本科毕业论文基于dsp电机控制技术的研究

本科毕业论文基于dsp电机控制技术的研究内容摘要：

差信号。 信 xx 大学学士学位论文 4 号检测、传感主要指转子位置检测，电流与 电压检测等。 例如用霍尔传感器或光电编码器检测转子位置，获取转子实际位置角信号。 电机内部的机电祸合关系是通过磁场作为媒体。 首先要解决的问题是如何利用检测到的电机转子位置、电流和电压信号观测电机内部磁场的变化。 其次是如何反映电机产生的电磁转矩大小，以便有效地控制电机的电磁转矩。 电机控制离不开电源，包括强电部分的供电电源和弱电部分的驱动电源。 驱动电机主要靠供给逆变器的动力电，逆变器由滞环比较器输出的控制信号按一定规律触发导通，将动力电加到电机绕组上控制电机拖动负载运行 [4]。 2． DSP 控制的硬件基础以 DSP 为基 础构建电机控制系统，其硬件资源包括 :信号检测与转换、系统接口、 PWM 控制器等。 控制系统中信号检测是必不可少的，尤其是在闭环控制系统中，状态信息的检测更加重要。 检测信号分为电量和非电量两类。 电量信号有电流、电压和电功率等。 非电量信号包括位置、速度、力或转矩、温度等。 它们的检测过程通常根据物理学原理利用传感器将非电量信号转换成电信号再来检测。 系统接口部分配置包括时钟信号、上电复位电路、存储器扩展接口、控制信号输入输出接口等。 电机的控制离不开驱动系统，例如直流电机控制系统的可逆 PWM 系统，无刷直流电机的三相全控桥 系统等。 系统桥路中的功率管是采用脉宽控制方式。 由 DSP 输出脉宽波来决定功率管的导通时间、方式与顺序，从而实现对电机的控制。 设计电机 DSP 控制系统的必要性及可行性 电机控制系统中，通常存在模拟信号和数字信号，既有连续信号，也有离散信号，多种信号的处理比较复杂。 同时在一些控制系统中，执行机构或是驱动电机并不是只有一种电机，如果单独设计控制器，就需要更多的元器件，从而整个系统变的复杂，可靠性降低。 比如在以前的许多工程项目中，我们需要控制的电机就不是一种，有直流无刷电机、直流力矩电机等。 单独设计的控制器也可以满足 系统的要求，但是这样会使影响系统性能的来源增加，对系统的安装、测试等就造成了诸多不便。 同样在一些更加复杂的系统中，如果使用的电机种类更多，则对电机控制的要求也越高。 为此，有必要设计电机控制系统平台，可以同时实现对多个或多种电机进行控制，从而使控制系统更简单、可靠。 传统的数字控制系统通常以单片机或微机为核心，而以 DSP 为核心的电机控制系统则具有更高的精度和速度、具有逻辑控制功能和各种中断处理等更强大的处理及计算能力。 随着大规模和超大规模集成电路技术的发展， DSP 芯片的功能将会越来越强。 在 DSP 应用到电机控制中 后，全数字控制系统成了当前电机控制的发展方向。 同时以 DSP 为核心的控制系统的以下特点也使设计电机的 DSP 控制系统更加可行了。 DSP 采用哈佛结构或改进的哈佛结构，使数据和程序相互独立的总线结构提高了计算能力。 因此可以实现比较复杂的控制规律，如优化控制、智能控制等现代控制理论和算法的应用。 可简化电机控制器的硬件设计，重量低，体积小，能耗低。 xx 大学学士学位论文 5 DSP 芯片内部设计保证元器件的稳定性和可靠性，从而会使整个系统的可靠性提高。 硬件的统一性和软件的灵活性有机结合，使 DSP 电机控制电路可以统一，如 DSP 控制三相逆变器驱 动相应的感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机或用改进后的逆变器驱动直流电机等，其硬件电路结构基本相同，针对不同的电机只需设计和编写不同的控制规律即可，从而使系统具有很强的灵活性 [2]。 论文的主要内容 本论文 的主要研究内容如下： 1．实现电机的 DSP 调速控制。 构建 PWM 驱动系统，在系统中一部分软件代替硬件，从而使步进电机控制系统更加可靠、简单。 2．实现电机的位置及速度空制。 DSP 芯片的出现为步进电机的控制提供了软硬件基础，本文将给出步进电机的工作原理，并通过脉冲调制对步进电电路ICETEKVC5509电路板。 3．电机控制系统的硬件电路的实现。 包括以 TMS320C55 系列为核心的主控电路 ICETEKVC5509电路板。 4．控制系统的软件设计。 软件设计采用模块化程序设计。 主要包括系统初始化模块；信号采集模块；主控制程序模块； PWM 输出模块等。 xx 大学学士学位论文 6 第 2章 步进电机的 DSP 控制 本章主要介绍了步进电机的发展、分类、原理、工作方式以及 DSP 的控制方式方法等内容。 步进电机结构及原理 步进电机的发展 步进电机在工业自动化装备、办公自动化设备中有着广泛的应用。 近年来，控制技术、计算机技术及微电子技术的迅速发展，有力推动 了 步进 电动机控制技术的进步，提高了步进电机运动控制装置的应用水平。 步进电动机应用系统已经由较 早的开环系统和简单的闭环系统，逐渐发展成为高性能的步进伺服系统、 步进电机伺服控制。 步进电机是纯粹的数字控制电动机。 它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。 近三十年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推进了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景 [5]。 步进电机的特点 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按 设定的方向转动一个固定的角度 (称为 “ 步距角 ”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差 (精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 (VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机 (HB)和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 度或 15度。 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 度，但噪声和振动都很大。 反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。 它又分为两相和五相：两相步进角一般为 度而五相步进角一般为 度。 这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。 电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 176。 /176。 （ 表示半步工作时为 176。 、整步工作时为 176。 ），这个步距角可以称之为 ‘ 电机固 xx 大学学士学位论文 7 有步距角 ’ ，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关 [6]。  步进电机的相数 ： 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。 电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 176。 /176。 、三相的为 176。 /176。 、五相的为 176。 /176。 在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。 如果使用细分驱动器，则 ‘ 相数 ’ 将变得没有 意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。  步进电机的一些特点 ： 1． 一般步进电机的精度为步进角的 35%，且不累积。 2． 步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于 失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 8090 度完全正常。 3． 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一 个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。 在它的作用下，电机随频率 (或速度 )的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4． 步进电机低速时可以正常运转 ,但若高于一定速度就无法启动 ,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。 在有负载的情况下，启动频率应更低。 如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 (电机转速从低速升到高速 )。 步进电动机以其显 著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。 伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 5．步进电机的角位移与输入脉冲数严格地成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随型。 6．由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。 同时，它也可以与角度反馈，环节组成高性能的闭环数控系统。 7．步进电机的动态响应快，易于启动、正反转及变速。 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动 负载。 8．步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。 xx 大学学士学位论文 8 9. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采用响应的措施。 10. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差 [7]。 步进电机的分类 1． 步进电机可分为三大类： 反应式步进电机（ Varaiable Reluctance ,简称 VR） 反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。 它的结构简单，成本低，步距角可以做的很小，但动态性能较差。 2．永磁式步进电动机（ Permanent Mag，简称 PM） 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。 它的传输转矩大，动态性能好。 转子的极数与定子的极数相同，所以歩距角一般较大。 需供给正负脉 冲信号。 3．混合步进电动机（ Hybri ，简称 HB） 混合式步进电动机综合了反应式和永磁两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，歩距角小，但结构复杂，成本较高 [7]。 步进电机的结构 一个三相反应式步进电动机分成转子和定子。 定子是由硅钢片叠成的。 定子上有六个 磁极 ，每两个相对的磁极丢缠有 同 一绕组，也即形成一相，这样三对磁极有三个绕组，形成三 相。 也可以得出，四相步进电机有四对磁极、四相绕组；五相步进电动机有五对磁极、五相绕组 „„ 以此类推。 每个磁极的内表面都分布着多个小齿，他们的大小相同，间距相同。 转 子 是由软磁材料制成的。 其外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同，形状相似。 由 于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，他们的齿距角都可以由式 （ 2— 1）来计算，式中 Z 为转子的齿数。 θ =2π /Z （ 2— 1） 步进电动机的动力来自于电 磁力。 在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（或者最小磁阻）的位置如图 21(b)，即定子和转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态。 对三相步进电动机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置如图 21(a)。 即定子和转子小齿不对齐的位置。 把定子与转子小齿对其的状态成为对齿；把 定 子和转子小齿不对齐的状态成为错齿。 错齿的存在是步进电动机能旋转的前提条件。 所以，在步进电动机的结构中必须保证有错齿存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态。 因为定子的齿距角与转子 相同，所不同的是，转子的齿是圆周分布的，而定子的齿只分布在磁极上，属于不完全齿。 当某一处处于对齿状态时，该相磁 xx 大学学士学位论文 9 极上定子的所有小齿都与转子上的小齿对齐 [5]。 定 子 小 齿转 子 小 齿（ a ） 错 齿 （ b ） 对 齿 图 21 定子齿与转子齿之间的 磁道 现象 步进电机的步进原理 如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（或磁阻最小）的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。 步进电机就是基于这一原理转动的。 步进电机的步进过程，当三相步进电机开关 KA 合上时， A 相绕组通电，是A 相磁场建立。 A 相 定子磁极上的齿与转子的齿形成对齿，同时， B 相， C 相的齿与转子形成错齿。 将 A 相断电，同时将 KB合上，使处于错 1/3 个齿距角的 B 相通电，并建立磁场。 转子在电磁力的作用下，向与 B 相成对齿的位置转动。 其结果是：转子转动了 1/3 个齿距角； B 相与转子形成对齿； C 相与转子错 1/3 个齿距角； A 相与转子错 2/3 个齿距角。 相似地，在 B 相断电的同时，合开关 KC 给 C 相通电建立磁场，转子又转动了 1/3 个齿距角，与 C 相形成对齿，并且 A 相与转子错 1/3 个齿距角， B 相与转子错 2/3 个齿距角。 当 C。