直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述

1、湖南工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)DSP 原理及應(yīng)用題 目： 直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專 業(yè)：班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：2015年 5 月 19 日摘要直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性， 調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣， 過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起動(dòng)、 制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程中自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要 求。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制， 是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要 方向之一。采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡單、可靠 性高、操作維護(hù)方便，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平， 靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的要求。本篇論文介紹了基于單片機(jī)的

2、直流電機(jī) PWN 調(diào)速的基本辦法， 直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識(shí)以及 PWM 調(diào)速的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。 重 點(diǎn)介紹了基于 TMS320LF2407單片機(jī)的用軟件產(chǎn)生 PWM 信號(hào)以及信 號(hào)占空比調(diào)節(jié)的方法。 對于直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種 有效的途徑。關(guān) 鍵 詞 ：單 片 機(jī) 最 小 系統(tǒng) ； PWM ； 直 流 電 機(jī) 調(diào) 速 ， TMS320LF2407;電動(dòng)機(jī)作為最主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置， 其應(yīng)用范圍已遍及國 民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人們的日常生活。 無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)， 交通運(yùn) 輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務(wù)和辦公設(shè)備中，還是在日常生 活的家用電器和消費(fèi)電子產(chǎn)品（如電冰箱，空調(diào)，

3、DVD 等）中，都 大量使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。據(jù)資料顯示，在 所有動(dòng)力資源中， 百分之九十以上來自電動(dòng)機(jī)。 同樣，我國生產(chǎn)的電能中有百分之六十 是用于電動(dòng)機(jī)的。 電動(dòng)機(jī)與人的生活息息相關(guān)， 密不可分。電氣時(shí)代， 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制一般采用模擬法，對電動(dòng)機(jī)的簡單控制應(yīng)用比較 多。簡單控制是指對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)， 制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。 然而近年來， 隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步， 以及市場對產(chǎn)品功能和性能的 要求不斷提高， 直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用更加廣泛， 尤其是在智能機(jī)器人中 的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能、 過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分 重要，為了能夠適應(yīng)發(fā)展的要求， 單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)

4、得到了很大的發(fā)展。 而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心單片機(jī)， 正朝著 多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng) I/O 功 能等方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片 機(jī)已越來越廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化、智能化等方面， 特別是在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中。 這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有很多優(yōu) 點(diǎn)：體積小，功能全，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，結(jié)構(gòu)合理，指令豐 富，控制功能強(qiáng)， 造價(jià)低等。所以選用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可行性 .目錄一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)二、硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)四、結(jié)語系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)方案 依據(jù)本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行分析

5、得到：本次課程設(shè)計(jì)以TMS320LF2407 單片機(jī)為核心， 以 3 個(gè)彈跳按鈕作為輸入端， 達(dá)到控 制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。在設(shè)計(jì)中，采用 PWM 技術(shù)對電機(jī) 進(jìn)行控制。1.2 系統(tǒng)構(gòu)成該直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 在總體上大致可分為以下 4 個(gè)部分 組成：輸入模塊， TMS320LF2407 單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)模塊，直流電機(jī)。 系 統(tǒng)原理框圖如圖 1 所示。輸入模塊TMS320LF2407單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖 1 系統(tǒng)原理圖1.3 直流電動(dòng)機(jī)的 PWM 調(diào)壓調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)是最早實(shí)現(xiàn)方便調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。 隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制 領(lǐng)域，新型的功率電子器件的不斷出現(xiàn)， 使用全控型開關(guān)功率器件進(jìn) 行脈寬（

6、 PWM ）的控制方式已成為主流 .直流電動(dòng)機(jī)的控制方式發(fā)生 了很大變化。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式如下：n U 0 IRK式中，U0 為電樞端電壓， I 為電樞電流， R 為電樞電路總電阻。 為 每極磁通量， K 為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：對勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì) 磁控制法和對電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制法。 目前多數(shù)場合采用電 樞控制法。 直流電動(dòng)機(jī)多采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式， 即使功率器件工作在開 關(guān)狀態(tài)，通過脈沖調(diào)制 PWM 來 控制電機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。1.4 方案選擇方案一： 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓， 從而達(dá) 到調(diào)速的目的。 但是電阻網(wǎng)絡(luò)智能

7、實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速， 而數(shù)字電阻的元器 件價(jià)格比較昂貴。 更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小， 但電流 很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)起來很困難。方案二： 采用繼電器對電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制， 通過開關(guān)的切 換對電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。 這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單， 缺點(diǎn)是 繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)容易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：選用大功率的三極管作為驅(qū)動(dòng)電路，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)， 外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。 綜合考慮各方面因素，選擇方案三作為本次論文的電路設(shè)計(jì)。硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 芯片介紹74HC00 是 4路雙輸入與非門，可用于組成與門、非門等。TMS320LF2407 是 TI 公司

8、主推的一種高性能、低價(jià)格 DSP 處理 器，其處理速度達(dá)到 30 MIPS，片內(nèi)處理集成 RAM 、Flash及定時(shí)器 外，還集成了 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PWM 控制器及 CAN 總線控制器等模塊， 特別適合于電機(jī)、 電源變換等實(shí)時(shí)要求高的控制系統(tǒng)。 但是通常設(shè)計(jì) DSP程序的方法是，在 DSP的集成開發(fā)環(huán)境 CCS中用 C語言設(shè)計(jì)， 需要花費(fèi)大量的時(shí)間用來編寫和輸入程序代碼。在 Matlab 中用圖形 化的方式設(shè)計(jì) DSP 的程序，能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。2.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)直流電機(jī)控制電路原理如圖 2 所示。圖中 PWM 輸入對應(yīng) 2407DSP的 DSP 的 PWM11/IOPE5

9、，DSP 將在此引腳給 PWM 信號(hào)用 于控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖中的 IOPE4 將在此引腳給出高電平或 低電平用于控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向。從 DSP 輸出的 PWM 信號(hào)先經(jīng)過 兩個(gè)與門在與各個(gè)開關(guān)管的柵極相連。當(dāng)電動(dòng)機(jī)要求正轉(zhuǎn)時(shí)， IOPE4 給出高電平信號(hào)，該信號(hào)分成 3 路。 第一路接與門 Y1 的輸入，使與門 Y1 的輸出由 PWM 決定，所以開 關(guān)管 T1 柵極受 PWM 控制。第二路直接與開關(guān) T3 的柵極相連，使 T3 導(dǎo)通。第三路經(jīng)非門 F1 連接到與門 Y2 的輸入端。使與門 Y2 輸 出為 0，這樣使開關(guān)管 T4 截止。從非門 F1 輸出的另一路與開關(guān)管 T2的柵極相連，

10、其低電平信號(hào)也使 T2 截止。此時(shí)電樞繞組承受正向 電壓。同樣，當(dāng)電動(dòng)機(jī)要求反轉(zhuǎn)時(shí)， IOPE4 給出低電平信號(hào)，經(jīng)過兩個(gè) 與門和 1個(gè)非門組成的邏輯電路后， 使開關(guān)管 T4 受 PWM 信號(hào)控制， T2 導(dǎo) 通，T1、T3 全部 截 止 。此時(shí) 電樞繞 組 承受 反 向 電壓 。圖 2 PWM 調(diào)速直流電機(jī)原理圖軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 流程圖：依據(jù)設(shè)計(jì)要求可以設(shè)計(jì)出以下流程圖：圖 3 程序流程圖3.2 主體程序如下：#include “f2407_c.h”#define T1MS 0x1387void gpt3_init(void);void interrupt gptimer3();void

11、Delay(unsigned int nTime);unsigned int datacnt.data20xfa,0x9c4;main()asm(“setc INTM ”);WDCR=0x6f;SCSR1=0x83fe;MCRC|=0x0020;MCRC&=0xfeff;CMPR6=0xfa0;COMCONB|=0xa600;COMCONB&=0xa7ff;gpt3_int();IMR=2;IFR=0xffff;WSGR&=0xfef3;PEDATDIR|=0x1000;PEDATDIR&=0xffef; asm(“CLRC INTM ”); Delay(128

12、);cnt=1;datacnt=0;for( ; ; );viod interrupt gptimer3(void)switch(PIVR) case 0x2f;EVBIFRA=0x80;cnt+;if(cnt>10000)cnt=0; datacnt+;if(datacnt>1) datacnt=0;CMPR6=datadatacnt; Break;asm(“CLRC INTM ”);void gpt3_int(void)EVBIMRA=0x80;EVBIFRA=0xffff;GPTCONB=0x0000;T3PR=T1MS;T3CNT=0;void Delay(unsigned in nDelay)int i,j,k;for(i=0;i<nDelay;i+)for(j=0;j<16;j+) k+;Void interrupt