基于DSP的電機控制模塊課程設(shè)計

1、電機控制模塊課程設(shè)計目錄前言一、課設(shè)要求1、1 課題研究的目的1、2 任務(wù)二、系統(tǒng)總體設(shè)計2.1、系統(tǒng)組成框圖2.2、系統(tǒng)主電路2.3、采樣調(diào)理電路2.4、濾波電路設(shè)計三、控制策略與算法3.1、PID算法3.2、SPWM波程序設(shè)計 3.2.1、SPWM波概念 3.2.2、產(chǎn)生SPWM波算法 3.2.3、SPWM實現(xiàn)程序流程圖3.3、交流采樣測量程序?qū)崿F(xiàn) 3.3.1、交/直流變換采樣方式 3.3.2、均方根法 3.3.3、基于瞬時無功理論的檢測方法 3.2.4、傅里葉級數(shù)法.四、實驗的MATLAB仿真實現(xiàn).五、課設(shè)總結(jié)六、 參考文獻附錄一、各模塊原理圖與PCB圖附錄二、源程序代碼前言：直流電機由

2、于勵磁磁場和電樞磁場完全解耦，可以獨立控制，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)用于電力拖動系統(tǒng)中。而隨著對電機控制要求的不斷提高，普通的單片機越來越不能滿足對電機控制的要求，DSP技術(shù)的發(fā)展正好為先進控制理論以及復(fù)雜控制算法的實現(xiàn)提供了有力的支持。電機的控制系統(tǒng)是由檢測裝置、主控制器、功率驅(qū)動器以及上位機組成，其中DSP控制器是電機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)對電機的反饋信號進行處理并輸出控制信號來控制電機的轉(zhuǎn)動。電氣傳動是以電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為控制對象，按生產(chǎn)機械工藝要求進行電動機轉(zhuǎn)速控制的自動化系統(tǒng)。根據(jù)電動機的不同，工程上通常把電氣傳動分為直流電氣傳動和交流電氣傳動

3、兩大類。縱觀電氣傳動的發(fā)展過程，交流與直流兩大電氣傳動并存于各個時期的各大工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，雖然它們所處的地位和作用不同，但它們始終隨著工業(yè)技術(shù)而發(fā)展的。特別是隨著電力電子技術(shù)和微電子學(xué)的發(fā)展，在相互競爭中完善著自身，發(fā)生著變更。由于直流電機具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，因此在工業(yè)場合應(yīng)用廣泛。近代，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在起制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速能力、靜態(tài)特性和動態(tài)響應(yīng)方面都提出了更高的要求，所以計算機控制電力拖動控制系統(tǒng)已成為計算機應(yīng)用的一個重要內(nèi)容。開展本課題研究的控制對象是閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；重點對控制部分展開研究，它包括對實現(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

4、法的探討等內(nèi)容。目前，對于控制對象的研究和討論很多，有比較成熟的理論，但實現(xiàn)控制的方法和手段隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，不斷地進行技術(shù)升級。這個過程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片計算機控制等過程。每一次的技術(shù)升級都是控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進。隨著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級提供了新的可能。電機控制是DSP應(yīng)用的主要領(lǐng)域，隨著社會的發(fā)展以及對電機控制要求的日益提高，DSP將在電機控制領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。一、課設(shè)要求1、1 課題研究的目的1、 鞏固電機控制課程的理論知識。2、 學(xué)習(xí)和掌握中電力電子系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，設(shè)計一個三相400Hz中頻靜止電源

5、；3、養(yǎng)學(xué)生獨立分析和解決工程問題的工作能力及實際工程設(shè)計的基本技能；4、 提高編寫技術(shù)文件和制圖的技能。1、2任務(wù)對三相400Hz中頻靜止電源的理論進行研究，設(shè)計一臺樣機，參數(shù)為400Hz，電壓36V，容量為100VA，電壓穩(wěn)定度96%，失真度小于5%，效率80%。 二系統(tǒng)總體設(shè)計2、1 系統(tǒng)組成框圖圖1 系統(tǒng)組成框圖由圖1可知系統(tǒng)主電路由采樣調(diào)理電路、控制電路、光電隔離驅(qū)動電路和保護電路組成。2、2 系統(tǒng)主電路圖2 主電路系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)主電路是典型的AC-DC-AC逆變電路，由整流電路、中間電路、逆變電路和隔離變壓器構(gòu)成。整流電路將輸入的三相交流電經(jīng)整流；中間電路濾波后的直流電供給逆變器

6、；逆變電路將直流電逆變?yōu)?00Hz的三相正弦交流電。主電路系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。2、3 采樣調(diào)理電路該檢測調(diào)理電路由霍爾檢測、偏置電路和濾波三部分組成。若采樣電壓有效值220V,可以選擇LEM的LV25-P電壓傳感器測量電壓，轉(zhuǎn)換率為2500:1000由于進入DSP的信號范圍為0-3V，LT308-S7的副邊額定有效電流為150mA，所以選擇RM=20歐姆的測量電阻。該電壓傳感器原邊額定有效值電流為10mA，因此原邊選擇R1=22k的限流電阻；副邊額定有效值電流為25mA，選擇RM=120歐姆的測量電阻。 偏置電路和濾波具體參數(shù)如圖3所示：圖3 電壓檢測調(diào)理電路2、4濾波電路設(shè)計常見的濾波電

7、路有LC,LCL等，LC濾波的電路如圖4所示： 圖4 LC濾波電路濾波電路的輸入輸出傳遞函數(shù)為：式中，為基波角頻率，n為諧波次數(shù)。令截止頻率，則：的選擇決定了幅頻特性的基本特征。越大，對高頻的衰減能力越差，越小，對高頻的衰減能越強，但是L、C參數(shù)值增大，會使濾波器成本增加，體積變大，因此需要合理選擇。由于根據(jù)圖4所示，設(shè)濾波電路后端等效負(fù)載阻抗為Z。則在該處阻抗?jié)M足匹配條件：令截止頻率，則：繼而可得，三、控制策略與算法本系統(tǒng)采用DSP2812為主控器件，軟件代碼采用C語言編程，所有小數(shù)運算均轉(zhuǎn)化為Q15格式處理以提高運算速度。程序由主程序和一個中斷服務(wù)程序組成，主程序主要完成初始化和均方根值得

8、計算；定時下溢中斷完成信號的采集、運算和PWM波的輸出。程序流程如圖5所示：在該實驗的程序設(shè)計時，根據(jù)控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，涉及到了PID控制算法的應(yīng)用、SPWM波程序設(shè)計和交流采樣程序設(shè)計三個方面。 3.1、PID控制算法在本系統(tǒng)中選用數(shù)字PID控制算法，數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，需要采用離散化方法。圖5 DSP的序流程圖PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：(1)比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制

9、系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。(2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)T，T越大，積分作用越弱，反之則越強。(3)微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正傳號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。在軟件中實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)的程序如下所示：ek=_IQ15(0.8)-u; /22937,45220給定電壓1.38V的Q15(開環(huán)m=0.5時)的峰峰值，用來做閉環(huán)的參考)if(ek=6553)ek=6553;/對輸入偏差進行限幅if(ek=29491

10、)uk=29491; /0.9的Q15，輸出限幅if(uk=3276)uk=3276; /0.1的Q15 /if(uk=3276)uk=3276;m=uk; 3.2、SPWM波程序設(shè)計 3.2.1、SPWM概念SPWM技術(shù)目前已經(jīng)在實際得到非常普遍的應(yīng)用。經(jīng)過長期的發(fā)展，大致可分成電壓SPWM，電流SPWM和磁通SPWM。其中電壓和電流SPWM是從電源角度出發(fā)的SPWM，而磁通SPWM則是從電動機角度出發(fā)的SPWM。 電壓SPWM技術(shù)是通過生成的SPWM波信號來控制逆變器的開關(guān)管，從而實現(xiàn)電動機電源變頻的一種技術(shù)。 3.2.2、產(chǎn)生SPWM的算法產(chǎn)生電壓SPWM信號的方法有硬件法和軟件法。其中

11、軟件法是使電路成本最低的方法，它通過實時計算來生成SPWM波。但是實時計算對控制器的運算速度要求非常高。DSP無疑是能滿足這一要求的最理想的控制器。電壓SPWM 信號實時計算需要數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型的方法很多，有諧波消去法、等面積法、采樣型SPWM法以及由它們派生出的各種方法。對稱規(guī)則采樣法的數(shù)學(xué)模型非常簡單，但是由于每個載波周期只采樣一次，因此所形成的階梯波與正弦波的逼近程度仍然存在較大的誤差。如果既在三角波的頂點對稱軸采樣，又在三角波的底點對稱軸位置采樣，也就是每個載波周期采樣兩次，這樣所形成的階梯波的逼近程度會大大提高。由于這樣采樣所形成的階梯波與三角波的交點并不對稱，因此稱其為不對稱

12、規(guī)則采樣法。與規(guī)則采樣法相比每個載波周期采樣兩次，這樣形成的階梯波與正弦波的逼近程度會大大提高。由于采用了內(nèi)存大運算速度高的DSP，軟件控制算法選用不對稱規(guī)則采樣法。不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM波如圖5所示：由于采用不對稱規(guī)則的算法，要用到正弦函數(shù)、浮點數(shù)的計算，單獨用匯編語言實現(xiàn)較為麻煩，同時為提高運行速度，故采用C語言與匯編混合編程實現(xiàn)。當(dāng)在三角波的頂點對稱軸位置t1時刻采樣時，則有：當(dāng)在三角波的底點位置t2時刻采樣時，則有 圖6 不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM波將三角形相似關(guān)系式 代入上面兩個式子得： 生成 SPWM波的脈寬為：由于每個載波周期采樣兩次，所以 式中k為偶數(shù)時代表頂點采樣，k

13、為奇數(shù)時底點采樣。不對稱規(guī)則采樣法的數(shù)學(xué)模型盡管略微復(fù)雜一些，但由于其階梯波更接近于正弦波，所以諧波分量的幅值更小，在實際中得到更多的使用。 以上是單相SPWM波生成的數(shù)學(xué)模型。如果要生成三相SPWM波，必須使用三條正弦波和同一條三角波求交點。三條正弦相差120度，即： 如果使用不對稱規(guī)則采樣法，則頂點采樣時有：底點采樣時有：所以，各相的脈寬為：3.2.3、SPWM實現(xiàn)程序流程圖 SPWM程序?qū)崿F(xiàn)的流程圖如圖7所示： 圖7 SPWM產(chǎn)生流程圖3.3、交流采樣測量程序設(shè)計系統(tǒng)中交流特征參數(shù)U 、I 、P、Q 、cos、f 的采樣測量是系統(tǒng)設(shè)計中一個最重要的環(huán)節(jié)。交流采樣有以下3 種方法: 3.3

14、.1、交/直流變換采樣方法 這種采樣方法將交流電流和電壓Uab 、Ia 、Ucb 、Ic先轉(zhuǎn)成直流信號再送A/ D 轉(zhuǎn)換器進行采樣，通過檢測電壓、電流以及兩者之間的相位差，再用公式計算出三相電路的有功功率P、無功功率Q 、功率因數(shù)cos 交/ 直流變換采樣計算方法的優(yōu)點是運算簡單、對A/ D 轉(zhuǎn)換器的速度要求低、運算工作量小、對處理器的速度和性能要求也高， 電流電壓測量的穩(wěn)定性好；它的缺點是首先增加了交/ 直流變換環(huán)節(jié)，變換器反應(yīng)速度慢（至少45 周期） 且精度不高（一般大于0. 2級），所以這種方法測量精度差、反應(yīng)速度慢。其次，由于采用過零比較器，相位差測量比較容易受到干擾，且不易被濾除。另

15、外，相位差測量要占用較多的資源，使得這種方法不適合用于多路測量。使用商化的功率模塊可以避開測量相位差， 但成本提高了很多。因此這種方法只適用于要求不高的場合。3.3.2、均方根法根據(jù)電工學(xué)上對周期性信號有效值和平均功率的基本定義，并將其離散化可以得到： 為了提高精度，在連續(xù)一個周期內(nèi)取N = 20均勻地對交流信號Uab 、Ia 、Ucb 、Ic采樣16次， 算出有效值及對應(yīng)的有功功率P1 、P2 和無功功率Q1 、Q2，再根據(jù)兩表法的原理，計算出各種交流電的特征參數(shù)。這種測量方法的優(yōu)點是精度高、速度快。測量的有效值和平均功率一次就可以計算出來。其包含了基波和各次諧波的綜合參數(shù)，真實地反應(yīng)了被測

16、信號的實際情況， 但缺點是無法將基波和其它諧波分離開來，因此不能反映電源的供電質(zhì)量。另外為保證平均功率的精度必須在同一時刻對電壓電流進行采樣，而增加了部分硬件的投資。3.3.3、基于瞬時無功理論的檢測方法 建立在矢量變換基礎(chǔ)上的瞬時無功理論是由日本學(xué)者Akagi在1984年提出的。其核心是采用一變換矩陣將三相電路的各相電壓和電流瞬時值變換到兩相正交的- 坐標(biāo)系上研究，使基波電流對應(yīng)的瞬時功率為一直流量以便分離。該檢測方法分為p-q運算方式和ip-iq運算方式。三相電路瞬時無功功率理論，首先在諧波和無功電流的實時檢測方面得到了成功的應(yīng)用。目前有源濾波器和靜止無功發(fā)生器中，基于瞬時無功功率理論的諧

17、波和無功電流檢測方法應(yīng)用最多，有關(guān)這方面的內(nèi)容將在第五章內(nèi)容中詳細(xì)講述，本節(jié)主要講述基波信號的檢測。下面以三相電流信號為例簡要說明。設(shè)三相電流信號為： 坐標(biāo)變換理論前面已有介紹，圖8a和8b分別以框圖形式給出了從三相靜止到兩相靜止坐標(biāo)系和從三相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系變換示意圖。 圖8 坐標(biāo)變換示意圖坐標(biāo)變換可采用上述兩種方式進行，以圖b為例轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的關(guān)系式為： 所以，基波電流的幅值和相位為： 同理可求的電壓的大小和相位。其它交流特征參數(shù)P、Q 、cos、f可參照上節(jié)進行求解。 3.3.4、傅里葉級數(shù)法 根據(jù)信號分析理論，周期函數(shù)f ( t ) 的傅里葉級數(shù)展開式經(jīng)推導(dǎo)、離散處理可以得

18、出: 式中: Akrm 、Akxm 、Akm分別是k 次諧波的實部幅值、虛部幅值和正弦波幅值。平衡測量精度和計算工作量，在連續(xù)一個周期的時間間隔內(nèi)均勻地對交流信號Uab 、Ia 、Ucb 、Ic進行12 次采樣， 可以算出各信號基波的電壓實部Uabrm 、Ucbrm 、電壓虛部Uabxm 和Ucbxm 、電壓幅值Uabm和Ucbm 、電流實部Iarm和Icrm 、電流虛部Iaxm和Icxm 、電流幅值Iam和Icm ，進而可以算出三相有效功率P、無功功率Q 和功率因數(shù)cos: 用同樣的方法可以算出其它諧波的特征參數(shù)。從上面的計算過程可以看出，傅里葉級數(shù)法可以計算出各次諧波的各種特征參數(shù)，計算精

19、度較高。這對電源輸出質(zhì)量的分析是非常有用的。根據(jù)以上比較，四種采樣方法各有優(yōu)缺點、各有適用場合。根據(jù)目前需要分析電源輸出交流電的質(zhì)量，用傅里葉級數(shù)法測量交流特征參數(shù)較為適宜。系統(tǒng)用DSP（TMS320LF2812）作處理器，利用其高速的處理能力可以做到采樣速度快、精度高、穩(wěn)定性好、硬件投資和軟件運算工作量適中。四、實驗的MATLAB仿真實現(xiàn) 在該仿真系統(tǒng)中，通過對逆變電壓進行采樣，并進行均方根的運算，然后，對實際值和給定值進行比較，并進行PI調(diào)節(jié)，從而改變SPWM波中的幅值比m，使最終達到逆變變壓穩(wěn)定在給定值左右的目的。理論值為206=49，經(jīng)調(diào)試后實驗值達到了理論值。PI調(diào)節(jié)模塊五、課設(shè)總結(jié)

20、經(jīng)過三周的努力，我們終于完成了課程設(shè)計。在這三周里我學(xué)到了很多有用的知識，對CCS軟件有了更深的了解，溫習(xí)了Protel 99se的使用，學(xué)回了使用multisim和Visio軟件，這些都對以后工作很有用處。課設(shè)中我遇到了很多問題，在老師和同學(xué)的幫助下我學(xué)到了很多東西，提高了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，這次課程設(shè)計鍛煉了我們的綜合實驗?zāi)芰?，對我們很有意義。六、參考文獻1王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù).第五版.北京:機械工業(yè)出版社，2009.2康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).第五版.北京：高等教育出版社，2006.3胡壽松.自動控制原理M.第四版.北京：科學(xué)出版社.2004.4萬山明.TMS320F

21、281xDSP原理及應(yīng)用實例.2007.附錄一：檢測調(diào)理電路檢測調(diào)理電路PCB板電源模塊原理圖附錄二：SPWM波程序#include DSP28_Device.h#include IQmathLib.hUint16 pp=733,j,i,i1=0,k=0,flag=0,r=0,ad1=0,t=0,s=0,sy=0; /*全局變量定義,pp=Tc/4*/long int U; _iq15 sinne512,a116,a216,m,square=0,sum=0; _iq15 u,uk,ek,ek1=0,uk1=0;interrupt void spwm(void); /*中斷函數(shù)聲明*/void

22、Adc(void); /*函數(shù)聲明*/void main(void) InitSysCtrl(); /*初始化系統(tǒng)*/ DINT; /*關(guān)中斷*/ IER = 0x0000; IFR = 0x0000;InitPieCtrl(); /*初始化PIE控制寄存器*/InitPieVectTable(); /*初始化PIE矢量表*/ /InitGpio(); /*初始化I/O口*/InitEv(); /*初始化EV*/InitAdc(); /*初始化ADC*/ EALLOW; /*允許訪問 EALLOW */PieVectTable.T1UFINT = &spwm; /*把中斷地址賦給中斷向量表中定

23、時器1的下溢中斷*/ /PieVectTable.ADCINT = &ad_isr; /*把ad_isr的地址賦給中斷向量表中模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷*/EDIS; /* 重新對EALLOW保護 protected registers*/ /*使能PIE級中斷*/ PieCtrl.PIEIER2.all |= M_INT6; /*使能PIE級中斷第二組第六位（T1UFINT）置1 */PieCtrl.PIEIER1.all = M_INT6; /*使能PIE級中斷第一組第六位（ADCINT）置1，*/ /*使能CPU級中斷*/ IER |= M_INT2; /*使能CPU第二組中斷 */ /IER |=

24、M_INT1; /*使能CPU第二組中斷 */EINT; /*使能全局中斷*/ /ERTM; /*使能實時中斷*/ for(i=0;i512;i+) sinnei=_IQ15sin(i*_IQ15(6.283/512); /*做sin表,為dq變換做準(zhǔn)備用。并且將所有的值轉(zhuǎn)換為Q15格式*/ EvaRegs.T1CON.all|=0x0040;/事件管理器eva的通用定時器1控制寄存器1的第七位寫1，定時器1使能。 /EvaRegs.T2CON.all|=0x0040;/事件管理器eva的通用定時器2控制寄存器1的第七位寫1，定時器2使能 while(1) if(flag=1) int t,s

25、,sy; flag=0; sum=0; for(t=0;t16;t+) sum+=a1t; sum=_IQ15div(sum,_IQ15(16);for(t=0;t16;t+) a2t=a1t-sum; /因為所采集到的正弦波是單極性的，即其中含有直流分量，就是偏上去的值。減去之后 /就是關(guān)于零軸上下對稱了。此處應(yīng)注意，將數(shù)組1中的數(shù)減去偏置量之后存入數(shù)組2; a2t=(a2t*3)3; /對上下對稱的正弦波進行數(shù)據(jù)還原， square=0; for(sy=0;sy=6553)ek=6553;/對輸入偏差進行限幅 if(ek=29491)uk=29491; /0.9的Q15，輸出限幅 if(uk=3276)uk=3276; /0.1的Q15 /if(uk4; /我們用的AD是12位的,但是AD寄存器是16位的,自動存入高12位,必須右移四位才是真實值。 a1i1=U; /這個地方要特別注意,一定要將采集的數(shù)放到數(shù)組里，用以下面程序的運算 i1+; /a1i1+=AdcRegs.RESULT04; if(i1=16) i1=0; flag=