直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

1、 摘要 電動(dòng)機(jī)作為主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。尤其隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的控制策略也發(fā)生了深刻的變化，傳統(tǒng)的模擬控制方法已逐漸被以微控制器為核心的數(shù)字控制方法所取代。采用微處理器， DSP 控制器等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。 ABSTRACT Electromotor as the most important device which can convert the electrical energy into mechanial ones , have been pplied in all fields of our c

2、ountry.With the rapid development of computer techinc and micro electronics technic,control strategy of the electromotor have been profoundly changed.Traditional analog control has been replaced by digital control which is based on microcontroller. With modern technic like the microprocessor ,DSP an

3、d so on,digital control system have been developed rapidly. 第一章 引 言1.1 課題的背景及意義 直流電動(dòng)機(jī)以其調(diào)速性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，在電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域占據(jù)著很重要的位置。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是在大功率電力電子器件問(wèn)世以后，直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)將有逐步被交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)所取代的趨勢(shì)。但在中、小功率的場(chǎng)合，常采用永磁直流電動(dòng)機(jī)的速度控制，只需對(duì)電樞回路進(jìn)行控制，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。而且，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)的要求，軍隊(duì)的武器裝備正朝著高、精、尖的方向發(fā)展。在保證可靠性的前提下，要求武器的控制精度越來(lái)

4、越高，響應(yīng)速度越來(lái)越快，環(huán)境適應(yīng)性越來(lái)越強(qiáng)，控制部分的體積越來(lái)越小，操作也越來(lái)越簡(jiǎn)單。在許多武器裝備中，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用極為廣泛，因此直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)就顯得尤為重要。 隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，信息化引領(lǐng)著時(shí)代的發(fā)展，而信息化的基礎(chǔ)是數(shù)字化，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造后與原有的模擬控制系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1： 1、數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低； 2、數(shù)字控制系統(tǒng)不受器件溫度漂移的影響，具有更強(qiáng)的抗干擾能力； 3、通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)控制方案，可方便引入各種先進(jìn)的控制規(guī)律如自適應(yīng)、非線(xiàn)性、智能化等； 4、可用軟件程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控保護(hù)、故障自診斷、故障自修復(fù)等多種

5、功能，大大降低了 系統(tǒng)的故障率，提高了系統(tǒng)的可靠性； 5、 數(shù)字控制系統(tǒng)的體積小，重量輕，功耗也大大降低； 本設(shè)計(jì)使用的主控芯片是TMS320F28035，TMS320F28XX系列DSP是TI公司近年來(lái)推出的面向電機(jī)數(shù)字控制的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，其具有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制所必須的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有為電機(jī)控制應(yīng)用提供較多的外圍設(shè)備。另外，DSP 的高速數(shù)據(jù)處理能力，使它可以執(zhí)行一些高性能的復(fù)雜控制算法，減少傳感器信號(hào)采樣到控制命令輸出之間的延遲，改善速度控制中的動(dòng)態(tài)行為。 1.2 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的特點(diǎn) 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)速度反饋信號(hào)和電流反饋信號(hào)，其技術(shù)特點(diǎn)包括： 1

6、、 主控芯片采用電機(jī)專(zhuān)用 DSP 處理器，控制算法精確，性能優(yōu)良。各種附加功能完善，進(jìn) 一步擴(kuò)展其他功能的能力充足。 2、綜合采用各種新技術(shù)和新材料，整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器體積小巧。 3、直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)電源系統(tǒng)的沖激較小。 4、系統(tǒng)效率高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器全功率輸出時(shí)發(fā)熱小，工作溫升低。5、系統(tǒng)對(duì)外干擾低，耐受干擾的能力較強(qiáng)。1.3 本設(shè)計(jì)的主要工作 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所要完成的工作如下：1、完成對(duì)控制電路以及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；2、用DXP繪制相關(guān)電路的原理圖；3、對(duì)器件進(jìn)行封裝并繪制出本次設(shè)計(jì)的PCB板；4、研究控制算法，完成軟件設(shè)計(jì)；5、撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 第二章 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理2.

7、1直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)的平面結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。途中A、B為電刷，1、2為換向片，N、S為主磁極，a、d為線(xiàn)圈及流過(guò)線(xiàn)圈的電流。 2.1 直流電動(dòng)機(jī)的平面結(jié)構(gòu)圖直流電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分組成6。1、 定子定子是直流電動(dòng)機(jī)的靜止部分。它包括主磁極、換向磁極、機(jī)座、端蓋和電刷裝置等部件。1、 主磁極：產(chǎn)生主磁場(chǎng)，永磁電機(jī)的主磁極直接由不同極性的永久磁體組成，勵(lì)磁電機(jī)的主磁極則由主磁極鐵芯和主磁極繞組兩部分組成；2、 換向磁極：產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，以改善換向機(jī)的換向條件，減小換向器上的火花；3、 機(jī)座：一方面作為電動(dòng)機(jī)的磁路，另一方面用來(lái)在其上安裝主磁極、換向磁極，同時(shí)也作為電動(dòng)機(jī)的外殼；4、

8、 端蓋：在機(jī)座的兩邊各有一個(gè)端蓋，端蓋的中心處裝有軸承，用來(lái)支持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸，端蓋上還固定有電刷架；5、 電刷裝置：通過(guò)電刷與換向器表面之間的滑動(dòng)接觸，把電樞繞組中的電流引入或引出。2、 轉(zhuǎn)子直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子又稱(chēng)為電樞，是電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分。由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部分組成。1、 電樞鐵芯：由硅鋼片疊壓而成，其表面有許多均勻分布的槽，用來(lái)嵌放電樞繞組。其作用是提供磁路；2、 電樞繞組：由許多相同的線(xiàn)圈組成，按一定規(guī)律嵌放在電樞鐵芯槽內(nèi)，并與換向器相連。其作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩；3、 換向器：由許多銅制換向片組成，外形呈圓柱形，片與片之間用云母絕緣。其作用是把外界供給的直流

9、電流轉(zhuǎn)變?yōu)槔@組中的交變電流以使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)；4、 轉(zhuǎn)軸：一般用合金鋼鍛壓而成，其作用是用來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩；5、 風(fēng)扇：用來(lái)降低電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中的溫升。2.2 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖2.1所示，圖中N和S是一對(duì)在空間固定的永久磁鐵，在兩個(gè)磁極之間裝一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱鐵芯，代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，鐵芯上固定線(xiàn)圈abcd。當(dāng)電流經(jīng)電源從電刷A換向片1線(xiàn)圈另一換向片2電刷B回到電源時(shí)，在線(xiàn)圈里電流流向?yàn)閍bcd。由左手定則可知，此線(xiàn)圈將受到逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩的作用，當(dāng)該電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)過(guò)180度時(shí)，ab邊則由靠近N側(cè)轉(zhuǎn)向了靠近S側(cè)，cd邊則由靠近S側(cè)

10、轉(zhuǎn)向了靠近N側(cè)。由于換向片與電刷接觸的相對(duì)位置發(fā)生了變化，所以線(xiàn)圈中的電流方向也發(fā)生了變化，線(xiàn)圈中的電流方向?yàn)閐cba。再由左手定則可知，線(xiàn)圈仍受到逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子仍保持逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于電刷和換向片的作用，直流電流交替的由線(xiàn)圈ab邊和cd邊流入，產(chǎn)生持續(xù)的逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，使直流電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 圖2.2 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖2.3直流電動(dòng)機(jī)的控制原理 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為： 式中，Ua為電樞供電電壓(V)；Ia為點(diǎn)數(shù)電流（A）；為勵(lì)磁磁通(Wb)；Ra為電樞回路總電阻()；Ce為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，P為電磁對(duì)數(shù),a為電樞并聯(lián)支路數(shù)

11、,N為導(dǎo)體數(shù)。由關(guān)系式可以看出，只要改變電樞電壓Ua、電樞回路總電阻Ra、勵(lì)磁磁通的大小就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法:改變電樞回路總電阻Ra;改變電樞供電電壓Ua;改變勵(lì)磁磁通。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類(lèi)13：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)行控制的電樞電壓控制法。本系統(tǒng)中所控制的電機(jī)為直流永磁電動(dòng)機(jī)，因此只能選用電樞電壓控制法進(jìn)行控制，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。對(duì)電機(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種方式:線(xiàn)形放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)

12、動(dòng)方式。線(xiàn)形放大驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線(xiàn)形區(qū)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是:控制原理簡(jiǎn)單、對(duì)鄰近電路干擾小，但是功率器件在線(xiàn)形區(qū)工作時(shí)，會(huì)將大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能導(dǎo)致效率低下，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機(jī)的驅(qū)動(dòng)4。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可空性，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)成為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。它越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。直流脈寬調(diào)速的主電路采用脈寬調(diào)制型變換器，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM變換器5。脈寬調(diào)制技術(shù)，是利用電力電子開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流

13、電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過(guò)控制脈沖的寬度或周期達(dá)到變壓的目的。圖2.2就是最簡(jiǎn)單的PWM控制原理圖。在圖 2.3 (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，直流伺服電機(jī)電樞繞組兩端有電壓 Us。t1 時(shí)間后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)關(guān)管截止，電機(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)關(guān)管重復(fù)前面的過(guò)程。這樣，對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低，直流電機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖 2.3(b)所示。在電源電壓 Us 不變的情況下，電樞兩端電壓的平均值 Ua 取決于占空比的大小，占空比的大小就可以改變電樞兩端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是 PWM調(diào)速原

14、理。 UIVIVDM UiUdt2t1T （a）原理圖 （b）輸入輸出電壓波形 圖2.3 PWM調(diào)速控制原理和電壓波形圖 2.4 直流電動(dòng)機(jī)速度控制的要求任何一臺(tái)需要速度控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)控制性能都有一定的要求。例如重型銑床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)需要在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，最高速可達(dá)600mm/min，而最低速只有2mm/min，最高速是最低速的30倍；高速造紙機(jī)要求抄紙速度達(dá)到1000m/min，穩(wěn)速誤差小于±0.01%；等等。所有這些要求，都可以轉(zhuǎn)換成速度控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)的依據(jù)。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的速度控制要求歸納起來(lái)主要有一下三點(diǎn)：a.調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)

15、速的范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行分檔地（有級(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)速。b.穩(wěn)速：以一定的精度在所需的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種可能的干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。c.加、減速：頻繁起動(dòng)、制動(dòng)的設(shè)備要求盡快地加、減速以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起動(dòng)、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。 第三章 控制電路的設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)方案3.1.1 主控芯片的選擇在嵌入式系統(tǒng)中，可選用的控制芯片很多，像單片機(jī)有 51系列，96 系列等，這些芯片應(yīng)用廣泛，價(jià)格也很便宜，并且在實(shí)際應(yīng)用中，有很多例子可以參考，但缺點(diǎn)是速度不可能很快，需要擴(kuò)展較多外圍器件，增加了開(kāi)發(fā)成本和研制周期；而DSP具有如下的優(yōu)點(diǎn)：低成本，低功耗，高性能的處理能力

16、；具有強(qiáng)大的外部通信接口（SCI、SPI、CAN）便于構(gòu)成打的控制系統(tǒng)；在一個(gè)指令周期可完成一次乘法和一次加法；程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線(xiàn)在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；快速的中斷處理和硬件I/O支持；具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件產(chǎn)生器；可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；支持流水線(xiàn)操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。因此，我們選用DSP芯片作為電機(jī)控制的主控芯片。3.1.2 系統(tǒng)總體框圖控制單元電路是整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的核心，主要包括微控制器DSP TMS320F28035、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、

17、JPAG接口電路、CAN總線(xiàn)電路等?；究驁D如圖3.1所示。 轉(zhuǎn)速檢測(cè) A/D 上 位 機(jī) CAN 電流檢測(cè) 中央處理器 PWM PWM控制功率驅(qū)動(dòng)電路DCM 圖3.1 控制單元基本框圖3.2 主控芯片TMS320F28035的介紹3.2.1 TMS320F28035的特點(diǎn) TMS320F28035為一款最新的電機(jī)控制專(zhuān)用DSP芯片，它是TI公司在TMS320C2000平臺(tái)上使用32位內(nèi)核的DSP，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，能應(yīng)用于很多復(fù)雜的控制算法；高性能低功率，應(yīng)用起來(lái)更加靈活方便、快速，能滿(mǎn)足多種通訊的需要，這些可省去復(fù)雜的外圍電路，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。它有如下的特性78：1. 亮點(diǎn); 高

18、效 32 位中央處理單元(CPU)(TMS320C28xTM) 60MHz 器件 3.3V 單電源 集成型加電和欠壓復(fù)位 兩個(gè)內(nèi)部零引腳振蕩器 多達(dá) 45 個(gè)復(fù)用通用輸入輸出 (GPIO) 引腳 三個(gè) 32 位 CPU 定時(shí)器 片載閃存，SRAM，OTP 內(nèi)存 代碼安全模塊 串行端口外設(shè) (SCI/SPI/I2C/LIN/eCAN) 增強(qiáng)型控制外設(shè) 56 引腳，64 引腳，和 80 引腳 封裝2. 高效 32 位中央處理單元 (CPU) ( TMS320C28xTM); 60MHz（16.67ns 周期時(shí)間） 16 x 16 和 32 x 32 介質(zhì)訪問(wèn)控制 (MAC) 運(yùn)算 16 x 16

19、雙 MAC 哈佛 (Harvard) 總線(xiàn)架構(gòu) 連動(dòng)運(yùn)算 快速中斷響應(yīng)和處理 統(tǒng)一存儲(chǔ)器編程模型 高效代碼（使用 C/C+ 和匯編語(yǔ)言）3. 多達(dá) 45 個(gè)具有輸入濾波功能可單獨(dú)編程的多路復(fù)用通用輸入輸出 (GPIO) 引腳;4. 可支持所有外設(shè)中斷的外設(shè)中斷擴(kuò)展 (PIE) 模塊;5. 三個(gè) 32 位 CPU 定時(shí)器;6. 每個(gè) ePWM 模塊中的獨(dú)立 16 位定時(shí)器;7. 串行端口外設(shè); 一個(gè) SCI(UART) 模塊 兩個(gè) SPI 模塊 一個(gè)內(nèi)部集成電路 (I2C) 總線(xiàn) 一個(gè)本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 總線(xiàn) 一個(gè)增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng)絡(luò) (eCAN) 總線(xiàn)8. 高級(jí)仿真特性; 分析和斷點(diǎn)功能

20、 借助硬件的實(shí)時(shí)調(diào)試F2803x PiccoloTM系列微控制器為 C28xTM內(nèi)核和控制律加速器 (CLA) 供電，此內(nèi)核和 CLA 與低引腳數(shù)量器件中的高集成控制外設(shè)向耦合。 該系列的代碼與以往基于 C28x 的代碼相兼容，并且提供了很高的模擬集成度。 F2803x PiccoloTM系列微控制器為 C28xTM內(nèi)核和控制律加速器 (CLA) 供電，此內(nèi)核和CLA 與低引腳數(shù)量器件中的高集成控制外設(shè)向耦合。 該系列的代碼與以往基于 C28x 的代碼相兼容，并且提供了很高的模擬集成度。一個(gè)內(nèi)部電壓穩(wěn)壓器允許單一電源軌運(yùn)行。 對(duì)HRPWM 模塊實(shí)施了改進(jìn)，以提供雙邊緣控制 （調(diào)頻）。 增設(shè)了具

21、有內(nèi)部10位基準(zhǔn)的模擬比較器，并可直接對(duì)其進(jìn)行路由以控制 PWM 輸出。 ADC可在 0V 至 3.3V固定全標(biāo)度范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，并支持公制比例 VREFHI/ VREFLO基準(zhǔn)。 ADC 接口專(zhuān)門(mén)針對(duì)低開(kāi)銷(xiāo)/低延遲進(jìn)行了優(yōu)化。3.2.2 TMS320F28035的內(nèi)存總線(xiàn) 與很對(duì)MCU 類(lèi)型器件一樣，多總線(xiàn)被用于在內(nèi)存和外設(shè)以及CPU 之間移動(dòng)數(shù)據(jù)。此內(nèi)存總線(xiàn)架構(gòu)包含一個(gè)程序讀取總線(xiàn)、數(shù)據(jù)讀取總線(xiàn)、和數(shù)據(jù)寫(xiě)入總線(xiàn)。此程序讀取總線(xiàn)由22 條地址線(xiàn)路和32 條數(shù)據(jù)線(xiàn)路組成。數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入總線(xiàn)由32 條地址線(xiàn)路和32 條數(shù)據(jù)線(xiàn)路組成。32 位寬數(shù)據(jù)總線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)單周期32 位運(yùn)行。多總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，通常

22、稱(chēng)為哈弗總線(xiàn)，使得C28x 能夠在一個(gè)單周期內(nèi)取一個(gè)指令、讀取一個(gè)數(shù)據(jù)值和寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)值。所有連接在內(nèi)存總線(xiàn)上的外設(shè)和內(nèi)存優(yōu)先內(nèi)存訪問(wèn)。總的來(lái)說(shuō)，內(nèi)存總線(xiàn)訪問(wèn)的優(yōu)先級(jí)可概括如下：最高級(jí)： 數(shù)據(jù)寫(xiě)入（內(nèi)存總線(xiàn)上不能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和程序?qū)懭搿＃?程序?qū)懭耄▋?nèi)存總線(xiàn)上不能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和程序?qū)懭?。?數(shù)據(jù)讀取 程序讀?。▋?nèi)存總線(xiàn)上不能同時(shí)進(jìn)行程序讀取和取指令。）最低級(jí)： 取指令（內(nèi)存總線(xiàn)上不能同時(shí)進(jìn)行程序讀取和取指令。）3.2.3 TMS320F28035外設(shè)總線(xiàn) 為了在多種德州儀器(TI) MCU 器件系列間實(shí)現(xiàn)外設(shè)遷移，此器件采用一個(gè)針對(duì)外設(shè)互連的外設(shè)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。外設(shè)總線(xiàn)橋復(fù)用了多種總線(xiàn)，此總線(xiàn)將處理

23、器內(nèi)存總線(xiàn)組裝進(jìn)一個(gè)由16 條地址線(xiàn)路和16 或者32 條數(shù)據(jù)線(xiàn)和相關(guān)控制信號(hào)組成的單總線(xiàn)中。支持外設(shè)總線(xiàn)的三個(gè)版本。一個(gè)版本只支持16 位訪問(wèn)（被稱(chēng)為外設(shè)幀2）。另外版本支持16 位和32 位訪問(wèn)（被稱(chēng)為外設(shè)幀1）。第三版本支持CLA 訪問(wèn)和16 位以及32 位訪問(wèn)（被稱(chēng)為外設(shè)幀3）。3.3 電源電路的設(shè)計(jì)目前許多外圍電路所需要的電壓是5V，而TMS320F28035的工作電壓時(shí)3.3V，驅(qū)動(dòng)電壓為15V，因此要將24V的電壓轉(zhuǎn)換成5V和15V，再由5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓。其轉(zhuǎn)換電路如圖3.3.1所示。 圖3.3 .1電源電路圖中LM7815和LM7805是分別輸出15V和5V的轉(zhuǎn)換芯片

24、，電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的LM78XX系列和負(fù)電壓輸出的LM79XX系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子像是普通的三極管，TO-220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有LM9013樣子的TO-92封裝。他們的管腳圖如圖3.3.2所示9。 圖3.3.2 LM7805和LM7815的管腳圖LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時(shí)為1.2V。它與國(guó)家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過(guò)2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.2513.8V輸出電壓范圍。

25、另外還有5個(gè)固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號(hào)。這里我們輸出為3.3V，正好滿(mǎn)足 TMS320F28025的工作電壓的需要。LM1117 還具有內(nèi)部電流限制和過(guò)熱保護(hù)的特點(diǎn)，把輸出電流限制到大約 1A。LM117的可調(diào)壓型號(hào)在輸出端和調(diào)節(jié)端之間具有一個(gè)1.25V的參考電壓VREF，如圖3.3.3所示，該電壓通過(guò)跨接電阻R1產(chǎn)生一個(gè)恒定電流I1。調(diào)節(jié)端輸出的電流IA會(huì)使輸出的電壓產(chǎn)生誤差，但由于IA非常小所以忽略不計(jì)。因此，只要調(diào)節(jié)R2的大小就可以輸出不同等級(jí)的電壓，即 IAVREF 圖3.3.3 LM1117結(jié)構(gòu)圖3.4 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用RC復(fù)位電路，

26、其電路圖如圖3.4所示。該電路主要實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)手動(dòng)按鍵復(fù)位功能。該電路的工作原理如下：XRSN是低電平有效，即當(dāng)XRSN輸出低電平時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位。在系統(tǒng)上電時(shí)，電源通過(guò)電阻 R12向電容 C31 充電，當(dāng) C31兩端的電壓未達(dá)到高電平的門(mén)限電壓時(shí)，XRSN 端輸出低電平，系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)；當(dāng) C31 兩端的電壓達(dá)到高電平門(mén)限電壓時(shí)，XRSN端輸出高電平，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。當(dāng)用戶(hù)按下按鈕 REST 時(shí)，C31兩端的電荷被泄掉，XRSN端輸出低電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。 通過(guò)調(diào)整電阻和電容的參數(shù)可以改變復(fù)位狀態(tài)的時(shí)間。 圖3.4 復(fù)位電路圖3.5 晶振電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘發(fā)生器是為 DSP

27、 芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，這里使用的是 20MHZ 的有源晶振，TMS320F28035支持動(dòng)態(tài)鎖相環(huán)路（PLL）比率變化。20M晶振通過(guò)04倍頻后就可以得到DSP所需要的時(shí)鐘信號(hào)，晶振電路如圖3.5所示。X2X1 圖3.5 晶振電路圖3.6 JPAG接口電路的設(shè)計(jì)JTAG 是 Joint Test Action Group（聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組）的簡(jiǎn)稱(chēng)。該組織提出了邊界掃描測(cè)試方案，后來(lái)成為IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)存取口和邊沿掃視技術(shù)10。DSP有 JTAG 硬件測(cè)試仿真接口，它可以與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換11。TMS320F28035支持實(shí)時(shí)模式運(yùn)行，此運(yùn)行模式可在處理器正在運(yùn)行和執(zhí)

28、行代碼且處理中斷的同時(shí)允許修改內(nèi)存內(nèi)容、外設(shè)、和寄存器位置7。用戶(hù)也可以通過(guò)非時(shí)間關(guān)鍵代碼進(jìn)行單步操作，同時(shí)可在沒(méi)有干擾的情況下啟用將被處理的時(shí)間關(guān)鍵中斷。此器件在CPU 的硬件內(nèi)執(zhí)行實(shí)時(shí)模式。這是28x 系列器件所特有的特性，無(wú)需軟件監(jiān)控。此外，還提供了特別分析硬件以實(shí)現(xiàn)硬件斷電或者數(shù)據(jù)/地址觀察點(diǎn)的設(shè)置并當(dāng)一個(gè)匹配發(fā)生時(shí)生成不同的用戶(hù)可選中斷事件。這些器件不支持邊界掃描；然而，如果將下面的因素考慮在內(nèi)的話(huà)，也可提供IDCODE 和BYPASS（旁路） 特性。缺省情況下不支持IDCODE。用戶(hù)需要搜索JTAG 的SHIFT IR 和SHIFT DR 狀態(tài)序列來(lái)獲得IDCODE。對(duì)于BYPAS

29、S 指令，第一個(gè)被移位的DR 值應(yīng)該為1。具體的仿真連接接口圖如圖3.6。 圖3.6 JPAG仿真接口圖3.7 CAN總線(xiàn)通信電路的設(shè)計(jì)eCAN 模塊是 TMS320F2812 DSP 片上的增強(qiáng)型 CAN 控制器, 其性能較之已有的 DSP 內(nèi)嵌 CAN 控制器有較大的提高,數(shù)據(jù)傳輸更加靈活方便, 數(shù)據(jù)量更大、可靠性更高、功能更加完備。隨著 TMS320F2812 的大量推廣使用, 基于 eCAN 的 CAN總線(xiàn)通信方式將得到廣泛的應(yīng)用12。這里我們選用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主要是因?yàn)樗腥缦聝?yōu)點(diǎn)13：1. 具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；2. 采用雙線(xiàn)串行通信方式，檢錯(cuò)

30、能力強(qiáng)，可在高噪聲環(huán)境中工作；3. 具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過(guò)CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)路；4. 可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；5. 可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；6. 發(fā)送的信息遭到破壞后可自動(dòng)重發(fā)；7. 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線(xiàn)的功能；8. 報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址哎，僅用標(biāo)示符來(lái)指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。下圖為CAN總線(xiàn)的電路圖。其中,CANTX和CANRX接TMS320F28035 DSP的CAN管腳,CANH和CANL接外部CAN總線(xiàn)。TMS320F28035 DSP內(nèi)的CAN控制器必須通過(guò)CAN驅(qū)動(dòng)芯片才能與外部的CAN控制器

31、進(jìn)行通信。選擇SN65HVD230收發(fā)器是為了增大通信距離,提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力,保護(hù)總線(xiàn),降低射頻干擾(RFI)實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。SN65HVD230 CAN驅(qū)動(dòng)芯片是為3.3供電的 DSP設(shè)計(jì)CAN總線(xiàn)收發(fā)器,TMS320F28035 DSP集成的CAN總線(xiàn)控制器配合總線(xiàn)收發(fā)器SN65HVD230,至少可以連接110個(gè)節(jié)點(diǎn),可提供高達(dá)1Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸率。系統(tǒng)中將其引腳8(RS)接地選擇高速工作方式。在傳輸線(xiàn)兩端并聯(lián)1個(gè)120的匹配電阻,以克服長(zhǎng)線(xiàn)效應(yīng),減小通訊介質(zhì)中信號(hào)的反射。 圖3.7 CAN總線(xiàn)接線(xiàn)圖 第四章 功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)4.1 逆變電路的設(shè)計(jì)功率逆變電路如圖4.1所示，該

32、電路為可逆PWM變換器，可逆PWM變換器按主電路結(jié)構(gòu)不同有H形和T形等，由于H形變換器在實(shí)際應(yīng)用中比較廣泛，所以這里我們選用H形PWM變換器。全控型器件主要有MOSFET和IGBT，這兩者都具有開(kāi)關(guān)頻率高、輸入阻抗高、通態(tài)電壓低和熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn),所以是本控制系統(tǒng)的首選器件。但由于MOSFET比IGBT的開(kāi)關(guān)頻率高,價(jià)格便宜,且保護(hù)電路相對(duì)簡(jiǎn)單,廣泛應(yīng)用于各類(lèi)中小功率開(kāi)關(guān)電路中,因此本控制系統(tǒng)選用MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件14。功率MOSFET有以下的優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)速度快 開(kāi)關(guān)的速度由極間寄生電容決定,故其開(kāi)關(guān)時(shí)間很短(小于50100ns),工作 頻率很高（達(dá)500KHZ以上）；驅(qū)動(dòng)功率小 它是電壓

33、型器件,驅(qū)動(dòng)功率小,功率增益高,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單；安全工作區(qū)寬 MOSFET沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象,因此比同等功率的GTR器件安全,工作區(qū)大，也 更穩(wěn)定耐用；過(guò)載和抗干擾能力強(qiáng) 短時(shí)過(guò)載電流可達(dá)額定值的4倍。 Ub44231UsUb3Ub2Ub1 圖4.1 逆變電路所以我們選取MOSFET作為逆變電路的功率管。該電路由4個(gè)MOSFET管構(gòu)成雙極性H形PWM變換器。如圖所示，4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。T1和T4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4；T2和T3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3。它們的波形圖如圖4.2所示。Ub1 Ub4 TtontOUb2 Ub3tOUa+UsUdO-Us

34、tia1iaia2tO 圖4.2 逆變器電壓和電流波形圖在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0tton時(shí)，Ub1和Ub2為正，MOSFET管T1和T4飽和導(dǎo)通；而Ub2和Ub3為負(fù)，T2和T3截止。這時(shí)+Us加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端，電樞電壓Ua=Us，且Ua>Ea,正向的電樞電流沿回路1流通。在tont<T期間，Ub1和Ub4變負(fù)，開(kāi)關(guān)器件T1和T4截止；Ub2和Ub3變?yōu)檎?，但T2和T3不能立即導(dǎo)通，電樞電流沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，電流方向仍為正。由于電樞電壓的正負(fù)變化，使電流波形存在兩種情況，即圖中的ia1和ia2。ia1相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重的情況，這時(shí)負(fù)載平均電流較大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，

35、電動(dòng)機(jī)始終工作在電動(dòng)運(yùn)行階段。ia2相當(dāng)于負(fù)載較輕的情況，平均電流較小，在tont<T期間，在二極管續(xù)流階段電流很快衰減到0，于是T2和T3失去反壓，在負(fù)的電源和反電動(dòng)勢(shì)的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。到t=T時(shí)，T2和T3關(guān)斷，-ia2又開(kāi)始沿著回路4經(jīng)二極管續(xù)流，直到t=t4時(shí)，-ia2衰減到0，T1和T2才開(kāi)始導(dǎo)通，電樞電流ia再次改變方向沿回路1流通。 4.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中的功率集成電路選用 IRF 公司的 IR2011，它是一個(gè)高功率、具有獨(dú)立的高端和低端參考輸出通道的高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)、理想地應(yīng)用于100W250W D類(lèi)音頻

36、放大器和直流-直流變換器。邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)CMOS或LSTTL輸出相兼容，輸出為3.0 V ，并沒(méi)有任何減速。 一片 IR2011 可以驅(qū)動(dòng)同側(cè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，其功能框圖如圖4.2.1所示。其中，HIN、LIN 分別接用來(lái)控制同側(cè)橋臂的兩路 PWM 信號(hào)，HIN 為高端輸入，LIN 為低端輸入，輸入兼容 3.3V 和 5V 邏輯電平。VB、HO、VS 控制高端開(kāi)關(guān)管,VCC、LO、COM 控制低端開(kāi)關(guān)管。 圖4.2.1 IR2011功能框圖由于我們選用的是雙極性H形PWM變換器，所以這里需要兩片IR2011來(lái)驅(qū)動(dòng)4個(gè)MOSFET管。具體的連接圖如圖4.2.2所示。 圖4.2.2 驅(qū)動(dòng)電路4.3

37、 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電流的檢測(cè)方法有多種，可以使用精密電阻串在被測(cè)回路里，將電流轉(zhuǎn)換成電壓通過(guò)AD獲取電阻兩端的電壓來(lái)間接求得電流，但是這種方法如果電流過(guò)大的話(huà)會(huì)由于電阻發(fā)熱造成電阻值發(fā)生漂移，測(cè)得的電流就不準(zhǔn)確了，同時(shí)串了個(gè)電阻(雖然不大)，會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生影響。于是我選擇了基于霍爾效應(yīng)的霍爾電流傳感器，這種電流傳感器具有體積小、能將被測(cè)電流完全隔離開(kāi)等優(yōu)點(diǎn)。這里我們選用的是Allegro公司生產(chǎn)的ACS712ELCTR-05B-T這款芯片，該芯片有以下的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)15:低噪聲的模擬信號(hào)路徑；設(shè)備的寬帶是通過(guò)設(shè)置新的過(guò)濾器引腳；5s輸出上升時(shí)間,響應(yīng)于步驟輸入電流；80 kHz帶寬；在T總輸出

38、誤差為1.5；占用空間小,低厚度SOIC8封裝；1.2m內(nèi)部導(dǎo)體電阻；2.1 kVRMS的最小絕緣電壓的引腳；5.0 V單電源工作；66至185 mV / A輸出靈敏度；成正比的輸出電壓的AC或DC電流；工廠校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性；極度穩(wěn)定的輸出偏移電壓；幾乎為零的磁滯；電源電壓的成比例輸出；它的量程為-5A+5A，符合本次設(shè)計(jì)參數(shù)（24V，50W），輸入被測(cè)電流輸出一個(gè)與被測(cè)電流成線(xiàn)性關(guān)系的電壓值，如圖4.3.1所示。兩者的具體關(guān)系式為：UIOUT=0.185IP+2.5。具有185mv/A的輸出靈敏度，80KHz帶寬。 圖4.3.1 輸入電流與輸出電壓的關(guān)系圖 由于流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流是雙極性的，所以我

39、們將霍爾電流傳感器串聯(lián)在電動(dòng)機(jī)回路，檢測(cè)正反電流，完整的電流檢測(cè)電路圖見(jiàn)圖4.3.2。我們的設(shè)計(jì)參數(shù)為電壓24V和功率50W，也就是說(shuō)回路中的電流約為2.08A,考慮安全裕量我們將回路中的電流擴(kuò)大2.5倍，即輸入到霍爾傳感器的電流為-5A5A，正好為ACS712的滿(mǎn)量程。由于DSP的 ADC可在 0V 至 3.3V固定全標(biāo)度范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，所以我們必須將輸入的-5A5A的電流轉(zhuǎn)換成03.3V的電壓 圖4.3.2 電流檢測(cè)電路送至DSP的ADC引腳，通過(guò)ADC的內(nèi)部程序來(lái)計(jì)算出實(shí)際電流，從而實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)的目的。這里選用運(yùn)放MC3558來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。如圖所示，當(dāng)電流流進(jìn)霍爾傳感器時(shí)

40、線(xiàn)性地輸出電壓UIOUT =0.185IP+2.5，該電壓再通過(guò)減法電路輸出送至ADC的電壓UO 。 我們想要的到的關(guān)系為,于是可以推算出 我們選取R22=1K，于是可得R16=1.8K；再將R16與R22代入第二個(gè)等式中可得。選R23=1K，于是R28=2K。4.4 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)速度檢測(cè)，有多種方法可以實(shí)現(xiàn)，比如測(cè)速發(fā)電機(jī)，光電編碼器，光電對(duì)管，電樞電流高次諧波頻率法等等，這里我們選用永磁直流測(cè)速發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測(cè)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖4.4.1所示。測(cè)速發(fā)電機(jī)：（1）后端蓋（2）軸承（3）外殼（4)磁缸（5）裝配外殼（6）繞組（7）換向器（8）刷盒；直流電機(jī)：（9）電刷（10）換向器（11）繞組（12）電機(jī)-測(cè)速發(fā)電機(jī)軸（13）外殼磁缸（14）軸承（15）軸承固定環(huán)(16)接線(xiàn)端。 圖4.4.1 測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖永磁直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種將轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)的機(jī)電式信號(hào)原件，是伺服系統(tǒng)中的基本原件之一。在轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)中,測(cè)速發(fā)電機(jī)是一個(gè)關(guān)鍵的裝置,它的輸出電壓的幅值正比于轉(zhuǎn)速,極性反映電機(jī)的轉(zhuǎn)向。測(cè)速精度、線(xiàn)性度、波型的紋波系數(shù)以及測(cè)量的小滯后性是它的主要性能指標(biāo)?，F(xiàn)有測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)一般能滿(mǎn)足大多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的需要?；诒敬卧O(shè)計(jì)電機(jī)的參數(shù)，我ZCF121直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)具有線(xiàn)性誤差小、運(yùn)行可靠、尺寸小、重量輕