速度負反饋預處理電路

1、基于DSP技術的數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)介紹DSP技術應用于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)是近十年的事情。利用DSP功能多、容量大、運算速度快、控制規(guī)律容易改變等優(yōu)點，可以很方便的通過軟件編程實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的控制算法，并且可提高閉環(huán)精度，具有比模擬系統(tǒng)高許多的動、靜態(tài)性能指標。并且DSP引入到調(diào)速系統(tǒng)后，整個系統(tǒng)可具有自診斷能力，維護檢修方便，可靠性提高等特點。基于DSP芯片TMS320LF2407A的數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如下：圖1 基于DSP技術的數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖此處我們選用TI公司出品的16位高性能DSP芯片TMS320LF2407A作為主控器件，由于TMS320LF

2、2407A本身帶有高精度A/D轉(zhuǎn)換器，使得A/D轉(zhuǎn)換非常方便，可以省去單獨的模擬轉(zhuǎn)換器。另外，TMS320LF2407A還帶有多達12路的脈寬調(diào)制輸出通道，可方便的產(chǎn)生對稱式或非對稱式的PWM脈沖信號，這樣我們便可以省去模擬電路中脈寬調(diào)制器UPW及調(diào)制波發(fā)生器GM等模擬環(huán)節(jié)。設計中在主控電路方面保留了相應的隔離驅(qū)動電路部分，速度、電流和電壓檢測仍采用模擬電路。由于結合了模擬電路和數(shù)字電路的優(yōu)點，使得整個調(diào)速系統(tǒng)既具有響應速度快，穩(wěn)定度好的特點，又可提高速度精度和系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標，并且充分利用DSP自身特點，使整個控制器體積減小、方便靈活、價格低廉。圖1中是基于DSP技術的數(shù)字式直流調(diào)速系

3、統(tǒng)原理框圖，大體可分為兩大部分，其一是由DSP芯片TMS320LF2407A所構成的數(shù)字式核心控制器部分，主要包括數(shù)字式速度調(diào)節(jié)器、脈寬調(diào)制電路、捕獲單元和A/D器等四部分。其二是由模擬電路所構成的外圍硬件電路部分，主要用于為DSP構成的控制器服務，包括速度給定預處理電路、速度負反饋預處理電路、隔離驅(qū)動電路和PWM變換器。 圖1中描述的基于DSP技術的數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理為：首先，由用戶給定電機轉(zhuǎn)速信號經(jīng)速度給定預處理電路處理后送入DSP芯片的A/D轉(zhuǎn)換通道ADCIN00，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP片內(nèi)由軟件生成的數(shù)字式速度調(diào)節(jié)器與來自光電開關和碼盤轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過速度反饋預處理電路后

4、，送入DSP芯片的捕獲單元轉(zhuǎn)換通道中的數(shù)字速度信號進行運算處理，處理后的信號送入DSP芯片的PWM脈寬調(diào)制電路，根據(jù)運算處理的相應結果修改EVA模塊中比較單元的16位比較寄存器和的值并裝入，再通過與EVA模塊中周期寄存器的值相比較并通過軟件編程對其它相關寄存器進行相應設置，便可自動生成四路對稱式PWM信號。由DSP芯片生成的四路對稱式PWM信號經(jīng)過外圍硬件隔離驅(qū)動電路的處理，用于進一步為由四只功率MOSFET組成的H型PWM變換器和有刷直流電動機構成的主電路提供相匹配的驅(qū)動信號。當用戶給定速度信號發(fā)生變化時，電壓、電流和速度負反饋預處理電路中的反饋信號也將發(fā)生實時變化，并經(jīng)過DSP構成的高速數(shù)

5、字調(diào)節(jié)器進行運算處理后重新生成相應脈沖寬度的四路PWM信號，通過調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度便可輕松達到調(diào)壓調(diào)速的目的，從而實現(xiàn)對直流電動機轉(zhuǎn)速的實時控制，完成對數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的設計速度檢測方案方案一： 光電開關傳感器測速光電開關傳感器的定義:光電開關傳感器是利用光束如近紅外線和紅外線的來檢測、判別物體。通過光電裝置瞬間發(fā)射的微弱光束能被安全可靠的準確的發(fā)射和接收。光是一種電磁射波，傳遞速度約為300000千米/秒，在發(fā)射的一瞬間被其接收，使傳感器快速響應。光電開關測速傳感器的原理： 光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成它們分為：發(fā)送器、

6、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電開關的結構元件中還有發(fā)射板和光導纖維。三角反射板是結構牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。分類和工作方式槽型光電傳感器把一個光發(fā)射器和

7、一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。對射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關就稱為對射分離式光電開關，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。反光板型光電開關把發(fā)光器和收光器裝入

8、同一個裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關信號。 光電開關測速傳感器的特點： 檢測距離長 對檢測物體的限制少 響應時間短 分辨率高 可實現(xiàn)非接觸的檢測 可實現(xiàn)顏色判別 便于調(diào)整 硬件電路的設計：設計采用了紅外光電傳感器，

9、進行非接觸式檢測。當有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時，傳感器將會輸出一個低電平，而當沒有物體擋在中間時則輸出為高電平，從而形成一個脈沖。系統(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動機，并在電動機的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。在這個轉(zhuǎn)盤的邊沿處挖出若干個圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。每當轉(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機可以識別的TTL電平，即可算出輪子即時的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤的圓孔的個數(shù)決定了測量的精度，個數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因為兩個過孔之間的距離過大，而正好在過孔之間或者是

10、在下個過孔之前停止了，造成較大的誤差。設計中轉(zhuǎn)盤的圓孔的實際個數(shù)受到技術的限制。為了達到預定的效果設計在轉(zhuǎn)盤過孔的設計上采用12個過孔，從而留下了11個同等的間距。這樣在以后的軟件設計中能夠較為方便的計算出脈沖頻率。脈沖發(fā)生源的硬件結構如下圖所示。光電傳感器測速電路原理圖及示意圖：光電傳感器速度控制系統(tǒng)方框示意圖：方案二：霍爾傳感器測速霍爾傳感器的定義：霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金屬的導電機構時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這

11、現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。霍爾傳感器的原理：其工作原理是：利用霍爾開關元件測轉(zhuǎn)速，內(nèi)部具有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路，其輸出電平和TTL電平兼容。在待測旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸上裝上一個圓盤，在圓盤上裝上若干對小磁鋼，小磁鋼愈多分辨率越高。霍爾開關固定在小磁鋼附近，當旋轉(zhuǎn)體以角速度M 旋轉(zhuǎn)時，每當一個小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關，霍爾開關便輸出一個脈沖，計算出單位時間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)體的速度。

12、霍爾傳感器的特點：1、 霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓2、 原邊電路與副邊電路之間完全電絕緣3、 精度高4、 線性度好：優(yōu)于0.1%5、 動態(tài)性能好6、 霍爾傳感器模塊這種優(yōu)異的動態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關鍵的基礎。7、 工作頻帶寬8、 過載能力強9、 模塊尺寸小，重量輕，易于安裝，它在系統(tǒng)中不會帶來任何損失。10、 模塊的高靈敏度11、 可靠性高12、 抗外磁場干擾能力強硬件電路的設計：測速的方法決定了測速信號的硬件連接，測速實際上就是測頻，因此，頻率測量的一些原則同樣適用于測速。通?？梢杂糜嫈?shù)法、測脈寬法和等精度法來進行測試。所謂計數(shù)法，就是給定一個閘門時間，在閘門時間

13、內(nèi)計數(shù)輸入的脈沖個數(shù)；測脈寬法是利用待測信號的脈寬來控制計數(shù)門，對一個高精度的高頻計數(shù)信號進行計數(shù)。由于閘門與被測信號不能同步，因此，這兩種方法都存在1誤差的問題，第一種方法適用于信號頻率高時使用，第二種方法則在信號頻率低時使用。等精度法則對高、低頻信號都有很好的適應性。圖2是測速電路的信號獲取部分，在電源輸入端并聯(lián)電容C2用來濾去電源尖嘯，使霍爾元件穩(wěn)定工作。HG表示霍爾元件，采用CS3020，在霍爾元件輸出端（引腳3）與地并聯(lián)電容C3濾去波形尖峰，再接一個上拉電阻R2，然后將其接入LM324的引腳3。用LM324構成一個電壓比較器，將霍爾元件輸出電壓與電位器RP1比較得出高低電平信號給單片

14、機讀取。C4用于波形整形，以保證獲得良好數(shù)字信號。LED便于觀察，當比較器輸出高電平時不亮，低電平時亮。微型電機M可采用 型，通過電位器RP1分壓，實現(xiàn)提高或降低電機轉(zhuǎn)速的目的。C1電容使電機的速度不會產(chǎn)生突變，因為電容能存儲電荷。電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系)： 當“”輸入端電壓高于“”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平； 當“”輸入端電壓低于“”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平；比較器還有整形的作用，利用這一特點可使單片機獲得良好穩(wěn)定的輸出信號，不至于丟失信號，能提高測速的精確性和穩(wěn)定性。方案三： 變磁阻傳感器測速變磁阻傳感器的定義

15、：利用磁路中磁阻的變化，將被測量變化轉(zhuǎn)換成交流電壓變化的傳感器。 磁阻式傳感器。變磁阻傳感器的原理：將位移、轉(zhuǎn)速、加速度等非電物理量轉(zhuǎn)換為磁阻變化的傳感器。它包括電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器。 變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 它屬于變磁阻式傳感器。變磁阻式傳感器的三種基本類型，電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器都可制成轉(zhuǎn)速傳感器。電感式轉(zhuǎn)速傳感器應用較廣，它利用磁通變化而產(chǎn)生感應電勢，其電勢大小取決于磁通變化的速率。這類傳感器按結構不同又分為開磁路式和閉磁路式兩種。開磁路式轉(zhuǎn)速傳感器結構比較簡單，輸出信號較小，不宜在振動劇烈的場合使用。閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器由裝在轉(zhuǎn)軸上的外齒輪、內(nèi)齒

16、輪、線圈和永久磁鐵構成。內(nèi)、外齒輪有相同的齒數(shù)。當轉(zhuǎn)軸連接到被測軸上一起轉(zhuǎn)動時，由于內(nèi)、外齒輪的相對運動，產(chǎn)生磁阻變化，在線圈中產(chǎn)生交流感應電勢。測出電勢的大小便可測出相應轉(zhuǎn)速值。在可變磁阻傳感器中,模擬信號必須經(jīng)過信號處理電路使輸出與轉(zhuǎn)速成比例的脈沖信號。變磁阻傳感器特點：1.結構簡單 2.靈敏度高分辨率大。 3.重復性好線信度優(yōu)良 方案選擇論證：光電傳感器與霍爾傳感器、可變磁阻傳感器的性能比較： 1) 結構。目前在結構上0.1 mA/1 V光電傳感器與5 mA/25 mA霍爾傳感器完全相同，引腳定義只是光電傳感器在引腳上多了地線引腳，其他相同。如圖1所示。2) 規(guī)格。維博電子公司的光電傳感

17、器規(guī)格是0.1 mA/1 V、12 V電源，另外兩家霍爾傳感器是5 mA/25 mA、12 V電源。3) 電源拉偏。光電傳感器電源拉偏范圍為10.813.2 V，霍爾傳感器電源拉偏范圍是416 V。4) 功耗。功耗測試方法是檢測電源線上電流，然后再以電源電壓與線上電流的乘積來計算功耗。測試發(fā)現(xiàn)光電傳感器的靜態(tài)功耗為16 mA，霍爾傳感器的靜態(tài)功耗為12 mA。測試表明從產(chǎn)品的內(nèi)部功耗來看，霍爾傳感器要優(yōu)于光電傳感器。但是，計算前端采樣電阻的功耗，再算產(chǎn)品的功耗，光電傳感器就會明顯優(yōu)于霍爾傳感器。5) 頻帶。頻帶測試方法是將產(chǎn)品在50 Hz標定，然后改變頻率、額定輸入電流大小不變，測試輸出電壓。

18、截止頻率是額定輸入電流大小不變、改變頻率使輸出值為額定值的0.707倍時的頻率。測試發(fā)現(xiàn)光電傳感器在01 500 Hz時輸出引用誤差在0.5級精度范圍內(nèi)?；魻杺鞲衅髟?200 Hz時輸出引用誤差在0.5級精度范圍內(nèi)，截止頻率為1.5 kHz。6) 隔離耐壓。光電傳感器的隔離耐壓為DC 3 000 V，霍爾傳感器的隔離耐壓為AC 3 000 V?；魻杺鞲衅髟诟綦x耐壓方面明顯優(yōu)于小體積的光電傳感器。7)響應時間。響應時間的測試方法是輸入方波信號，用示波器監(jiān)視輸入輸出信號，以輸入信號從最小值上升到最大值時，輸出信號上升到最大值的90%時的時間，如圖2所示。測試發(fā)現(xiàn)，光電傳感器的響應時間為45 s，霍爾傳感器的響應時間為250 s。8) 溫漂。溫漂的計算方法是溫漂(106/)= 最大漂移量/(量程范圍溫度變化值)106溫度實驗表明在07 0時，光電傳感器的溫漂為100106/，霍爾傳感器的溫漂為300106/。光電傳感器在頻帶、響應時間、溫漂、整體