基于DSP的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-本科畢業(yè)論文

1、基于DSP的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：直流電機(jī)由于勵(lì)磁磁場和電樞磁場完全解耦，可以獨(dú)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(dòng)系統(tǒng)中。而隨著對電機(jī)控制要求的不斷提高，普通的單片機(jī)越來越不能滿足對電機(jī)控制的要求，DSP技術(shù)的發(fā)展正好為先進(jìn)控制理論以及復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了有力的支持。本設(shè)計(jì)采用美國TI公司專門為電機(jī)數(shù)字化控制設(shè)計(jì)的16位定點(diǎn)DSP控制器TMS320LF2407作為微控制器。該芯片集DSP信號高速處理能力及適用于電機(jī)控制優(yōu)化的外圍電路于一體，可以為高性能傳動(dòng)控制技術(shù)提供可靠高效的信號處理與控制硬件。電機(jī)的控制系統(tǒng)是由檢測裝置、主控制器、功率驅(qū)

2、動(dòng)器以及上位機(jī)組成，其中DSP控制器是電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)對電機(jī)的反饋信號進(jìn)行處理并輸出控制信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)； DSP； PID控制器； PWMThe Design of DC Motor Control System Based on DSPAbstract：The DC motor armature magnetic field and the excitation completely decoupled, it can be independently controlled, so it has a good speed performance, cont

3、ribute to a large power, widely speed range, and easy to control, so it is widely used in electric drive systems. With the motor control required for continuous improvement, common single MCU cant meet requirements of the motor control well, DSP technology just for the advanced control theory and co

4、mplex control algorithm implementation provides a strong support.This design uses the American TI company specially for motor control design of digital 16 fixed-point DSP controller TMS320LF2407 as the controller. The chip set DSP signal the high processing capacity and used in motor control optimiz

5、ation the periphery of the circuit in a body, high performance driving control technology to provide reliable and efficient signal processing and control hardware. Motor control system is composed of detection devices, the main controller, power driver and PC components, which DSP controller is a ke

6、y part of the motor control system , responsible for the motor feedback signal processing and output control signal to control the rotation of the motor.Keywords：DC motor, DSP, PID controller, PWM目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295503560 第1章 緒論 PAGEREF _Toc295503560 h 1 HYPERLINK l _Toc295503561

7、 1.1 課題概述 PAGEREF _Toc295503561 h 1 HYPERLINK l _Toc295503562 1.1.1 課題研究的背景 PAGEREF _Toc295503562 h 1 HYPERLINK l _Toc295503563 1.1.2 課題研究的目的及意義 PAGEREF _Toc295503563 h 2 HYPERLINK l _Toc295503564 1.2 課題研究的現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295503564 h 2 HYPERLINK l _Toc295503565 1.3 課題研究的內(nèi)容 PAGEREF _Toc295503565 h 5 H

8、YPERLINK l _Toc295503566 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503566 h 6 HYPERLINK l _Toc295503567 2.1 系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc295503567 h 6 HYPERLINK l _Toc295503568 2. 2 DSP芯片選擇 PAGEREF _Toc295503568 h 6 HYPERLINK l _Toc295503569 2.3 TMS320LF2407 DSP 控制器介紹 PAGEREF _Toc295503569 h 7 HYPERLINK l _Toc295503570 2.4 硬件

9、方案論證 PAGEREF _Toc295503570 h 10 HYPERLINK l _Toc295503571 2.4.1 測速傳感器的選擇 PAGEREF _Toc295503571 h 10 HYPERLINK l _Toc295503572 2.4.2 功率驅(qū)動(dòng)單元方案論證 PAGEREF _Toc295503572 h 11 HYPERLINK l _Toc295503573 2.4.3 鍵盤顯示方案論證 PAGEREF _Toc295503573 h 11 HYPERLINK l _Toc295503574 2.4.4 PWM實(shí)現(xiàn)方案論證 PAGEREF _Toc29550357

10、4 h 12 HYPERLINK l _Toc295503575 2.5 本章小節(jié) PAGEREF _Toc295503575 h 12 HYPERLINK l _Toc295503576 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503576 h 13 HYPERLINK l _Toc295503577 3.1 電源電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503577 h 13 HYPERLINK l _Toc295503578 3.2 功率驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503578 h 13 HYPERLINK l _Toc295503579 3.2.1 PWM

11、調(diào)速原理 PAGEREF _Toc295503579 h 14 HYPERLINK l _Toc295503580 3.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc295503580 h 15 HYPERLINK l _Toc295503581 3.3 速度檢測單元的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503581 h 16 HYPERLINK l _Toc295503582 3.3.1 速度檢測的方法 PAGEREF _Toc295503582 h 16 HYPERLINK l _Toc295503583 3.3.2 速度檢測電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503583 h 17

12、HYPERLINK l _Toc295503584 3.4 按鍵控制單元的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503584 h 18 HYPERLINK l _Toc295503585 3.5 顯示單元的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503585 h 20 HYPERLINK l _Toc295503586 3.5.1 1602液晶介紹 PAGEREF _Toc295503586 h 20 HYPERLINK l _Toc295503587 3.5.2 顯示單元接口電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503587 h 20 HYPERLINK l _Toc295503588 3.6

13、通信單元的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503588 h 21 HYPERLINK l _Toc295503589 3.7 本章小節(jié) PAGEREF _Toc295503589 h 22 HYPERLINK l _Toc295503590 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503590 h 23 HYPERLINK l _Toc295503591 4.1 主程序的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503591 h 23 HYPERLINK l _Toc295503592 4.1.1 主程序 PAGEREF _Toc295503592 h 23 HYPERLINK l

14、_Toc295503593 4.1.2 初始化子程序 PAGEREF _Toc295503593 h 24 HYPERLINK l _Toc295503594 4.1.3 顯示程序 PAGEREF _Toc295503594 h 24 HYPERLINK l _Toc295503595 4.2 中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295503595 h 24 HYPERLINK l _Toc295503596 4.2.1 PWM波發(fā)生程序 PAGEREF _Toc295503596 h 25 HYPERLINK l _Toc295503597 4.2.2 捕獲中斷程序 PAGEREF

15、_Toc295503597 h 27 HYPERLINK l _Toc295503598 4.3 PID控制算法 PAGEREF _Toc295503598 h 28 HYPERLINK l _Toc295503599 4.3.1 PID控制原理 PAGEREF _Toc295503599 h 29 HYPERLINK l _Toc295503600 4.3.2 系統(tǒng)PID控制 PAGEREF _Toc295503600 h 29 HYPERLINK l _Toc295503601 4.4 本章小節(jié) PAGEREF _Toc295503601 h 31 HYPERLINK l _Toc2955

16、03602 第5章 系統(tǒng)總體調(diào)試 PAGEREF _Toc295503602 h 32 HYPERLINK l _Toc295503603 5.1 調(diào)試準(zhǔn)備 PAGEREF _Toc295503603 h 32 HYPERLINK l _Toc295503604 5.2 系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _Toc295503604 h 32 HYPERLINK l _Toc295503605 結(jié)論 PAGEREF _Toc295503605 h 34 HYPERLINK l _Toc295503606 致謝 PAGEREF _Toc295503606 h 35 HYPERLINK l _Toc2955

17、03607 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc295503607 h 36 HYPERLINK l _Toc295503608 附錄 PAGEREF _Toc295503608 h 37 第1章 緒論1.1 課題概述1.1.1 課題研究的背景電氣傳動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為控制對象，按生產(chǎn)機(jī)械工藝要求進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的不同，工程上通常把電氣傳動(dòng)分為直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)兩大類。縱觀電氣傳動(dòng)的發(fā)展過程，交流與直流兩大電氣傳動(dòng)并存于各個(gè)時(shí)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

18、中完善著自身，發(fā)生著變更。由于直流電機(jī)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(dòng)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速能力、靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面都提出了更高的要求，所以計(jì)算機(jī)控制電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要內(nèi)容。直流調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著更為廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，兩者的有機(jī)結(jié)合使電力拖動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn)生了新的變化。電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和直流拖動(dòng)技術(shù)的組合是技術(shù)領(lǐng)域的交叉，具有廣泛的應(yīng)用前景。有不少的研究者己經(jīng)在用DSP作為控制器進(jìn)行研究。直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制方法經(jīng)歷了機(jī)械式的、雙機(jī)組式的、分立元件電

19、路式的、集成電路式的、單片機(jī)式的發(fā)展過程。隨著數(shù)字信號處理器DSP的出現(xiàn)，給直流調(diào)速控制提供了新的手段和方法。將計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展成果運(yùn)用在直流調(diào)速系統(tǒng)中，在經(jīng)典控制的基礎(chǔ)之上探討一種新的控制方法，為計(jì)算機(jī)技術(shù)在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做些研究性的工作。用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的選型很多。經(jīng)過選擇，選取DSP芯片作為控制器。直流調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容十分豐富，有開環(huán)控制系統(tǒng)，有閉環(huán)控制系統(tǒng)；有單閉環(huán)控制系統(tǒng)，有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng)；有可逆調(diào)速系統(tǒng)，有不可逆調(diào)速系統(tǒng)等9。開展本課題研究的控制對象是閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；研究的目的是利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，對控制系統(tǒng)升級

20、進(jìn)行研究；研究工作是在對控制對象全面回顧總結(jié)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對控制部分展開研究，它包括對實(shí)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(shí)現(xiàn)控制的方法和手段隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不斷地進(jìn)行技術(shù)升級。這個(gè)過程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片計(jì)算機(jī)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(jìn)。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(jī)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(jī)控制要求的日益提高，DSP將在電機(jī)控制領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。1.1.2 課題

21、研究的目的及意義長期以來，直流電機(jī)一直占據(jù)著速度控制和位置控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高質(zhì)高效的平滑運(yùn)轉(zhuǎn)的特性，盡管近年來不斷受到其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但到目前為止，就其性能來說仍無其它電動(dòng)機(jī)可比。在控制系統(tǒng)的構(gòu)成上，本課題對硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，而這個(gè)硬件系統(tǒng)具有一定的通用性，也即可以將它作為一個(gè)硬件平臺，在其它過程控制中應(yīng)用。另外，由DSP的特點(diǎn)量身訂做，可以在其它的控制系統(tǒng)中根據(jù)不同的要求進(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而來構(gòu)成硬件系統(tǒng)，這樣既便于設(shè)計(jì)思想的物化，又使得設(shè)計(jì)系統(tǒng)更加緊湊，不浪費(fèi)資源。本直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用經(jīng)典的數(shù)字增量式PID控制算法，在本文中對數(shù)字增量

22、式PID控制的理論、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述。1.2 課題研究的現(xiàn)狀近些年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。除了人們己經(jīng)熟悉的普通電機(jī)外，許多不同用途的特種電機(jī)也不斷問世，如廣泛應(yīng)用于辦公設(shè)備的無刷直流電機(jī)和高精度的步進(jìn)電機(jī)、用于照相機(jī)的超聲波電機(jī)、用于心臟血液循環(huán)系統(tǒng)的微型電機(jī)等等。另一方面，由于應(yīng)用了電力電子技術(shù)，電機(jī)的控制技術(shù)變得更加靈活，效率也更高，如變頻器控制的異步電機(jī)及伺服系統(tǒng)即是典型的例子1。在實(shí)際中，電機(jī)應(yīng)用已由過去簡單的起?？刂?、提供動(dòng)力為目的應(yīng)用，上升到對其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確的控制

23、，使被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)符合預(yù)想的要求。例如在工業(yè)自動(dòng)化、辦公室自動(dòng)化和家庭住宅自動(dòng)化方面使用大量的電機(jī)，幾乎都采用功率器件進(jìn)行控制，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這種新型控制技術(shù)己經(jīng)不是傳統(tǒng)的“電機(jī)控制”或“電氣傳動(dòng)”而是“運(yùn)動(dòng)控制”。運(yùn)動(dòng)控制使被控機(jī)械實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機(jī)械量的綜合控制。因此現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)離不開功率器件和電機(jī)控制器的發(fā)展5。電機(jī)的控制器經(jīng)歷了從模擬控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展。由于模擬器件的一些參數(shù)受外界因素影響較大，并且它的精度也差。所有這些都使得模擬控制器的可重復(fù)性比較差，控制效果不理想，因此調(diào)速電機(jī)的控制

24、器逐漸朝數(shù)字化方向發(fā)展。數(shù)字控制器與模擬控制器相比較，具有可靠性高、參數(shù)調(diào)整方便、更改控制策略靈活、控制精度高、對環(huán)境因素不敏感等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)有的工業(yè)電氣傳動(dòng)、自動(dòng)控制和家電領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)控制產(chǎn)品需求的增加用戶也不斷提高對電機(jī)控制技術(shù)的要求5?？偸窍Ｍ茉隍?qū)動(dòng)系統(tǒng)中集成更多的功能，達(dá)到更高的性能。許多設(shè)備試圖使用8位或是準(zhǔn)16位的微處理器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制，然而它們的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算功能都阻礙了這一要求的實(shí)現(xiàn)。例如，在很多領(lǐng)域（如工業(yè)、家電和汽車），用戶希望使用效率高且去掉霍爾效應(yīng)傳感器的電機(jī)。這種電機(jī)的控制可以通過使用先進(jìn)的電機(jī)控制理論、采用高效的控制算法來實(shí)現(xiàn)。但是這可能超出上述微處理器的計(jì)

25、算能力。使用高性能的數(shù)字信號處理器（DSP）來解決電機(jī)控制器不斷增加的計(jì)算量和速度需求是目前較為普遍的做法。將一系列外圍設(shè)備如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、脈寬調(diào)制發(fā)生器（PWM）和數(shù)字信號處理器（DSP）集成在一起，就獲得一個(gè)既功能強(qiáng)大又非常經(jīng)濟(jì)的電機(jī)控制專用的DSP芯片。近年來，各種集成化的一單片DSP的性能得到很大的改善，軟件和開發(fā)工具越來越多，越來越好，價(jià)格卻大幅度降低。低端產(chǎn)品的價(jià)格已接近單片機(jī)的價(jià)格水平，但卻比單片機(jī)具有更高的性能價(jià)格比。越來越多的單片機(jī)用戶開始選用DSP器件來提高產(chǎn)品性能，DSP器件取代高檔單片機(jī)的時(shí)機(jī)己成熟13。首先，與單片機(jī)相比，DSP器件具有較高的集成度。DSP具有

26、更快的CPU,更大容量的存儲器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。有的片內(nèi)集成了A/D和采樣/保持電路，可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡指令器件，大多數(shù)指令都能在一個(gè)周期內(nèi)完成，并且通過并行處理技術(shù)，使一個(gè)指令周期內(nèi)可完成多條指令。同時(shí)DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。又配有內(nèi)置高速硬件乘法器、多級流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)計(jì)算能力。而單片機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC），多數(shù)指令要2-3個(gè)指令周期來完成。單片機(jī)采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存取，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪問指令和數(shù)據(jù)、A

27、LU只能做加法，乘法需要由軟件來實(shí)現(xiàn)，因此占用較多的指令周期，也就是說速度比較慢。所以，結(jié)構(gòu)上的差異使DSP器件比準(zhǔn)16位單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快8-10倍，完成一次乘法運(yùn)算快16-30倍。DSP器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提供了FFT快速傅立葉變換和濾波器的運(yùn)算。此外，DSP器件提供了JTAG （Joint Test Action Group）接口，具有更先進(jìn)的開發(fā)手段，批量生產(chǎn)測試更方便。其次，基于DSP芯片制造的電機(jī)控制器可以降低對傳感器等外圍器件的要求。通過復(fù)雜的算法達(dá)到同樣的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于專利技術(shù)的保密?，F(xiàn)在各大DSP生產(chǎn)廠家都推出自己的內(nèi)嵌式DSP電機(jī)控制專

28、用集成電路。如占DSP市場份額45%的美國德州儀器公司，憑借自己的實(shí)力，推出了電機(jī)控制器專用DSP-TMS320C24x。新的TMS320C24x DSP采用TI公司TMS320C2xLP16位定點(diǎn)DSP核，并集成了一個(gè)電機(jī)事件管理器，后者的特點(diǎn)是可以最佳方式實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。該器件利用TI的可重用DSP核心技術(shù)，顯示出TI的特殊能力一通過在單一芯片上集成一個(gè)DSP和混合信號外設(shè)件，制造出面向各種應(yīng)用的DSP方案。TMS320C24x作為第一個(gè)數(shù)字電機(jī)控制器的專用DSP系列，可支持用于電機(jī)控制的指令產(chǎn)生、控制算法處理、數(shù)據(jù)交流和系統(tǒng)監(jiān)控等功能。集成的DSP核、最佳化電機(jī)控制器事件管理器和單片式

29、A/D設(shè)計(jì)等諸多功能塊加在一起，就可以提供一個(gè)單芯片式數(shù)字電機(jī)控制方案。系列中的TMS320LF2407包括一個(gè)30MIPSDSP核、兩個(gè)事件管理器、32位的中央算術(shù)邏輯單元、多達(dá)16通道的IO位A/D轉(zhuǎn)換器、64K的I/0空間和一個(gè)32K字的閃速存儲器，它利用TMS320的定點(diǎn)DSP軟件開發(fā)工具和JTAG仿真支持，可使電機(jī)控制領(lǐng)域的研發(fā)人員方便地調(diào)試控制器和脫機(jī)使用。第三，DSP運(yùn)算速度快，控制策略中可以使用先進(jìn)的實(shí)時(shí)算法，如自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波、狀態(tài)預(yù)估等，大大提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)。而且DSP控制軟件可用C語言或匯編語言編寫或者二者嵌套使用。因此采用DSP芯片制造的電機(jī)控制器便于用戶的調(diào)試

30、和應(yīng)用。最后，在越來越多的場合，如電動(dòng)汽車、紡織行業(yè)、水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)等，他們往往是規(guī)模比較大，時(shí)序、組合邏輯都很復(fù)雜的情況，這時(shí)如果同時(shí)運(yùn)用DSP芯片和一些其它的可編程邏輯器件可以大大減小系統(tǒng)的體積、提高系統(tǒng)運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制。1.3 課題研究的內(nèi)容本文主要研究基于DSP的直流電機(jī)控制系統(tǒng)，通過控制算法和調(diào)速方法的分析，利用電機(jī)調(diào)速、DSP芯片控制、上位機(jī)通信、按鍵模塊等的基本原理及相關(guān)知識，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度控制。整個(gè)系統(tǒng)的基本思想就是利用DSP內(nèi)部資源產(chǎn)生可控制的脈沖控制整流電壓，改變串入主回路中的直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。研究內(nèi)容包括如下：（1）電機(jī)控制系統(tǒng)功

31、能實(shí)現(xiàn)的分析；（2）控制算法與調(diào)速方法的分析與設(shè)計(jì)；（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源模塊、按鍵模塊、測速、顯示模塊的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；（4）系統(tǒng)主程序、按鍵掃描、控制算法、測速、電機(jī)速度控制等程序的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；（5）電機(jī)控制系統(tǒng)整機(jī)測試與實(shí)現(xiàn)；第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)的組成由圖2-1可知，該設(shè)計(jì)包含DSP控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元、顯示單元、通信單元五個(gè)部分。DSP控制單元：對來自上位機(jī)的給定信號和來自傳感器的反饋信號按一定的算法進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)的PWM波，經(jīng)過光電隔離部分，送給功率驅(qū)動(dòng)單元；功率驅(qū)動(dòng)單元：對來自DSP控制器的PWM信號進(jìn)行功率放大后送給直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與

32、負(fù)載；速度檢測單元：采集電機(jī)的速度信息，并送給主控制器；顯示單元：將采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速信息予以顯示；通信單元：負(fù)責(zé)主控制器與上位機(jī)及外設(shè)的信息交換。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖2. 2 DSP芯片選擇直流電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)一般采用電機(jī)專用微處理器，其種類主要包括復(fù)雜指令集CISC處理器如工NTEL196MX系列單片微控制器，精簡指令集RISC如日立公司SH704x系列單片微控制器，哈佛結(jié)構(gòu)DSP處理器如TI公司T145320F24X系列DSP。一般用于直流電機(jī)控制的徽處理器性能要滿足以下幾個(gè)方面：（1）指令執(zhí)行速度；（2）片上程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器的容量及程序存儲器的類型；（3）乘除法、積和運(yùn)算和坐標(biāo)

33、變換、向量計(jì)算等控制計(jì)算功能；（4）中斷功能和中斷通道的數(shù)目；（5）用于PWM生成硬件單元和可實(shí)現(xiàn)的調(diào)制范圍以及死區(qū)調(diào)節(jié)單元；（6）用于輸入模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換器；（7）價(jià)格及開發(fā)環(huán)境。DSP一般采用哈佛或者改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，程序空間和數(shù)據(jù)空間分離，程序的數(shù)據(jù)總線和地址總線分離，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線和地址總線分離。這種結(jié)構(gòu)允許同時(shí)訪問程序指令和數(shù)據(jù)，在同一機(jī)器周期里完成讀和寫，并行支持在單機(jī)器時(shí)鐘內(nèi)同時(shí)執(zhí)行算術(shù)、邏輯和位處理操作，極大地提高了執(zhí)行速度，并且電機(jī)控制專用DSP具備豐富的設(shè)備和接口資源。TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影響、最為成功的數(shù)字信號處理器，其產(chǎn)品銷量一直處于國際領(lǐng)先

34、地位，是公認(rèn)的世界DSP霸主。本論文選擇了TI公司的TMS320LF2407DSP作為直流電機(jī)控制系統(tǒng)的微處理器。2.3 TMS320LF2407 DSP 控制器介紹TMS320LF2407 DSP是專為數(shù)字電機(jī)控制和其它控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。是當(dāng)前集成度最高、性能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制芯片。不但有高性能的C2XX CPU內(nèi)核，配置有高速數(shù)字信號處理的結(jié)構(gòu)，且有控制電機(jī)的外設(shè)。它將數(shù)字信號處理的高速運(yùn)算功能，與面向電機(jī)的強(qiáng)大控制功能結(jié)合在一起，成為傳統(tǒng)的多微處理器單元和多片系統(tǒng)的理想替代品12。TMS320LF2407的片內(nèi)外設(shè)模塊包括：事件管理模塊（EV）、數(shù)字輸入/輸出模塊（I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（A

35、DC）、串行外設(shè)模塊（SPI）、串行通信模塊（SCI）、局域網(wǎng)控制器模塊（CAN）。（1）事件管理器EVA和EVBTMS320LF2407提供兩個(gè)事件管理器EVA和EVB模塊，每個(gè)模塊包含兩個(gè)通用（GP）定時(shí)器、3個(gè)全比較/PWM單元、3個(gè)捕獲單元和一個(gè)正交編碼脈沖電路。事件管理器位用戶提供了眾多的功能和特點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制中特別有用。通用定時(shí)器：LF2407共有4個(gè)通用定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器包括：一個(gè)16位的定時(shí)器增/減計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器TxCNT；一個(gè)16位的定時(shí)器比較寄存器TxCMPR；一個(gè)16位的定時(shí)器周期寄存器TxPR；一個(gè)16位的定時(shí)器控制寄存器TxCON；可選擇的內(nèi)部或外部輸入時(shí)鐘。

36、各個(gè)GP定時(shí)器之間可以彼此獨(dú)立工作或相互同步工作。與其有關(guān)的比較寄存器可用作比較功能或PWM波形發(fā)生。每個(gè)GP定時(shí)器的內(nèi)部或外部的輸入時(shí)鐘都可進(jìn)行可編程的預(yù)定標(biāo)，它還向事件管理器的子模塊提供時(shí)畢。每個(gè)通用定時(shí)器有4種可選擇的操作模式：停止/保持模式、連續(xù)增計(jì)數(shù)模式、定向增/減計(jì)數(shù)模式、逢續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式。當(dāng)計(jì)數(shù)器值和比較寄存器值相等時(shí)，比較匹配發(fā)生，從而在定時(shí)器的PWM輸出引腳TxPWM/TxCMP上產(chǎn)生CMP/PWM脈沖，可設(shè)置控制寄存器GPTCON中的相應(yīng)位，選擇下溢、比較匹配或周期匹配時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器。比較單元：LF2407有6個(gè)比較單元，每個(gè)EV模塊有3個(gè)。每個(gè)比較單元又有兩

37、個(gè)相關(guān)的PWM輸出，比較單元的時(shí)基由通用定時(shí)器1 （EVA模塊）和通用定時(shí)器3 （EVB模塊）提供。每個(gè)比較單元和通用定時(shí)器1或通用定時(shí)器3，死區(qū)單元及輸出邏輯可在兩個(gè)特定的器件引腳上產(chǎn)生一對具有可編程死區(qū)以及輸出極性可控的PWM輸出。在每個(gè)EV模塊中有6個(gè)這種與比較單元相關(guān)的PWM輸出引腳，這6個(gè)特定的PWM輸出引腳可用于控制三相交流感應(yīng)電機(jī)和直流無刷電機(jī)。由比較方式控制寄存器所控制的多種輸出方式能輕易地控制應(yīng)用廣泛的開關(guān)磁阻電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。捕獲單元：捕獲單元被用于高速I/O的自動(dòng)管理器，它監(jiān)視輸入引腳上信號的變化，記錄輸入事件發(fā)生時(shí)的計(jì)數(shù)器值，即記錄下所發(fā)生事件的時(shí)刻。該部件的工作由內(nèi)

38、部定時(shí)器同步，不用CPU干預(yù)。LF2407共有6個(gè)捕獲單元，CAP1，CAP2，CAP3可選擇通用定時(shí)器1或2作為它們的時(shí)基，但CAP1和CAP2一定要選擇相同的定時(shí)器作為它們的時(shí)基。CAP4，CAP5，CAP6可選擇通用定時(shí)器3或4作為它們的時(shí)基，同樣CAP4和CAP5也一定要選擇相同的定時(shí)器作為它們的時(shí)基。每個(gè)單元各有一個(gè)兩級的FIFO緩沖堆棧。當(dāng)捕獲發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志被置位，并向CPU發(fā)中斷請求；若中斷標(biāo)志己被置位，捕獲單元還將啟動(dòng)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器。正交編碼脈沖（QEP）單元：常用的位置反饋檢測元件為光電編碼器或光柵尺，它直接將電機(jī)角度和位移的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其輸出一般有相位

39、差為90的A、B兩路信號和同步脈沖信號C。A、B兩路脈沖可直接作為LF2407的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引腳的輸入。正交編碼脈沖電路的時(shí)基由通用定時(shí)器2或通用定時(shí)器4提供，但通用定時(shí)器必須設(shè)置成定向增/減計(jì)數(shù)模式，并以正交編碼脈沖電路作為時(shí)鐘源。（2）數(shù)字輸入/輸出模塊（I/O）DSP器件的數(shù)子輸入/輸出引腳均為功能復(fù)用引腳。即這些引腳既可作為通用I/O功能（雙向數(shù)據(jù)輸入/輸出）引腳，也可作特殊功能（PWM輸出、捕獲輸入、串行輸入輸出等）引腳。數(shù)子I/O模塊負(fù)責(zé)對這些引腳進(jìn)行控制和設(shè)置。兩種功能的選擇由I/O復(fù)用控制寄存器（MCRx，x=A，B，C）來控制。當(dāng)引腳作為通用I/O時(shí)

40、，由數(shù)據(jù)和方向控制寄存器（PxDATDIR，x=A，B，C，D，E，F(xiàn)）指出各I/O引腳的數(shù)據(jù)方向（輸入還是輸出）和當(dāng)前引腳對應(yīng)的電平（高或低）。讀通用I/O引腳的電平或向引腳輸出電平，實(shí)際上是對相應(yīng)的寄存器（PxDATDIR）進(jìn)行讀寫操作。（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控制或被檢測的對象，如溫度、壓力、流量、速度等都是連續(xù)變化的物理量，通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎ㄈ鐪囟葌鞲衅?、壓力傳感器、光電傳感器等）將他們轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電壓或電流（即模擬量）。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC就是用來講這些模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字量的模塊。TMS320LF2407期間內(nèi)部有一個(gè)10為的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

41、ADC。該模塊能夠?qū)?6個(gè)模擬輸入信號進(jìn)行采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換，通道的轉(zhuǎn)換順序可以編程選擇。（4）串行通信接口（SCI）模塊2407器件的串行通信接口（SCI）模塊是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信異步接收/發(fā)送（UART）可編程串行通信接口。SCI支持CPU與其他異步串口采用標(biāo)準(zhǔn)不返回零（NRZ）模塊進(jìn)行異步串行數(shù)字通信。SCI有空閑線和地址位兩種多處理器通信方式；兩個(gè)輸入/輸出引腳：SCIRXD（SCI接收數(shù)據(jù)引腳）和SCITXD（SCI發(fā)送數(shù)據(jù)引腳）；SCI通過一個(gè)16位的波特率選擇寄存器，可編程選擇64K種不同速率的波特率。SCI支持半雙工和全雙工操作，發(fā)送器和接收器的操作可以通過中斷或轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志來

42、完成。（5）串行外設(shè)接口（SPI）模塊串行外設(shè)接口（SPI）模塊是一個(gè)高速同步串行輸入/輸出（I/O）口，它能使可編程長度（116位）的串行位流以可編程的位傳輸速率輸入或輸出器件。SPI可作為一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)，以同步方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備之間的信息交換，即兩個(gè)設(shè)備在同一時(shí)鐘下工作。SPI通常用于DSP控制器與外部設(shè)備或其他控制器之間的通信，用SPI可以構(gòu)成多機(jī)通信系統(tǒng)，SPI還可以作為移位寄存器、顯示驅(qū)動(dòng)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC等器件的外設(shè)擴(kuò)展口。（6）CAN控制器模塊LF24xx系列DSP控制器作為第一個(gè)具有片上CAN控制模塊的DSP芯片，給用戶提供一個(gè)設(shè)計(jì)分布式或網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的無限可能。CAN

43、總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1 Mbps，通信距離可達(dá)10km。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。由于CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。2407的CAN控制器模塊是一個(gè)16位的外設(shè)模塊，支持CAN2. 0B協(xié)議。CAN模塊有6個(gè)郵箱（MBOX0MBOX5）；有用于0，1,2和3號的郵箱的本地屏蔽寄存器和15個(gè)控制/狀態(tài)寄存器。CAN模塊既有可編程的位速率、中斷方式和CAN總線喚醒功能；自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請求；自動(dòng)再發(fā)送功能（

44、在發(fā)送時(shí)出錯(cuò)或仲裁是丟失數(shù)據(jù)的情況下）；總線出錯(cuò)診斷和自測模式。2.4 硬件方案論證2.4.1 測速傳感器的選擇方案一：使用測速發(fā)電機(jī)，輸出電動(dòng)勢E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，即E=kn，其中k是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電動(dòng)勢的極性即相應(yīng)改變。方案二：采用霍爾傳感器，霍爾元件是磁敏元件，在被測的旋轉(zhuǎn)體上裝一磁體，旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)磁體經(jīng)過霍爾元件，霍爾元件就發(fā)出一個(gè)信號，經(jīng)放大整形得到脈沖信號，送運(yùn)算。方案三：在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上套一碼盤，利用光電對管測脈沖，每轉(zhuǎn)一圈OUT端輸出若干個(gè)脈沖。（本設(shè)計(jì)中碼盤每轉(zhuǎn)一圈，輸出4個(gè)脈沖）經(jīng)比較，方案一中的測速放電機(jī)安裝不如方案二中霍爾元件安裝方便，并且準(zhǔn)確率也沒方案二的

45、高，并且方案二不需A/D轉(zhuǎn)換，直接可以被DSP接收。但方案二的霍爾傳感器的采購不是很方便，故采用方案三，它具有方案二的幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)。方案三中可以采用定時(shí)的方法：是通過定時(shí)器記錄脈沖的周期T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=60/4T=15/T。0也可以采用記數(shù)的方法：具體是通過DSP記單位時(shí)間S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù)N，每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=N/S15。比較兩個(gè)計(jì)數(shù)方法，方法一所產(chǎn)生的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)誤差和硬件設(shè)計(jì)誤差，因?yàn)榇舜螠y速所使用的碼盤為自行制作，間隔不均勻，容易使脈沖之間產(chǎn)生時(shí)間差。而方法二的誤差主要是1誤差（量化誤差），則可以有效地減少碼盤制作給系統(tǒng)帶來的誤差。由此明顯看出，方法二在測量精度上優(yōu)于方法

46、一，所以采用方法二計(jì)數(shù)。故選方案三。2.4.2 功率驅(qū)動(dòng)單元方案論證方案一：采用專用小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡單，幾乎不添加其它外圍元件就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，使得驅(qū)動(dòng)電路功耗相對較小，而且目前市場上此類芯片種類齊全，價(jià)格也比較便宜。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)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用DSP控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型

47、電路保證了可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。通過比較和對市場因素的考慮，本設(shè)計(jì)采用方案一。2.4.3 鍵盤顯示方案論證方案一：采用34鍵盤，可直接通過鍵盤輸入設(shè)定值。優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)級數(shù)多；缺點(diǎn)是功耗大，不符合智能化趨勢而且不美觀。方案二：使用3個(gè)按鍵，進(jìn)行逐位設(shè)置。一個(gè)按鍵控制正轉(zhuǎn)，一個(gè)反轉(zhuǎn)，一個(gè)停止。優(yōu)點(diǎn)是美觀大方，一目了然；缺點(diǎn)是抗干擾能力較差。由于方案一中電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)級數(shù)設(shè)置可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，且方案二中干擾也可通過軟件克服。因此，本設(shè)計(jì)完全采用方案二。2.4.4 PWM實(shí)現(xiàn)方案論證 PWM信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：一種是軟件的方

48、法；另一種是硬件的方法。方案一：基于NE555，SG3525等一系列的脈寬調(diào)速系統(tǒng)。此種方式采用NE555作為控制電路的核心，用于產(chǎn)生控制信號。NE555產(chǎn)生的信號要通過功率放大才能驅(qū)動(dòng)后級電路。NE555、SG3525構(gòu)成的控制電路較為復(fù)雜，且智能化、自動(dòng)化水平較低，在工業(yè)生產(chǎn)中不利于推廣和應(yīng)用。方案二：基于DSP由軟件來實(shí)現(xiàn)PWM。在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比是一個(gè)重要參數(shù)。在電源電壓不變的情況下，電樞兩端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變的值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。改變占空比的值有三種方法：A、定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變 t2，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。

49、B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t2不變，只改變t1，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。C、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變t1和t2。圖2-2 電樞電壓占空比圖前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會引起震蕩，因此這兩種方法用得很少。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。所以選擇方案二，采用定頻調(diào)寬法。2.5 本章小節(jié)本章對系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)模塊和各大系統(tǒng)方案的選擇做了簡要的闡述，確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案；同時(shí)，對主控制器芯片的硬件資源和外設(shè)電路做了較為詳細(xì)的介紹，明確了各大功能模塊和主控制器之間的邏輯關(guān)系，為各大模塊的功能實(shí)現(xiàn)提供

50、了強(qiáng)有力的支持。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 電源電路的設(shè)計(jì)TMS320LF2407采用高性能靜態(tài)CMOS，供電電壓為低電壓+3. 3V，而系統(tǒng)中還有其他一些TTL芯片，需要+5V電壓，為此，系統(tǒng)為一個(gè)多電源的系統(tǒng)。電源轉(zhuǎn)換電路的功能是用來產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的3.3V直流電源，提供給TMS320LF2407以及整個(gè)數(shù)字電路工作10。圖3-1 電源電路電源插孔J1標(biāo)識為內(nèi)正外負(fù)，+5V穩(wěn)壓直流電源輸入。TPS7333 電源轉(zhuǎn)換芯片作為5V 轉(zhuǎn)3.3V 的高性能穩(wěn)壓芯片。并可提供上電復(fù)位信號,該信號接到DSP 的復(fù)位引腳上。7333 輸出后的10uF 和0.1uF 的電容起穩(wěn)壓作用，得到穩(wěn)定的3.3V 電

51、壓。3.2 功率驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)單元是對來自DSP控制器的PWM信號進(jìn)行功率放大后送給直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載。直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。近年來，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制（Puts Width Modulation，簡稱PWM）控制方式已成為絕對主流。PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 PWM控制技術(shù)在逆變電路

52、中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位6。3.2.1 PWM調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為： （3-1）公式（3-1）中，U為電樞端電壓；I為電樞電流；R為電樞電路總電阻；中為每極磁通量；K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。所以直流電動(dòng)機(jī)的轉(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。其中勵(lì)磁控制法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞控制法。絕大多數(shù)直流電

53、機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速2。圖3-2 PWM調(diào)速控制原理圖和電壓波形圖3-2是利用開關(guān)管對直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。圖中，當(dāng)開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。這樣，對應(yīng)著輸入的電平高低，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖中所示。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值為： （3-2）公式（3-2）中為占空比，=

54、。占空比表示了在一個(gè)周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。如，一個(gè)PWM的頻率是1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是200us，那么低電平的時(shí)間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說PWM的占空比就是1：5。占空比的變化范圍為0l。由此式可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。3.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動(dòng)電路采用的是基于雙極型H橋型脈寬調(diào)制方式（PWM）的集成電路L298N14。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部

55、包含二個(gè)H橋的高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動(dòng)46伏、2安培以下的電機(jī)，工作溫度范圍從零下25到130。表3-1是其使能引腳，輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關(guān)系。EnA是控制使能端，控制OUT1和OUT2之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)， IN1、IN2腳接入控制電平，控制OUT1和OUT2之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)使能端EnA為高，IN1為高電平IN2為低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之電機(jī)則反轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1和IN2電平相同時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。表3-1 L298N功能邏輯表EnAIN1IN2電機(jī)轉(zhuǎn)向HHL正 轉(zhuǎn)HLH反 轉(zhuǎn)H同IN2同IN1停 止LXX停 止圖中的EnA（PWM）輸入對應(yīng)LF2407上的IOPA

56、6引腳，IN1和IN2分別對應(yīng)LF2407上的IOPF3和IOPF4引腳。接口電路如圖3-3所示。圖中二極管的作用是消除電機(jī)的反向電動(dòng)勢，保護(hù)電路，因此采用整流二極管比較合適。需要注意的是，三個(gè)引腳信號都應(yīng)通過光電隔離的變換后再作用于L298N，目的是為了防止因電機(jī)啟動(dòng)停止瞬間產(chǎn)生的尖峰脈沖對主控制器的影響。本設(shè)計(jì)中的光電隔離采用的是高速光耦6N137，信號經(jīng)過6N137的隔離后不改變邏輯狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)要求正轉(zhuǎn)時(shí)，IOPF3給出高電平信號，IOPF4給出低電平信號，此時(shí)IOPA6的邏輯信號就決定了電機(jī)正轉(zhuǎn)的速度，也就是說DSP產(chǎn)生的PWM信號的占空比決定了電機(jī)兩端電樞電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速

57、。同樣，當(dāng)電機(jī)要求反轉(zhuǎn)時(shí)，IOPF3給出低電平信號，IOPF4給出高電平信號。圖3-3 L298N接口電路3.3 速度檢測單元的設(shè)計(jì)速度檢測單元通過傳感器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，并傳送給主控制器，同時(shí)與主控制器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)回路7。轉(zhuǎn)速的測量主要是借助光電或磁電傳感器來實(shí)現(xiàn)，其具體做法是：與電機(jī)同軸連接一均勻分布的碼盤或直接利用電機(jī)來帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，使該碼盤與電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)。光電或磁電傳感器發(fā)出信號，經(jīng)過光敏電阻后形成電脈沖，將脈沖送入計(jì)數(shù)器，通過計(jì)算即可得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.3.1 速度檢測的方法根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有：M法（測頻法），T法（測周期法）和M/T法7。本設(shè)計(jì)中采用M法來完成

58、對電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測。M法基本原理是，在一定的測量時(shí)間內(nèi)，測速脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)為。則電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)為： （3-3）公式（3-3）中（r/min）為電機(jī)轉(zhuǎn)速，為電機(jī)轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即碼盤的齒輪數(shù)。3.3.2 速度檢測電路設(shè)計(jì)電機(jī)測速模型如圖3-4，將柵格圓盤變化通過光電發(fā)射器和接收器以及外圍轉(zhuǎn)換電路的作用送給DSP通過數(shù)學(xué)運(yùn)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速11。圖3-4 電機(jī)測速模型光電對管產(chǎn)生的脈沖在經(jīng)過施密特觸發(fā)器SN74LS14后送入LF2407的捕獲單元，捕獲單元可以記錄在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)捕獲到的脈沖數(shù)，從而計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的接口電路如圖3-5所示。圖3-5 速度檢測電路需要注意的是，光電

59、對管出來的信號一般為+5V的方波信號，為此需要經(jīng)過一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC245隔離才能與LF2407的CAP電路進(jìn)行相連。電路如圖3-6所示。圖3-6 電平轉(zhuǎn)換電路3.4 按鍵控制單元的設(shè)計(jì)鍵盤用于實(shí)現(xiàn)DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和控制命令的輸入，鍵盤輸入也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最廣泛的一種輸入方式。鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。非編碼鍵盤通常是鍵排列成行列矩陣，按鍵的作用只是相應(yīng)的接觸點(diǎn)接通或斷開，通過軟件編程產(chǎn)生按鍵的鍵碼15。本設(shè)計(jì)中的按鍵模塊是電機(jī)控制的關(guān)鍵，通過按鍵的輸入可以實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速功能。DSP在每個(gè)周期內(nèi)對鍵盤進(jìn)行一次掃描，即定時(shí)掃描方式，若有按鍵引起的中斷，

60、則程序執(zhí)行相應(yīng)的指令。鍵盤模塊由三個(gè)按鍵組成。按鍵K1控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)谝淮伟聪掳存IK1，系統(tǒng)進(jìn)入正轉(zhuǎn)模式；再次按下按鍵K1，系統(tǒng)正轉(zhuǎn)加速；第三次按下按鍵K1，系統(tǒng)正轉(zhuǎn)減速。按鍵K3控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)谝淮伟聪掳存IK3，系統(tǒng)進(jìn)入反轉(zhuǎn)模式；再次按下按鍵K3，系統(tǒng)反轉(zhuǎn)加速；第三次按下按鍵K3，系統(tǒng)反轉(zhuǎn)減速。按鍵K2控制電機(jī)停止，無論電機(jī)處于任何模式下工作，只要按下按鍵K2，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按鍵接口電路如圖3-7所示。圖3-7 按鍵電路控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是直接通過按鍵中斷來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)加減速則是通過程序?qū)崿F(xiàn)的，按鍵的具體功能模塊如表3-2所示。表3-2 按鍵功能圖按鍵 次數(shù)123按鍵 K1正