetic field and the excitation completely decoupled, it can be independently controlled, so it has a good speed performance, contribute to a large power, widely speed ra

6、nge, and easy to control, so it is widely used in electric drive systems. with the motor control required for continuous improvement, common single mcu cant meet requirements of the motor control well, dsp technology just for the advanced control theory and complex control algorithm implementation p

7、rovides a strong support.this design uses the american ti company specially for motor control design of digital 16 fixed-point dsp controller tms320lf2407 as the controller. the chip set dsp signal the high processing capacity and used in motor control optimization the periphery of the circuit in a

8、body, high performance driving control technology to provide reliable and efficient signal processing and control hardware. motor control system is composed of detection devices, the main controller, power driver and pc components, which dsp controller is a key part of the motor control system , res

9、ponsible for the motor feedback signal processing and output control signal to control the rotation of the motorkey words: dc motor, dsp, pid controller, pwm.鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)論文( 2012)目 錄1課題概述31.1課題研究背景31.2 課題研究的目的及意義41.3 課題研究?jī)?nèi)容62. 直流電機(jī)的dsp控制82.1 直流電動(dòng)機(jī)的控制原理82.2直流電動(dòng)機(jī)單極性驅(qū)動(dòng)可逆pwm系統(tǒng)122.3 直流電動(dòng)機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)可逆pwm系統(tǒng)152.4

10、直流電動(dòng)機(jī)的dsp控制方法及編程例子182.4.1 單極性可逆pwm系統(tǒng)dsp控制方法及編程例子182.4.2 雙極性可逆pwm系統(tǒng)dsp控制方法及編程例子193.基于dsp的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)203.1系統(tǒng)組成203.2dsp電源電路223.3jtag接口電路設(shè)計(jì)233.4復(fù)位電路233.5 pwm隔離放大調(diào)理電路243.6轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計(jì)243.7直流電動(dòng)機(jī)pwm調(diào)速電路設(shè)計(jì)253.8晶振電路設(shè)計(jì)263.9顯示電路設(shè)計(jì)263.10正反轉(zhuǎn)及調(diào)速電路設(shè)計(jì)273.11 ir2110驅(qū)動(dòng)電路273.12 硬件可靠性283.12.1 pcb設(shè)計(jì)283.12.2 采樣抗干擾技術(shù)294.軟件設(shè)計(jì)304.1

11、 編譯環(huán)境304.2主程序設(shè)計(jì)314.3 pwm波調(diào)速程序324.4 中斷設(shè)計(jì)334.5 顯示及按鍵設(shè)計(jì)344.6系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)345.仿真試驗(yàn)365.1仿真模型及算法介紹365.2仿真結(jié)果366. 結(jié)束語(yǔ)38參考文獻(xiàn)39謝 辭41附 錄421 程序清單422 原理圖463 pcb圖47鹽城工學(xué)院新校區(qū)基于dsp的直流電機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)1課題概述1.1課題研究背景電氣傳動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象，按生產(chǎn)機(jī)械工藝要求進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的不同，工程上通常把電氣傳動(dòng)分為直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)兩大類。縱觀電氣傳動(dòng)的發(fā)展過(guò)程，交、直流兩大電氣傳動(dòng)并存于各個(gè)時(shí)期的工業(yè)領(lǐng)域

12、內(nèi)，雖然它們所處的地位和作用不同，但是它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電力電子學(xué)和微電子學(xué)的發(fā)展，在相互競(jìng)爭(zhēng)、相互促進(jìn)中完善著自身。發(fā)生著變更。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，因而在工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。近代，由于生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面都提出了更高的要求，所以用計(jì)算機(jī)控制電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要內(nèi)容。直流調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，兩者的有機(jī)結(jié)合使電力拖動(dòng)控制產(chǎn)生了新的變化。計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和直流拖動(dòng)技術(shù)的組合是技術(shù)領(lǐng)域的交叉，

13、具有廣泛的應(yīng)用前景。有不少的研究者己經(jīng)在用dsp作為控制器進(jìn)行研究。直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制方法經(jīng)歷了機(jī)械式的、雙機(jī)組式的、分立元件電路式的、集成電路式的、單片機(jī)式的發(fā)展過(guò)程。隨著數(shù)字信號(hào)處理器dsp的出現(xiàn)，給直流調(diào)速控制提供了新的手段和方法。將計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展成果運(yùn)用在直流調(diào)速系統(tǒng)中，在經(jīng)典控制的基礎(chǔ)之上探討一種新的控制方法，為計(jì)算機(jī)技術(shù)在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做些研究性的工作。用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的選型很多。經(jīng)過(guò)選擇，選取dsp芯片作為控制器。直流調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容十分豐富，有開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，有閉環(huán)控制系統(tǒng);有單閉環(huán)控制系統(tǒng)，有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng);有可逆調(diào)速系

14、統(tǒng)，有不可逆調(diào)速系統(tǒng)等。在電氣時(shí)代，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。在一個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了得到希望的運(yùn)動(dòng)軌跡，人們需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的使用日益增多。電腦、手機(jī)、空調(diào)、電視等許多電子產(chǎn)品，已經(jīng)成為我們生活中必不可少的一部分這些都離不開(kāi)電機(jī)的控制。開(kāi)展本課題研究的控制對(duì)象是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng);研究的目的是利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，對(duì)控制系統(tǒng)升級(jí)進(jìn)行研究;研究工作是在對(duì)控制對(duì)象全面回顧總結(jié)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)控制部分展開(kāi)研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件環(huán)境的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。目前，對(duì)于控制對(duì)象

15、的研究和討論很多，有比較成熟的理論，但實(shí)現(xiàn)控制的方法和手段隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不斷地進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。這個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片計(jì)算機(jī)控制等過(guò)程。每一次的技術(shù)升級(jí)都是控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進(jìn)。隨著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級(jí)提供了新的可能。電機(jī)控制是dsp應(yīng)用的主要領(lǐng)域，隨著社會(huì)的發(fā)展以及對(duì)電機(jī)控制要求的日益提高，dsp將在電機(jī)控制領(lǐng)域中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。1.2 課題研究的目的及意義一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，一直在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著十分重要的作用。無(wú)論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，

16、還是日常生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電機(jī)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在有90%以上的動(dòng)力源來(lái)自于電動(dòng)機(jī)，我國(guó)生產(chǎn)的電能大約有60%用于電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與人們的生活息息相關(guān)，密不可分。電動(dòng)機(jī)主要類型有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)三種。其中，直流電動(dòng)機(jī)在八十年代以前一直處于調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，這主要源于其完美的轉(zhuǎn)矩控制特性，即通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓和勵(lì)磁電流就可以任意調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。以微控制器為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)首先需要說(shuō)明的是，這里的微處理器事實(shí)上是指以mcs51、mcs96等為代表的8位或16位單片機(jī)。利用微處理器取代模擬電路作為電動(dòng)機(jī)的控制器，所構(gòu)成的系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 使電路更

17、簡(jiǎn)單。模擬電路為了實(shí)現(xiàn)邏輯控制需要許多分立電子元件，從而使電路變得復(fù)雜。采用微處理器以后，絕大多數(shù)控制邏輯可采用軟件實(shí)現(xiàn)。(2) 可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。微處理器具有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快、精度高、具有大容量的存儲(chǔ)器，因此有能力實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。(3) 靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)。微處理器的控制方式主要有軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必修改系統(tǒng)的硬件電路，只需對(duì)軟件進(jìn)行修改即可。(4) 無(wú)零點(diǎn)漂移，控制精度高。數(shù)字控制系統(tǒng)中一般不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，控制器的字長(zhǎng)一般可保證足夠的控制精度。(5) 可提供人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作。一些性能要求不是很高的場(chǎng)合，現(xiàn)在普遍

18、使用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的控制器。實(shí)際上與單片機(jī)功能類似，可作為電動(dòng)機(jī)控制器的元件還有很多種，如工控機(jī)、可編程邏輯控制器等。工控機(jī)的功能十分強(qiáng)大，它有極高的速度、強(qiáng)大的運(yùn)算能力和接口功能、方便的軟件環(huán)境，但由于工控機(jī)成本高、體積大，所以一般只用于大型系統(tǒng)?？删幊踢壿嬁刂破鲃t正好相反，它只能完成邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)和簡(jiǎn)單的運(yùn)算，由于功能太弱，它一般也只用于較簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。單片機(jī)處于工控機(jī)和可編程邏輯控制器之間，擁有強(qiáng)大的控制功能、低廉的成本，可以較好地滿足任意類型電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。然而，由于微處理器一般采用馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)，處理器的速度有限，處理能力也有限；另外，單片機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)

19、雜，軟件編程的難度較大。同時(shí)，一般單片機(jī)的集成度較低，片上不具備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所需要的專用外設(shè)，如pwm產(chǎn)生電路等。因此，基于微處理器構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仍然需要較多的元器件，這增加了系統(tǒng)電路板的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性，也難以滿足運(yùn)算量較大的實(shí)時(shí)信號(hào)處理的需要，難以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法，如預(yù)測(cè)控制，模糊控制等。以可編程dsp控制器為核心構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為了滿足世界范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需要，ti公司推出了它的tms320240x系列dsp控制器。x240x系列dsp控制器將一個(gè)高性能的dsp核、大容量的片上存儲(chǔ)器和專用的運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)電路（pwm產(chǎn)生電路、可編程死區(qū)、ssvpwm產(chǎn)生電路、捕獲單元

20、等）以及其他功能的外設(shè)電路（16通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、串行通信接口、can控制器模塊等）集成在單芯片上，保持了傳統(tǒng)微處理器可編程、集成度高、靈活性/適應(yīng)性好、升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，其內(nèi)部的dsp核可提供更高的運(yùn)算速度、運(yùn)算精度核處理大量數(shù)據(jù)運(yùn)算的能力。x240x系列dsp控制器采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，分別用獨(dú)立的總線來(lái)訪問(wèn)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，配合片內(nèi)的硬件乘法器、指令的流水線操作和優(yōu)化的指令集。dsp較好地滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法如kalman濾波、模糊控制、神經(jīng)元控制等。通過(guò)上面各種方法的對(duì)比，可以得到以下結(jié)論：基于以dsp控制器構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可滿足任意場(chǎng)合的需要，將是運(yùn)動(dòng)控

21、制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展方向。本畢業(yè)設(shè)計(jì)制作了一個(gè)小型的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置，雖然實(shí)際應(yīng)用中較難用到這么小的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置，但萬(wàn)變不離其宗，實(shí)際應(yīng)用中的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置大致原理與本設(shè)計(jì)相差無(wú)幾，因此，本設(shè)計(jì)有著很強(qiáng)的理論和指導(dǎo)意義。設(shè)計(jì)的主線是“控制”2字，與本人所學(xué)專業(yè)密不可分，通過(guò)完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作，能夠加深對(duì)本專業(yè)精髓的理解，同樣能夠增強(qiáng)自學(xué)能力、實(shí)踐能力和鉆研精神，而且設(shè)計(jì)過(guò)程中理論充分地聯(lián)系了實(shí)際，對(duì)以后工作也有很大的幫助。本畢業(yè)設(shè)計(jì)基于ti公司的tms320lf2407控制器，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速測(cè)速的控制系統(tǒng)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。1.3 課題研究?jī)?nèi)容在研究了全數(shù)字直流電動(dòng)機(jī)控制系

22、統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出一種以dsp為控制器的直流電動(dòng)機(jī)智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用ti公司的tms320lf2407高性能數(shù)字處理器，設(shè)計(jì)出基于dsp的數(shù)字直流電機(jī)控制系統(tǒng)。對(duì)直流調(diào)速原理分析，針對(duì)本文用到的調(diào)壓調(diào)速原理以及特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖，在此基礎(chǔ)上介紹了本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能；設(shè)計(jì)了以tms320lf2407a為核心的硬件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，主要根據(jù)硬件設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，依據(jù)軟件的整體功能設(shè)計(jì)了各個(gè)功能模塊程序。 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與制作：在dsp硬件設(shè)計(jì)方面，完成控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的論證和系統(tǒng)硬件控制電路的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)基本功能的調(diào)試工作

23、，主要工作包括:(1) 方案論證:根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，確定系統(tǒng)的控制方案;(2) 原理圖繪制:根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案完成控制系統(tǒng)dsp電路原理圖的設(shè)計(jì)工作，包括dsp本體電路設(shè)計(jì)和直流直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì);.(3) 硬件調(diào)試:制作pcb電路板。系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)按照控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的分析與規(guī)劃，尋求合適的控制規(guī)則并確定軟件流程，主要工作包括:(1) 系統(tǒng)軟件總體需求分析與設(shè)計(jì);(2) 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);(3) 統(tǒng)各部分功能的軟件實(shí)現(xiàn);(4) 組成完整程序進(jìn)行調(diào)試。2. 直流電機(jī)的dsp控制2.1 直流電動(dòng)機(jī)的控制原理根據(jù)圖2-1它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路，可以得到直流

24、電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。電壓平衡方程為： （2-1） 式中，為電樞電壓；為電樞電流；為電樞電路總電阻；為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；為電樞電路總電感。其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： （2-2）式中，為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算常數(shù)；為每極磁通；為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。將式（2-2）代入式（2-1）可得： （2-3） 直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： （2-4） 轉(zhuǎn)矩平衡方程為： （2-5） 式（2-4）和式（2-5）中，為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為電動(dòng)機(jī)角速度；為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。圖2-1 直流電動(dòng)機(jī)等效電路由式（2-3）可得，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制的電樞電壓

25、控制法。勵(lì)磁控制法是在電動(dòng)機(jī)的電樞電壓保持不變時(shí)，通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁電流來(lái)改變勵(lì)磁磁通，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。這種調(diào)速法的調(diào)速范圍小，在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用的很少。電樞電壓控制法是在保持勵(lì)磁磁通不變的情況下，通過(guò)調(diào)整電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在調(diào)速時(shí)，保持電樞電流不變，即保持電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不變，可以得到具有恒轉(zhuǎn)矩特性的大調(diào)速范圍，因此大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。本章主要介紹這種方法的dsp控制。對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離不開(kāi)半導(dǎo)體功率器件。在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體功率器件的使用上又可分為兩

26、種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。線性放大驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：控制原理簡(jiǎn)單輸出波動(dòng)小線性好對(duì)鄰近電路干擾小。但是功率器件在線性區(qū)工作時(shí)會(huì)將大部分電功率用于產(chǎn)生熱量，效率和散熱問(wèn)題嚴(yán)重，因此這種方式只用于數(shù)瓦以下的微小功率直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制（pwm）來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖2-2是利用開(kāi)關(guān)管對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行pwm調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖2-2（a）中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管mosfet的柵極輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓。

27、t1時(shí)間后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為零。t2時(shí)間后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)光管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。這樣，對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電 (2-6)壓波形如圖22（b）所示。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值為： (2-7) 式中a為占空比。(a)原理圖（b）輸入/輸出電壓波形圖2-2 pwm調(diào)速控制原理和電壓波形圖占空比a表示了在一個(gè)周期t里，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)短與周期的比值。a的變化范圍。由式（2-6）可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決于占空比a的大小，改變a的值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是pwm調(diào)

28、速原理。在pwm調(diào)速時(shí)，占空比a是一個(gè)重要的參數(shù)。以下3種方法都可以改變占空比的值：（1）定寬調(diào)頻法。這種方式是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期t（或頻率）也隨之改變。（2）調(diào)寬調(diào)頻法。這種方法是保持t2不變，而改變t1，這樣使周期t（或頻率）（3）定頻跳寬法。這種方法是使周期t（或頻率）保持不變，而同時(shí)改變t1和t2。前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此這兩種方法用的很少。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。tms320lf2407xa系列電動(dòng)機(jī)專用dsp集成了pwm控制信號(hào)發(fā)生器，它可以通過(guò)調(diào)整事件

29、管理器的定時(shí)器控制寄存器來(lái)設(shè)定pwm工作方式和頻率；通過(guò)調(diào)整比較值來(lái)調(diào)整pwm的占空比；通過(guò)調(diào)整死區(qū)控制寄存器來(lái)設(shè)定死區(qū)時(shí)間；通過(guò)專用的pwm輸出口輸出占空比可調(diào)的帶有死區(qū)pwm控制信號(hào)，從而省去了其他控制器所用的外圍pwm波發(fā)生電路和時(shí)間延遲（死區(qū)）電路。電動(dòng)機(jī)專用dsp的高速運(yùn)算功能可以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)名副其實(shí)的全數(shù)字控制，從而省去了外圍的pid調(diào)節(jié)電路和比較電路。因此，使用dsp控制直流電動(dòng)機(jī)可以獲得高性能和低成本。直流電動(dòng)機(jī)通常要求工作在正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，這時(shí)需要使用可逆pwm系統(tǒng)。可逆pwm系統(tǒng)分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)，以下分別介紹單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)可逆pwm

30、系統(tǒng)。2.2直流電動(dòng)機(jī)單極性驅(qū)動(dòng)可逆pwm系統(tǒng)單極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)pwm周期里，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈單一性（或者正或者負(fù)）變化。單極性驅(qū)動(dòng)電路有兩種，一種稱為t型，它由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，采用正負(fù)電源，相當(dāng)于兩個(gè)不可逆系統(tǒng)的組合，由于形狀像橫放的“t”字，所以稱為t型。t型單極性驅(qū)動(dòng)由于電流不能反向，并且兩個(gè)開(kāi)關(guān)管動(dòng)態(tài)切換（正反轉(zhuǎn)切換）的工作條件是電樞電流等于零，因此動(dòng)態(tài)性能較差，很少采用。另一種稱為h型，其形狀像“h”字,也稱橋式電路。h型雙極性驅(qū)動(dòng)應(yīng)用較多，因此在這里將詳細(xì)介紹。圖2-3 h型單極性可逆pwm驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖（2-3）是h型單極可逆pwm驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它由4個(gè)開(kāi)關(guān)管和4個(gè)續(xù)流二極管組成

31、，單電源供電。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，v1開(kāi)關(guān)管根據(jù)pwm控制信號(hào)同步導(dǎo)通或關(guān)斷，而v2開(kāi)關(guān)管則受pwm反相控制信號(hào)控制，v3保持常閉，v4保持常開(kāi)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，v3開(kāi)關(guān)管根據(jù)pwm控制信號(hào)同步導(dǎo)通或關(guān)斷，而v4開(kāi)關(guān)管則受pwm反相控制信號(hào)控制，v1保持常閉，v2保持常開(kāi)。單極性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的pwm占空比仍用式（2-7）來(lái)計(jì)算。當(dāng)要求電動(dòng)機(jī)在較大負(fù)載情況下正轉(zhuǎn)工作時(shí)，平均電壓大于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在每個(gè)pwm周期的0t1區(qū)間，v1導(dǎo)通，v2截止，電流經(jīng)v1v4從a到b流過(guò)電樞繞組，如圖2-3中的虛線1。在每個(gè)pwm周期的t1t2區(qū)間，v2導(dǎo)通，v1截止，電源斷開(kāi)，在自感電動(dòng)勢(shì)的作用下，進(jìn)二極管d2和開(kāi)關(guān)管v

32、4進(jìn)行續(xù)流，使電樞中仍然有電流流過(guò)，方向是從a到b，如圖2-3中的虛線2。這時(shí)由于二極管d2的箝位作用，v2實(shí)際不能導(dǎo)通，電流波形見(jiàn)圖2-4（a)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，平均電壓小于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在每個(gè)pwm周期的0t1區(qū)間，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和自感電動(dòng)勢(shì)共同作用下，電流進(jìn)二極管d4d1流向電源，方向是從b到a，如圖2-3中虛線4，電動(dòng)機(jī)處在再生制動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)pwm周期的t1t2區(qū)間，v2導(dǎo)通，v1截止，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，電流經(jīng)d4v2仍然是從b到a流過(guò)繞組，如圖2-3中虛線3，電動(dòng)機(jī)處在耗能制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)的電流波形如圖2-4（b)所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)輕載或空載運(yùn)行時(shí)，平均電壓與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幾乎

33、相等。在每個(gè)pwm周期的0t1區(qū)間，v2截止，電流先是沿虛線4流動(dòng)，當(dāng)減小到零后，v1導(dǎo)通接通電源，電流改變方向，沿虛線1流動(dòng)。在每個(gè)pwm周期的t1t2區(qū)間，v1截止，電流先是沿虛線2續(xù)流，當(dāng)續(xù)流電流減小到零后，v2導(dǎo)通，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，電流改變方向，沿虛線3流動(dòng)。因此，在一個(gè)pwm周期中，電流交替呈現(xiàn)再生制動(dòng)電動(dòng)續(xù)流電動(dòng)耗能制動(dòng)4種狀態(tài)，電流圍繞著橫軸上下波動(dòng)，如圖2-4（c)所示。由此可見(jiàn)，單極性可逆pwm驅(qū)動(dòng)的電流波動(dòng)較小，可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)象限運(yùn)行，是一種應(yīng)用非常廣泛的驅(qū)動(dòng)方式。使用時(shí)要注意加“死區(qū)”，避免同一橋臂的開(kāi)關(guān)管發(fā)生直通短路。圖2-4 h型單極性可逆pwm驅(qū)動(dòng)電流波形2.3

34、 直流電動(dòng)機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)可逆pwm系統(tǒng)雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)pwm周期里，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性驅(qū)動(dòng)電路也有t型和h型兩種。t型雙極性驅(qū)動(dòng)由于開(kāi)關(guān)管要承受較高的反向電壓，因此只用在低壓小功率直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。而h型雙極性驅(qū)動(dòng)應(yīng)用較多，因此在這里將詳細(xì)介紹。圖2=5是h型雙極可逆pwm驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。4個(gè)開(kāi)關(guān)管分成兩組，v1v4為一組，v2v3為另一組。同一組的開(kāi)關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。 (2-7)圖2-5 h型雙極可逆pwm驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在每個(gè)pwm周期里，當(dāng)控制信號(hào)高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管v1v4導(dǎo)通，此時(shí)為低電平，因此v2v3截止，電樞繞組承受從a到b得正向電壓；當(dāng)控

35、制信號(hào)低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管v1v4截止，此時(shí)為高電平，因此v2v3導(dǎo)通，電樞繞組承受從b到a的反向電壓，這就是所謂“雙極”。由于在一個(gè)pwm周期里電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化，雙極性可逆pwm驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比a大小。當(dāng)a=0時(shí)，,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)a=1時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)a=1/2時(shí)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。雖然此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，但電樞繞組中仍然有交變電流流動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻振蕩，這種振蕩有利于克服電動(dòng)機(jī)負(fù)載的靜摩擦，提高動(dòng)態(tài)性能。下面討論電動(dòng)機(jī)電樞的電流。電樞繞組中的電流波形見(jiàn)圖2-6。分成以下3種情況。圖2-6 h型雙極性可逆pwm驅(qū)動(dòng)電流波形當(dāng)要求電動(dòng)機(jī)在較大負(fù)

36、載情況下正轉(zhuǎn)工作時(shí)，平均電壓大于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在每個(gè)pwm周期的0t1區(qū)間，v1v4導(dǎo)通，v2v3截止，電樞繞組中電流的方向是從a到b，如圖25中的虛線1所示。在每個(gè)pwm周期的t1t2區(qū)間，v2v3導(dǎo)通v1v4截止，雖然電樞繞組加反向電壓，但由于繞組的負(fù)載電流較大，電流的方向仍然不變，只不過(guò)電流幅值的下降速率比前面介紹的單極性系統(tǒng)要大，因此電流的波動(dòng)較大。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在較大負(fù)載的情況下反轉(zhuǎn)工作時(shí)，情形正好與正轉(zhuǎn)是相反，電流波形如圖2-6（b）所示，這里不再介紹。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在輕載下工作時(shí)，負(fù)載使電樞電流很小，電流波形基本上圍繞橫軸上下波動(dòng)（見(jiàn)圖2-6（c），電流的方向也在不斷地變化。在每個(gè)pwm周期的

37、0t1區(qū)間。v2v3截止。開(kāi)始時(shí)，由于自感電動(dòng)勢(shì)的作用，電樞中的電流維持原流向從b到a，電流線路如圖3-5中虛線4，經(jīng)二極管d4d1到電源，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)。由于二極管的d4d1鉗位作用，此時(shí)v1v4不能導(dǎo)通。當(dāng)電流衰減到零后，在電源電壓的作用下，v1v4開(kāi)始導(dǎo)通。電流經(jīng)v1v4形成回路，如圖25中虛線1所示。這時(shí)電樞電流的方向從a到b，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)pwm周期的t1t2區(qū)間，v1v4截止。電樞電流在自感電動(dòng)勢(shì)的作用下繼續(xù)從a到b，其電流流向如圖2-5中虛線2，電動(dòng)機(jī)仍處于電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)電流衰減為零后，v2v3開(kāi)始導(dǎo)通，電流線路如圖2-5中的虛線3所示，電動(dòng)機(jī)處于耗能制動(dòng)狀態(tài)。

38、因此，在輕載下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)呈電動(dòng)和制動(dòng)交替變化。雙極性驅(qū)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)可在4個(gè)象限上工作，低速時(shí)的高頻振蕩有利于消除負(fù)載的靜摩擦，低速平穩(wěn)性好。但在工作的過(guò)程中，由于4個(gè)開(kāi)關(guān)管又處在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功率損耗較大，因此雙極性驅(qū)動(dòng)只用于小功率直流電動(dòng)機(jī)。使用時(shí)也要加“死區(qū)”，防止開(kāi)關(guān)管直通。2.4 直流電動(dòng)機(jī)的dsp控制方法及編程例子2.4.1 單極性可逆pwm系統(tǒng)dsp控制方法及編程例子圖2-7是直流電動(dòng)機(jī)全數(shù)字雙閉環(huán)控制的框圖。全部控制模塊如速度pi調(diào)節(jié)電流pi調(diào)節(jié)pwm控制都是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖2-7直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速雙閉環(huán)控制框圖圖2-8是根據(jù)圖2-7的控制原理所設(shè)計(jì)的用tms320lf

39、2407a dsp實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)電路。圖中采用了h型驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)dsp的pwm輸出引腳pwm1pwm4輸出的控制信號(hào)進(jìn)行控制。用霍爾電流傳感器檢測(cè)電流變化，并通過(guò)adcin00引腳輸入給dsp，經(jīng)qep1qep2引腳輸入給dsp，獲得速度反饋信號(hào)。它還可以很容易地實(shí)現(xiàn)位置控制。用dsp實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)速度控制的軟件由3部分組成:初始化程序主程序中斷子程序。其中主程序只進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向判別，用來(lái)改變比較方式寄存器actra的設(shè)置。用戶可以再主程序中添加其他應(yīng)用程序。在每個(gè)pwm周期（50us）都進(jìn)行一次電流采樣和電流pi調(diào)節(jié)，因此電流采樣周期與pwm周期相同，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。采用

40、定時(shí)器1周期中斷標(biāo)志來(lái)啟動(dòng)ad轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后申請(qǐng)adc中斷。圖29是adc中斷子程序框圖。全部控制功能都通過(guò)中斷處理子程序來(lái)完成。圖2-8 直流電動(dòng)機(jī)dsp控制和驅(qū)動(dòng)電路2.4.2 雙極性可逆pwm系統(tǒng)dsp控制方法及編程例子雙極性可逆pwm系統(tǒng)的dsp控制與單極性可逆pwm系統(tǒng)的dsp控制基本相同。由于pwm1和pwm4的控制規(guī)律一樣，pwm2和pwm3的控制規(guī)律一樣，所以比較方式控制寄存器actra的設(shè)置應(yīng)為0096h。雙極性可逆pwm系統(tǒng)的占空比除了決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速外，還決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，因此，在電流pi調(diào)節(jié)控制中，必須根據(jù)轉(zhuǎn)向標(biāo)志direction來(lái)決定輸出極限：正轉(zhuǎn)時(shí)，輸出的范圍是

41、0250；反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出的范圍是250500。由于速度時(shí)間常數(shù)較大，本程序設(shè)計(jì)每100個(gè)pwm周期（即5ms）對(duì)速度進(jìn)行一次pi調(diào)節(jié)。速度反饋量是按以下方法計(jì)算的：在每個(gè)pwm周期都通過(guò)讀編碼器求一次編碼脈沖增量，并累計(jì)。假設(shè)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是3000r/min，也即50r/s。采用1024線的編碼器，進(jìn)dsp四倍頻后每轉(zhuǎn)發(fā)出4096個(gè)脈沖。所以在這個(gè)轉(zhuǎn)速下，每秒發(fā)出504096=204800個(gè)脈沖。那么5ms發(fā)出的最大脈沖數(shù)為2048005（或）令編碼脈沖速度轉(zhuǎn)換系數(shù)就可以得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋量相對(duì)于最高轉(zhuǎn)速的比例值n，當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋量等于3000n/。3.基于dsp的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)組成

42、由圖3-1可知，該系統(tǒng)包含dsp控制單元，功率驅(qū)動(dòng)單元，速度檢測(cè)單元。原理是dsp輸出pwm波經(jīng)過(guò)光電隔離部分，送給功率驅(qū)動(dòng)單元。然后經(jīng)過(guò)光耦隔離放大作用在mosfet開(kāi)關(guān)管。主控芯片采用ti公司tms320lf240x系列的lf2407。其主要的外圍電路包括電源電路、電路和晶振電路等。圖3-1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)圖tms320系列包括：定點(diǎn)、浮點(diǎn)、多處理器數(shù)字信號(hào)處理器和定點(diǎn)dsp控制器。tms320系列dsp的體系結(jié)構(gòu)專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，該系列dsp控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。目前ti公司主推的dsp有：定點(diǎn)系列tms320c200

43、0、tms320c5000；浮點(diǎn)系列tms320c6000。其中tms320c6000系列中也有部分為定點(diǎn)dsp。tms320系列同一產(chǎn)品系列中的器件具有相同的cpu結(jié)構(gòu)，但片內(nèi)存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置不同。派生的器件集成了新的片內(nèi)存儲(chǔ)器和外設(shè)，以滿足世界范圍內(nèi)電子市場(chǎng)的不同需求。通過(guò)將存儲(chǔ)器和外設(shè)集成到控制器內(nèi)部，tms320器件降低了系統(tǒng)成本，節(jié)省了電路板空間，提高了系統(tǒng)的可靠性。在tms320系列dsp基礎(chǔ)上，tms320lf2407a控制器具有以下特點(diǎn)。(1)中央處理單元32位中央算數(shù)邏輯單元(calu)。32位累加器。3個(gè)比例移位器。16位*16位乘法器。間接尋址用的8個(gè)16位輔助寄存器和

44、輔助算數(shù)單元(arau)。4級(jí)流水線操作。8級(jí)硬件堆棧。6個(gè)可屏蔽硬件中斷。(2)存儲(chǔ)器32k字片內(nèi)flash程序存儲(chǔ)器。544字的片內(nèi)外設(shè)daram和2k字的片內(nèi)saram。可用空間：程序存儲(chǔ)空間64k，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間35.5k字，i/o空間64k字。(3)指令集單周期乘加指令。具有fft倒序位序交址尋址能力。單周期指令執(zhí)行時(shí)間為25ns(40mips)。源代碼與定點(diǎn)tms320c2x、c2xx、c5x兼容。(4)電源3.3v靜態(tài)cmos工藝。3種低功耗模式，且可以靈活開(kāi)啟和關(guān)閉具體外設(shè)的時(shí)鐘。lf2407a具有一些與單片機(jī)不同的硬件特點(diǎn)。(1)時(shí)鐘通過(guò)對(duì)晶振倍頻后，lf2407a的內(nèi)部時(shí)鐘是

45、cpu時(shí)鐘，最高可以高達(dá)40mhz。但是很多外設(shè)并不能承受這么快的時(shí)鐘。通過(guò)對(duì)cpu時(shí)鐘分頻，lf2407a所有外設(shè)都可以單獨(dú)設(shè)置外設(shè)時(shí)鐘。(2)中斷dsp的中斷有其內(nèi)核中斷、事件管理模塊的中斷和系統(tǒng)模塊中斷組成。dsp內(nèi)核中斷包括：由指令intr，nmi和trap產(chǎn)生的軟件中斷和來(lái)自復(fù)位rs，非屏蔽nmi和可屏蔽intx(x=1，2，3，4，5，6)的硬件中斷；事件管理模塊的中斷包括：通用定時(shí)器的周期事件中斷、通用定時(shí)器的比較事件中斷、通用定時(shí)器的溢出事件中斷、單比較中斷、全比較中斷、捕獲中斷和電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷(pdpint)；系統(tǒng)模塊中斷包括：a/d轉(zhuǎn)換中斷、串行通信sci的接收中斷、串行

46、通信sci的發(fā)送中斷、串行外設(shè)接口spi中斷、外部引腳xintx(x=l，2，3)產(chǎn)生的可屏蔽中斷和外部非屏蔽引腳nmi中斷。(3)存儲(chǔ)器空間lf2407a包含三個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，在調(diào)試過(guò)程中，對(duì)于片上的引腳，可以做出選擇，將其置于高電平時(shí)，進(jìn)入微處理器(micro processor)模式，尋址將對(duì)外程序存儲(chǔ)器。在程序調(diào)試階段，常譯碼一個(gè)外部ram存儲(chǔ)器，通過(guò)ccs中的file-load program命令，下載編譯好的程序到外部ram中運(yùn)行。當(dāng)把mp/mc引腳置位為低電平時(shí)，進(jìn)入微控制器(micro controller)模式，尋址內(nèi)部flash程序存儲(chǔ)器，等最后將程序調(diào)試完畢，再燒寫(xiě)到內(nèi)

47、部flash。同時(shí)lf2407a還可以通過(guò)gel語(yǔ)言來(lái)設(shè)置寄存器scsr2的mp/mc位，從而決定程序存儲(chǔ)器映射于內(nèi)部還是外部空間。3.2dsp電源電路lm117是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。是使用極為廣泛的一類串連集成穩(wěn)壓器。 lm117/lm317 的輸出電壓范圍是 1.2v 至 37v，負(fù)載電流最大為 1.5a。它的使用非常簡(jiǎn)單，僅需兩個(gè)外接電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。lm117內(nèi)置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。通常 lm117不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 lm117/lm317 輸入端的連線超過(guò) 6 英寸。使

48、用輸出電容能改變瞬態(tài)響應(yīng)。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。 lm117能夠有許多特殊的用法。比如把調(diào)整端懸浮到一個(gè)較高的電壓上，可以用來(lái)調(diào)節(jié)高達(dá)數(shù)百伏的電壓，只要輸入輸出壓差不超過(guò) lm117的極限就行。當(dāng)然還要避免輸出端短路。還可以把調(diào)整端接到一個(gè)可編程電壓上，實(shí)現(xiàn)可編程的電源輸出。lm117特性簡(jiǎn)介：可調(diào)整輸出電壓低。保證 1.5a 輸出電流。典型線性調(diào)整率 0.01%。典型負(fù)載調(diào)整率 0.1%。 80db 紋波抑制比。輸出短路保護(hù)。過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)。調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)三端晶體管封裝。如圖3-2所以，通過(guò)lm177把5v電壓轉(zhuǎn)化為dsp所要求的3.3v供電

49、電壓。圖3-2dsp電源轉(zhuǎn)換電路3.3jtag接口電路設(shè)計(jì)jtag掃描邏輯電路用于仿真和調(diào)試，采用jtag可實(shí)現(xiàn)在線仿真，同時(shí)也是調(diào)試過(guò)程中裝載數(shù)據(jù)、代碼的唯一通道。通過(guò)jtag接口可將仿真器與目標(biāo)系統(tǒng)相連接。一般在dsp芯片內(nèi)部都集成有jtag模塊，通過(guò)燒寫(xiě)器與jtag電路連接將調(diào)試程序燒寫(xiě)到dsp內(nèi)部的flash中。圖3-3為jtag接口電路。圖3-3為jtag接口電路3.4復(fù)位電路本系統(tǒng)采用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位相結(jié)合的方法，使得系統(tǒng)在出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)人工手動(dòng)即可復(fù)位。復(fù)位后芯片從000h單元開(kāi)始執(zhí)行程序即初始化。圖3-4為復(fù)位電路。圖中rs接入dsp2407的復(fù)位引腳腳。dsp2812的復(fù)位

50、引腳為低電平有效，當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)s被按下，rs引腳被拉為低電平，此狀態(tài)持續(xù)6個(gè)時(shí)鐘周期后，系統(tǒng)被復(fù)位。圖3-4復(fù)位電路3.5 pwm隔離放大調(diào)理電路如圖3-5所示，dsp輸出的pwm信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后，進(jìn)行放大和調(diào)理后作用在mosfet開(kāi)關(guān)管，在沒(méi)有dsp信號(hào)時(shí)光耦將電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與dsp的pwm信號(hào)隔離，當(dāng)dsp輸出pwm信號(hào)時(shí)，光耦導(dǎo)通。經(jīng)過(guò)三極管共射放大后輸出pwmo1兩個(gè)二極管起到鉗位作用。圖3-5pwm隔離放大電路3.6轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計(jì)如圖3-6所示首先電機(jī)內(nèi)部的速度傳感器輸出一個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)j采集然后通過(guò)lm358的跟隨和運(yùn)放對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)和放大最后將調(diào)理好的信號(hào)送到dspadcin0這個(gè)a

51、d采樣口完成對(duì)速度信號(hào)的采集。圖3-6速度采集電路3.7直流電動(dòng)機(jī)pwm調(diào)速電路設(shè)計(jì)如圖36所示，在電路中，mosfet q10和q11的控制信號(hào)波形相同，q9和q12的控制信號(hào)相同，并且這兩路控制信號(hào)相位相反。當(dāng)q10和q11的控制信號(hào)為高時(shí)，q10和q11導(dǎo)通，電流從電機(jī)正向流入電機(jī)，從負(fù)向流出，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)q10和q11的控制信號(hào)由高到低時(shí)，q10和q11關(guān)斷。由于電機(jī)電流要維持原流向，電流就從vd3流向電機(jī)再流向vd2，所以q2和q3不會(huì)立即導(dǎo)通。等電流衰減到0時(shí)，q9和q12導(dǎo)通，電流從負(fù)向流入電機(jī)，從正向流出，電機(jī)反轉(zhuǎn)。等到控制信號(hào)再次變化時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程。交替導(dǎo)通時(shí)，電樞兩端的電

52、壓波形如下圖37所示，由于電機(jī)機(jī)械慣性的作用，決定電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的僅為電樞電壓的平均值vav。圖3-7直流電機(jī)調(diào)速電路 圖3-8為電樞兩端的電壓波形3.8晶振電路設(shè)計(jì)一塊控制板的最小系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分，即系統(tǒng)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)采用有源晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘，有源晶振頻率為10mhz，具體到系統(tǒng)功能模塊可以通過(guò)寄存器的設(shè)置按需要進(jìn)行分頻和倍頻。該模塊的電路連接如圖3-9所示。圖中xtal2_in接入dsp2407的時(shí)鐘輸入引腳。圖3-9晶振電路3.9顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用金鵬公司的12864的c系列，c 系列中文模塊可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫(huà)面混合顯示功能。提供

53、三種控制接口，分別是8 位微處理器接口，4 位微處理器接口及串行接口（ocmj4x16a/b 無(wú)串行接口）。所有的功能，包含顯示ram，字型產(chǎn)生器，都包含在一個(gè)芯片里面，只要一個(gè)最小的微處理系統(tǒng)，就可以方便操作模塊。內(nèi)置2m-位中文字型rom (cgrom) 總共提供8192 個(gè)中文字型(16x16 點(diǎn)陣)，16k-位半寬字型rom (hcgrom) 總共提供126 個(gè)符號(hào)字型(16x8 點(diǎn)陣)，64 x 16-位字型產(chǎn)生ram (cgram)，另外繪圖顯示畫(huà)面提供一個(gè)64x256 點(diǎn)的繪圖區(qū)域（gdram），可以和文字畫(huà)面混和顯示。提供多功能指令：畫(huà)面清除（display clear）、光標(biāo)

54、歸位（return home）、顯示打開(kāi)/關(guān)閉（display on/off）、光標(biāo)顯示/隱藏（cursor on/off）、顯示字符閃爍（display character blink）、光標(biāo)移位（cursor shift）顯示移位（display shift）、垂直畫(huà)面旋轉(zhuǎn)（vertical line scroll）、反白顯示（by_line reverse display）、待命模式（standby mode）。外形結(jié)構(gòu)如圖3-10所示圖3-10顯示設(shè)備外形主要參數(shù)：工作電壓(vdd)：4.55.5v、邏輯電平:2.75.5v、lcd驅(qū)動(dòng)電壓(vo)：07v、工作溫度(top)：055(

55、常溫)/-2070（寬溫）、保存溫度(tst)：-1065 常溫)/-3080（寬溫)。圖3-11顯示電路3.10正反轉(zhuǎn)及調(diào)速電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中采用按鍵鎖定的方式控制正反轉(zhuǎn)電路，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)按鍵被按下后，鎖定正轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)電路也是如此。電路如圖3-12所示。圖3-12顯示電路在實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)pwm的驅(qū)動(dòng)平均電壓時(shí)實(shí)現(xiàn)，在此采用按鍵給dsp信號(hào)由dsp調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，電路如圖3-13所示。圖3-13 調(diào)速電路3.11 ir2110驅(qū)動(dòng)電路ir2110s是一款mosfet驅(qū)動(dòng)芯片 電源電壓 最大:20v電源電壓 最小:10v輸出電壓:520v輸出電壓 最大:20v輸出電壓 最小:10v輸出電流:2.5a電路如圖3-14所示。圖3-14 ir2110