無刷電機(jī)運(yùn)動控制實(shí)習(xí)報(bào)告

1、運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)習(xí)題 目: 無刷電機(jī)開環(huán)控制 姓 名: 學(xué) 院: 工學(xué)院 專 業(yè): 農(nóng)業(yè)電氣化與自動化 班 級: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 職稱: 2015年 6月 25 日目錄摘要 ···································&

2、#183;······· 1一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求:························1二、硬件說明···············

3、··············1 2.1 控制板························1 2.2 功率板·········

4、···················2 2.3 按鍵及顯示························5三、軟件設(shè)計(jì)····

5、··························6 3.1 CCS開發(fā)軟件······················

6、;··6 3.2 程序流程圖····························6 3.3 各個(gè)子模塊················&

7、#183;·······74、 主程序設(shè)計(jì)··································135、 程序調(diào)試與燒寫····

8、3;·························14六、實(shí)習(xí)總結(jié)·······················&#

9、183;·····15- 21 -摘要：本控制系統(tǒng)是以TMS320F2812型DSP為核心控制器的伺服電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，主要介紹了控制系統(tǒng)的工作原理和控制方法，硬件部分主要由功率板、控制板和顯示板構(gòu)成，軟件部分采用矢量控制算法及空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）予以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用速度閉環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高精度調(diào)速。1、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1、 CCS5 開發(fā)環(huán)境學(xué)習(xí)；2、 硬件整體結(jié)構(gòu)；3、 軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4、 程序燒寫與整機(jī)測試 2、 硬件說明2.1控制板控制板硬件如圖2-1-1所示：圖2-1-1 控制板硬件1、電源接口外供+5V輸入，+3.3V輸出

10、。該接口為雙排針，“+5V”標(biāo)識對的一排都為+5V輸入，“GND”和“+3.3V”同理。在控制板通電后+5V和+3.3V指示燈會點(diǎn)亮。注：在連接了功率板后，功率板會給驅(qū)動板供電，請不要在電源接口處輸入+5V。2、通信接口：標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，引腳說明：2-TX，3-RX，5-GND。：CAN總線接口，引腳說明：1-CANH，2-CANL。3、GPIO接口對應(yīng)的功能如排針旁標(biāo)識所示。4、顯示板接口顯示板直接用串口控制，免去以前用DSP查詢鍵盤和控制顯示的麻煩，節(jié)省了CPU時(shí)間。鍵盤顯示板的串口波特率是9600bps，無校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位8，停止位1。引腳說明：1-+5V，3-GND，5-TXB，7

11、-RXB，8、10-連接顯示板點(diǎn)亮指示燈，2、4、6、9-NC5、編碼器接口此編碼器接口用于輸入差分增量式編碼器，此差分信號經(jīng)過26ls32轉(zhuǎn)換成電壓信號給DSP , 在板子上還留出了此信號的引腳便于測試。此接口可以接兩路編碼器接口，A,B,Z 和 U,V,W 可以用于接伺服電機(jī)的編碼器輸出和hall輸出。引腳說明：1 - A，3-A，5 - B，7 - B，9 - Z，11 - Z。其中差分信號轉(zhuǎn)換后的A連接在DSP的QEP1，B連接在QEP2，Z連接在QEP11。2 - U，4 - U，6 - V，8 - V，10 - W，12 - W。其中差分信號轉(zhuǎn)換后的U連接在DSP的QEP3，V連接

12、在QEP4，W連接在QEP12。13 - +5V,14 - GND。6、功率板接口見功率板硬件說明圖標(biāo)7、AD_IN接口模擬信號輸入引腳，引腳說明：1-模擬地，2-3.3V，310-ADCINB70，11和12-ADCLO，1320- ADCINA07。8、JTAG接口仿真及下載程序用。9、PWMDAC（10）EVB的 PWM7,PWM9,PWM11和T3CMPDAC 的輸出經(jīng)過一階有源低通濾波的輸出（其中低通濾波的截止頻率可以自己根據(jù)需要修改電阻和電容值）用于調(diào)試的時(shí)候輸出需要查看的值，和輸出直流量。2.2功率板功率板硬件如圖2-2-1圖2-2-1 功率板硬件1、電源接口 ：需外供+15V電

13、源。供電正常，旁邊的指示燈亮，用于給功率板的IGBT驅(qū)動部分供電，功耗約1W，此+15V電源的地220V整流后的直流側(cè)的地相連，板子上有表明+15V的接頭處為正。注意連接。：需外供+5V電源，供電正常，旁邊的指示燈亮，用于給控制板供電，注意此電源與+15V完全隔離，所有外部的供電與+15V不能共地，否則可能造成嚴(yán)重后果，（此外與控制板的+5V是相連的，故這里供電，控制板就不用供電了）。：外部220V供電，供電正常，旁邊的指示燈亮。我們附送的電源線和一個(gè)空開，電源經(jīng)過空開再給開發(fā)板供電，防止意外發(fā)生。2、輸出接口三相PWM輸出。3、繼電器接口由于直流側(cè)有大電容，則上電的時(shí)候?qū)﹄娙莩潆姇兴矔r(shí)大電

14、流，這時(shí)候插電源的時(shí)候容易燒壞熔斷絲，我們可以通過外部使用一個(gè)電阻和繼電器來防止這種情況，如圖1-2-3所示，此繼電器的線圈參數(shù)12VDC，觸點(diǎn)容量根據(jù)電機(jī)功率來確定。控制通過接口的11引腳來控制。圖2-2-24、制動電阻接口作用：A、在電機(jī)需要制動時(shí)，斷開繼電器，斷開220V供電，可將電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢在電阻上消耗以達(dá)到快速制動的目的。（如果用直流灌電流制動，就不需要了）B、在斷電后將此導(dǎo)通消耗掉電容上的余電，以免發(fā)生觸電危險(xiǎn)。5、 報(bào)警指示a.兩個(gè)紅色指示燈同時(shí)亮，為上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通報(bào)警，原因是輸入的控制同一橋臂的PWM波，讓上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通了，這種情況一定要防止發(fā)生。因?yàn)檫@樣相當(dāng)于把直流

15、側(cè)直接短接，后果嚴(yán)重。我們的開發(fā)板已在硬件上防止這種情況發(fā)生，發(fā)生這種情況會關(guān)閉所有的IGBT，并有指示燈指示。b.只有D15,I_OVERLOAD指示燈亮，表示過流。引起的原因：直流側(cè)電流過流，當(dāng)出現(xiàn)此情況時(shí)，硬件關(guān)閉所有的IGBT，并點(diǎn)亮指示燈，板子默認(rèn)的過流值為8A。如果因電流大小需要更改時(shí)，可以按如下的公式計(jì)算。6、控制板接口a. 排針引腳1，3：I_V_dsp，I_U_dsp。 V相和U相的電流檢測值計(jì)算公式如下： I=N*Ix N:經(jīng)過霍爾傳感器線圈的匝數(shù)； Ix：V相或U相的電流.b. 排針引腳5：I_dc_dsp 直流側(cè)電流的檢測值，計(jì)算公式為 Vout_Idc=Idc*0.0

16、25*11+offset_Idc Idc:實(shí)際的直流側(cè)電流值； Vout_Idc：即I_dc_dsp，直流側(cè)電流值對應(yīng)的電壓信號值。這就是AD所采集的信號；offset_Idc：偏置電壓。當(dāng)電流為0時(shí)，由于線性光耦和放大器的特性，其輸出也會有一個(gè)值，一般可用萬用表測量，這里給出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值70mVc. 排針引腳7：U_dc_dsp 直流側(cè)電壓的檢測值，計(jì)算公式為 Vout_Udc=Udc*+offset_Udc Udc:實(shí)際的直流側(cè)電壓值； Vout_Udc：即U_dc_dsp，直流側(cè)電壓值對應(yīng)的電壓信號值。這就是AD所采集的信號；offset_Udc：偏置電壓。當(dāng)電壓為0時(shí)，由于線性光耦和放大

17、器的特性，其輸出也會有一個(gè)值，一般可用萬用表測量，這里給出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值5mV。d.排針引腳9：t_drive_dsp 功率板溫度信號t_drive_dsp=t*10mv+offset_tt : 當(dāng)前實(shí)際溫度。offset_t : 偏置電壓。溫度為0時(shí)候，t_drive_dsp的一個(gè)電壓值，溫度增加，電壓就再其基礎(chǔ)上疊加。t_drive_dsp : 輸出給DSP的溫度信號。e.排針引腳11：relay_dsp驅(qū)動繼電器信號：高電平有效（高電平為5V），低電平時(shí)灌電流約10ma，(DSP板有反相器，所以DSP輸出低電平有效)。用以控制繼電器接口(號接口）所接的繼電器。f.排針引腳13：R_dc_ds

18、p驅(qū)動制動電阻信號，高電平有效（高電平為5V），低電平時(shí)灌電流約10ma，(DSP板有反相器，所以DSP輸出低電平有效)。制動電阻接口（號接口）所接的制動電阻是否連接在Udc上。g.排針引腳2，4：Vcc，Vcc_GND +5V與號接口相通，功率板與控制板只接一個(gè)+5V即可。h.排針引腳6.8.10.12.14.16：PWM1_dspPWM6_dsp 高電平有效（高電平為5V），低電平時(shí)灌電流約10ma，(DSP板有反相器，所以DSP輸出低電平有效)Pwm1_dsp , Pwm2_dsp 分別對應(yīng)U相的上橋臂和下橋臂的控制信號。Pwm3_dsp , Pwm4_dsp 分別對應(yīng)U相的上橋臂和下橋

19、臂的控制信號。 Pwm5_dsp , Pwm6_dsp 分別對應(yīng)U相的上橋臂和下橋臂的控制信號。i.排針引腳18.20：連接控制板點(diǎn)亮指示燈。7、散熱片板子背面連接有散熱片，但如果長時(shí)間連接大功率電機(jī)，請加一個(gè)軸流風(fēng)機(jī)在散熱片上。增強(qiáng)散熱性。8、使用功率板注意事項(xiàng)a 、若通了220V電源后請勿在用手觸碰功率板，斷電后也需隔一段時(shí)間才能觸碰，因?yàn)橹绷鱾?cè)電容仍有高壓存在；（可以在制動電阻接口接一個(gè)5K 10W的電阻，當(dāng)關(guān)閉后，接通電阻放電。）b 、當(dāng)剛開始測試自己寫的程序時(shí)，建議不要通220V的電壓，可以用2448V代替。策措施程序正確后，再將程序燒到flash，并用220V測試；c 、當(dāng)必須通2

20、20V仿真，停止程序的時(shí)候，必須先斷開220V電源，再停止程序，否則會出現(xiàn)過流現(xiàn)象。建議測試時(shí)用2448V，而用220V時(shí)需要看參數(shù)，此時(shí)就用串口發(fā)出在電腦中時(shí)時(shí)看。2.3按鍵及顯示1、鍵盤的使用 按下顯示板上的按鈕，顯示板向DSP板發(fā)送鍵盤信息，顯示板的鍵盤依次從左到右，從上到下，對應(yīng)著鍵值依次為0x000x07，也就是按下相應(yīng)的鍵，顯示板就向DSP板發(fā)送相應(yīng)的鍵值。按下鍵就能檢測到一個(gè)串口中斷，免去了查詢的麻煩。 2、顯示的使用 顯示的控制，只需要通過串口向顯示板發(fā)送一個(gè)8bit的數(shù)。具體的幀格式如下表所示。Bit7Bit65Bit 4Bit 301：顯示小數(shù)點(diǎn) 0：不顯示00：顯示板最左

21、邊一位 01：左數(shù)第二位 10：左數(shù)第三位 11：左數(shù)第四位0：基本字符00001111：對應(yīng)顯示0F1：特殊字符00000007：依次為全滅，全亮，d，i，s，p，o，r，-3、 軟件設(shè)計(jì)3.1 CCS開發(fā)軟件如圖3-1-1所示，軟件是TI公司提供的CCS5.5開發(fā)軟件，硬件需要仿真器和目標(biāo)板。 圖3-1-1 DSP開發(fā)時(shí)所需要的工具CCS是開發(fā)DSP所需要的IDE（集成開發(fā)環(huán)境，）程序的編寫，調(diào)試DSP代碼都需要在CCS軟件中進(jìn)行。由于CCS3.3的諸多不便，自CCS4起，開始采用Eclipse開源軟件框架，可在加速問題識別、分析以及解決的同時(shí)顯著簡化開發(fā)工作。本文檔介紹的是TMS320F

22、2812的DSP，因此所需要的目標(biāo)板是TI公司的DSP TMS320F2812的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)板，開發(fā)時(shí)需要將編譯成功的代碼下載到DSP中，然后運(yùn)行代碼，進(jìn)行調(diào)試。仿真器的作用就是連接CC S軟件和DSP芯片，起到協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)茸饔?，就像一個(gè)橋梁一樣，DSP開發(fā)時(shí)調(diào)試、下載、燒寫等操作都是需要通過仿真器來完成的。3.2程序流程圖 3.3 各個(gè)子模塊3.3.1 斜坡控制模塊Rmp-cntl功能：此模塊產(chǎn)生一個(gè)斜坡上升和斜坡下降的功能。轉(zhuǎn)速信號輸入給”Rmp_cntl”模塊（此模塊產(chǎn)生斜坡函數(shù)，輸出需要再一定時(shí)間內(nèi)線性加大或減小逐步達(dá)到輸入，這樣可以消除輸入突變產(chǎn)生的抖動），”Rmp_cntl”

23、模塊輸出信號作為速度給定。當(dāng)輸出變量SetpointValue等于輸入變量，輸出變量EqualFlag會設(shè)置成7FFFFFFFh。當(dāng)TargetValue > SetpointValue時(shí)SetpointValue = SetpointValue+ _IQ(0.0001)SetpointValue 大于最大限制值時(shí) SetpointValue = RampHighLimit當(dāng)TargetValue < SetpointValue時(shí)SetpointValue = SetpointValue- _IQ(0.0001)SetpointValue 小于最小限制值時(shí) SetpointValu

24、e =RampLowLimit3.3.2 PID模塊功能：此模塊是一個(gè)數(shù)字PID控制器，同時(shí)也可以用作PI或者PD控制。PID模塊的框圖如下：PID控制器在未飽和狀態(tài)可以由如下等式描述：上面等式的每個(gè)部分可以表示如下：比例部分：積分部分：微分部分：定義：，然后上面的等式可以寫成如下：注：T是采樣時(shí)間3.3.3 IPARK模塊功能：此模塊完成的是旋轉(zhuǎn)磁場到靜止磁場的變換。模塊完成的是如下等式：3.3.4 Svgendq模塊 功能：此模塊由Ualpha 和 Ubeta 兩個(gè)已知的量得到Ta，Tb，Tc；繼而送入EVA 模塊。一、空間矢量脈寬調(diào)節(jié)器（SVPWM）通過一個(gè)三相電壓逆變器產(chǎn)生。下圖為產(chǎn)生

25、SVPWM的硬件示意圖。三相功率逆變模塊硬件圖如上圖Figure 1 和 Figure 2。它能產(chǎn)生8種可能的開關(guān)狀態(tài)通過功率器件的開或者關(guān)。這些開關(guān)組合能將母線電壓輸出到電機(jī)作為電機(jī)相電壓。各種開關(guān)狀態(tài)如下圖：Clarke變換等式如下：上面等式寫成矩陣如下：（a，b，c）一共有八種可能的狀態(tài)，則Vs and Vs也相應(yīng)的能產(chǎn)出八種有限的輸出值。 Vs and Vs的值與(VAN, VBN, VCN) 值的關(guān)系列出如下表:Vs 和 Vs的值在Table 2已列出，(,) 組成的基本空間矢量由(c,b,a)不同的開關(guān)狀態(tài)決定。Table 2中的最后一列列出的是空間矢量值對應(yīng)著開關(guān)量(c,b,a)

26、。例如(c,b,a)=001則空間矢量為U0。八種基本的空間矢量由功率器件的開關(guān)狀態(tài)所決定，如Figure 3所示?？臻g矢量PWM技術(shù)（SVPWM）的目的是產(chǎn)生一個(gè)近似的電機(jī)定子電壓矢量Uout，通過兩個(gè)基本的開關(guān)狀態(tài)的組合產(chǎn)生。參考電壓矢量Uout被產(chǎn)生通過(,) 矢量的組合，表示為Ualpha 和 Ubeta。Figure 4表示出參考電壓矢量，和產(chǎn)生它的(,)矢量組合U0 and U60。圖中也畫出了U0 和U60產(chǎn)生的 和方向的分量。Vs表示的是軸U0 和U60的合成矢量量，Vs表示的是軸U0 和U60的合成矢量。 如圖Figure 4所示，參考電壓矢量Uout是由U0 和U60矢量合

27、成的。所以可以寫成如下等式：從Table 2 和Figure 4可以得出空間向量的幅值是2VDC/3。最大的相電壓幅值為VDC/3，矢量幅值歸一化后得到的是2/3。 所以|U0|= |U60| =2/3。上面兩個(gè)等式可以寫成Ualpha 和Ubeta也可以對比最大相電壓(VDC/3)歸一化為一個(gè)比例值。周期剩余的部分用無效矢量T0填充。有效矢量的時(shí)間占據(jù)總的周期的等式，可以列出如下等式：用同樣的方式，如果Uout在矢量U60 和U120之間，|U60| = |U120| = 2/3（對比最大相電壓VDC/3歸一化），則有效矢量的時(shí)間可以寫成如下等式：現(xiàn)在如果定義3個(gè)變量X, Y 和Z等于如下等

28、式：當(dāng)Uout在U0與U60矢量之間t1= -Z, t2=X。當(dāng)Uout在U60與U120矢量之間t1=Z, t2=Y. 用相同的方式t1 和t2能唄計(jì)算出當(dāng)Uout在各個(gè)區(qū)間的值，如下表所示：可見，判斷扇區(qū)是必要的。具體如下：Uout分解成(,) 兩個(gè)方向的分量，也可以分解成相等相位差的三個(gè)方向的分量。這就是把Ualpha 和 Ubeta變化成相等相位差的三個(gè)方向的變量U1,U2,U3。按照下面列出的CLARKE反變換的等式：再定義，若U1>0 ，則 A=1，否則 A=0； 若U2>0 ，則 B=1，否則 B=0；若U3>0 ，則 C=1，否則 C=0?？梢钥闯?A，B，C

29、 之間共有八種組合，但由判斷扇區(qū)的公式可知 A，B，C 不會同時(shí)為 1 或同時(shí)為 0，所以實(shí)際的組合是六種，A，B，C 組合取不同的值對 應(yīng)著不同的扇區(qū)，并且是一一對應(yīng)的，因此完全可以由 A，B，C 的組合判斷所在的扇區(qū)。為區(qū)別六種狀態(tài)，令 N=4*C+2*B+A，則可以通過下表計(jì)算參考電壓 矢量 Uref 所在的扇區(qū)。表 1-5 N值與扇區(qū)對應(yīng)關(guān)系N315462扇區(qū)號有了扇區(qū)及對應(yīng)扇區(qū)的t1，t2的值后可得taon，tbon，tcon。具體如下：不同扇區(qū)Ta，Tb，Tc和 taon，tbon，tcon對應(yīng)如下：3.3.5 EVA模塊功能：根據(jù)Ta、Tb、Tc產(chǎn)生6路PWM波。Svgendq模

30、塊所得的Ta，Tb，Tc分別送給CMPR1,CMPR2,CMPR3即可獲得6路觸發(fā)脈沖（T1_PERIODS是一個(gè)周期常數(shù)3750）。3.3.6 QEP模塊功能：可將獲得的脈沖譯碼和計(jì)數(shù)，獲得位置和速度。整體思路：讀電機(jī)角度轉(zhuǎn)化為Q15格式計(jì)算角度。編程步驟：1. 檢查旋轉(zhuǎn)方向；2. 檢測定時(shí)器；3. 計(jì)算力學(xué)角度；4.計(jì)算電學(xué)角度。4、 主程序設(shè)計(jì)void main(void)。初始化。 /QEPcalc 讀電角度qep1.calc(&qep1);/speed calcspeed_inc+; if(speed_inc>SpeedLoopPrescaler)speed_inc=0

31、;speed1.ElecTheta = qep1.MechTheta;speed1.calc(&speed1); /計(jì)算得速度速度閉環(huán):rc1.TargetValue = system.Vq;rc1.calc(&rc1); /斜坡模塊/SPEED PIDpid1_spd.Ref = rc1.SetpointValue; /PID調(diào)節(jié)模塊 pid1_spd.Fdb = speed1.Speed;pid1_spd.calc(&pid1_spd);/iparkipark1.Qs = pid1_spd.Out; /2-2坐標(biāo)變換ipark1.Ds = 0;ipark1.Angle = qep1.ElecTheta;ipark1.calc(&ipark1);/svpwm/svgendq模塊 根據(jù)Ualpha Ubeta 產(chǎn)生比較器需要的TA TB TCsvgendq.Ualpha = ipark1.Alpha;svgendq.Ubeta = ipark1.Beta ;svgendq.calc(&svgendq) ; /svgendq模塊 /ev模塊eva.Ta = _IQtoIQ15(svgendq.Ta);eva.Tb = _IQtoIQ15(svgendq.Tb);e