毕业论文-基于dsp的直流电动机速度控制系统研究

毕业论文-基于dsp的直流电动机速度控制系统研究内容摘要：

得到了降低。 而且，现阶段我国 还没有自主的全数字控制的直流调速装置商用， 而国外先进的控制器价格又昂贵，因此研究及更好的使用国外先进的控制器，对直河南理工大学毕业设计（论文）说明书 4 流 电动机的控制技术和控制方法进行研究，具有重要的实际意义和重大的经济价值。 本文的主要内容 本课题主要完成以下 六 方面工作 ： （ 1） 系统硬件结构整体设计方案 ：此处采用“ 电容滤波的三相不可控整流 主回路 +转速、电流双闭环调速模块 +PWM调压 模块 +IPM功率驱动模块 +DSP数字控制 ”系统。 因为DSP具有强大 的 高速运算能力， 其 片内集成了丰富的外围部件和 I/O资源， 所以可以 简化控制电路的硬件设计，可以实现各种高速算法和 控制策略。 整个系统包含三部分，即控制部分、采样部分、驱动部分。 （ 2） DSP控制 电 路的设计 ： 基于 TMS320F2812数字信号处理器（ DSP），设计了系统的控制 电路和检测电 路 ，并通过软件实现系统的控制。 （ 3） PWM控制方式的设计： 本 论 文 采用 DSP的 PWM触发模块实现对 PWM调压调速的触发，并运用 IPM（ Intelligent Power Module） ,即智能功率模块实现 DSP与 PWM连接的集成，以此来实现数字控制。 （ 4） 转速、电流双闭环调速 原理分析： 分析 了 双闭环调速系统的组成和动态结构及转速、 电流调节器 的设计和参数的计算。 （ 5） 调速算法： 为了获得良好的静动态特性，转速和电流两个调节器都采 用 PI调速算法。 本文根据 PI算法对两个调节器的的传递函数进行了计算。 （ 6） 系统软件的设计： 根据硬件设计所要实现的功能进行了系统 软件的 整体设计，依据软件的整体功能设计了各个功能模块的流程图。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 5 2 DSP 控制的数字化 直流调速系统原理 直流调速系统 PWM 控制方式 的原理 直流调速系统采用 PWM控制方式，下面简要介绍一下 其 基本原理： 直流斩波电路采用的脉宽调制（ Pulse Width Modulation PWM）控制技术，实际上就把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。 直 流斩波电路用 PWM斩波器实现 ， PWM斩波器 的 工作原理电路及其输出波形如图 21所示 ， 以下简述一下 PWM斩波器的工作原理。 V 1+UsUdMUtTo nTUd0 （ a）电路图 (b)波形图 图 21直流斩波电路 假设 V1先导通 Ton秒，然后又关断 TTon秒，如此反复进行，可得到图 21（ b） 的波形图。 则电机电枢端的平均电压 Ud为 ond s s==TU U UT  (21)  定义为占空比。 设定输入电压 Ud不变，则通过改变  的大小来改变 Ud的大小，从而达到调压的目的。 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式： （ 1） T不变，变 Ton－脉冲宽度调制（ PWM）； （ 2） Ton不变，变 T－脉冲频率调制（ PFM）； （ 3） Ton和 T都可调，改变占空比－混合型。 这就是 PWM技术的基本控制原理。 利用 PWM控制技术，可以很好 的对直流电机进行直流电压的输出控制。 直流 PWM系统有可逆和不可逆之分，不可逆是指电动机只能单方向旋转（功率转换器只提供正直流电压）；可逆是指电动机既能反转又能正转，广泛应用于火炮瞄准射击，雷达天线的搜索跟踪和精密机床的进刀和退刀等。 可逆直流 PWM有三种工作模式：双极模式 、 单机模式 、 受限单机模式。 双极模式有 T型和 H型结构。 T型双极模式 PWM控制的特点：结构简单，仅用两只开关器件，双电源供电，器件受压高，电流始终连续，减小了河南理工大学毕业设计（论文）说明书 6 静摩擦，增大了空载损耗，适用于低压小功率。 H型双极模式 PWM变换器 的 特点：开关器件数目 多，单电源供电，器件受压低，电流始终连续，减小了静摩擦，增大了空载损耗，电枢两端电压悬浮，不便引出反馈，适用于高压小功率。 但是，由于 H型桥式可逆 PWM变换器是最常用的控制方式，且鉴于设计的需要和使用的方便，本文采用 PWM可逆 H型双极模式对直流电动机进行调速控制。 H型 桥式可逆 PWM变换器 ，如图 22（ a）所示 ，其 4个驱动电压波形如图 22（ b） 所示。 它们之间的关系是： Ub1=Ub4=Ub2=Ub3。 在一个开关周期内，当 t[0， Ton）时， Ub1与 Ub4为正， VT1与 VT4导通，则此时输出电压 Uab=US；当 t[Ton， T）时， Ub2与 Ub3为正， VT1与 VT4截止，由于 VD2与 VD3的续流作用， VT2与 VT3不能马上导通，此时输出电压 Uab=US。 因而， 在一个周期内， Uab具有正负两种输出电压极性，故称之为双极性输出。 由此可以得出桥式可逆 PWM变换器的输出平均电压为： o n o n o nd s s s2= = 1T T T TU U U UT T T  (22) 其中占空比  =Ton/T ,若令  =2  1，则通过改变  的大小就可以改变 dU 的输 出极性，从而实现电机的正反转。 在调速的时候，占空比  可以通过改变正负脉冲的脉宽来进行调节，其调节范围为[0， 1]。 当  1/2时，  为正，则 Ud为正，此时电动机正转；当  1/2时，  为负，则Ud为负，此时电动机反转；当  =1/2 时，此时输出电压为 0，电机停转。 由此可知，只要控制 Ub Ub Ub Ub4的脉冲宽度， 就 可控制电机的转向和速度，且 在电机停转时仍有微震电流，这将有利于正反转静摩擦死 区的消除。 D 4D 2D 1D 3+ U sMUb1Ub2Ub3Ub4a bV T 1V T 2V T 3V T 4Ua bUa bT o n U s+ UsTt0 （ a） （ b） 图 22 H型可逆 PWM变换器 双极式控制的桥式可逆 PWM变换器优点是： (1)可使电机在四象限运行； (2)电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； (3)低速平稳性好，系统的调速范围可达 1： 20200左右； (4)低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 7 转速、电流双闭环直流调速系统 原理 在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启制动；二是能够快速克服负载、电网等 干扰。 通过分析发现，如果要求快速 启 动，必须使直流电动机在启 动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流。 当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。 如果要求快速克服电网的干扰， 必须 对电枢电流进行调节。 以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。 双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统 ， 具有调速范围宽 、 稳定性好 、 精度高等许多优点 ， 在拖动领域中发挥着极其重要的作用。 转速、电流 双闭环调速系统组成 双闭环直流调速系统组成结构图如图 23所示，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制 电力电子变换器 UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外 面 ，称作外环 ， 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 Un*T AUiUi*UnUdIdM外 环内 环A S R+++nVF B SA C R U P E+ ASR— 转速调速器， ACR— 电流调节器， FBS— 光电编码器 ,TA— 电流互感器， UPE— 电力电子变 换 器 图 23 转速、电流双闭环直流调速系统组成结构图 双 闭环直流调速系统的特点是电动机的转速和 电流分别由 2个独立的调节器控制 ，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定 ， 因此电流环能够随转速的偏差调节电动机的 电枢电流。 当转速低于给定转速时 ， 转速调节器的积分作用使输出增加 ， 即电流给定上升 ， 并通过电流环调节使电动机 的电枢 电流增加 ， 从而使电动机获得加速转矩 ， 电动机转速上升。 当实际转速高于给定转速时 ， 转速调节器的输出减小 ， 即电流给定减小 ，河南理工大学毕业设计（论文）说明书 8 并通过电流环调节使电动机电流下降 ， 电动机将因为电磁转矩减小而减速。 当转速调节器饱和 ， 输出达到限幅值时 ， 电流环即以最大电流限制 Idm实现电动机的加速 ， 使电动机的启动时间最短 ， 在可 逆调速系统中实现电动机的快速制动 ； 在不可逆调速系统中 ， 由于晶闸管整流器不能通过反向电流 ， 因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。 稳态结构图 和静特性 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI调节器，同时，两个调节器的输出都是带限幅作用的。 转速调节器 ASR的输出限幅电压 Uim*决定了电流给定电压的最大值 ， 电流调节器 ACR的输出限幅电压 Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm。 系统的静态结构图如图 24所示。 A S RA C RKSe1CUn*UnUi*Ui RIdRUcUd 0nId 图 24双闭环直流调速系统的稳态结构图 在稳态运行时， 两个调节器都不饱和。 ASR的 PI调节作用使转速跟随转速给定， ACR的 PI调节作用使电流跟随电流给定。 只要调节器输入端的反馈信号不等于给定信号，调节器的输出就会发生变化。 当调节器饱和时，输出达到限幅值，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。 换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出 间 的联系，相当于使该调节环开环。 当调节器不饱和时， PI的作用使输入偏差电压 U 在稳态时总 为零。 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。 因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况： 当转速调节器不饱和： *n n 0= = n= nUU  *i i d==U U I 可得关系式为 : *n0n= =nU (23) 从而得 到图 25静特性的 CA段。 由于 ASR不饱和， Ui*Uim*,从上述第二个关系式可知：IdIdm。 这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id=0一直延续到 Id= Idm，而 Idm一般都是河南理工大学毕业设计（论文）说明书 9 大于额定电流 IdN的。 这就是静特性的运行段，它是水平的特性。 当 转 调节器饱和时： 这时， ASR输出达到限幅值 Uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响 ， 双闭环系统变成一个电流无静差的电流 单 闭环调节系统。 稳态时 ： *imd dm==UII (24) 上式中，最大电流 Idm是由设计者选定的，取决于电机的 允 许过载能力和拖动系统 的允许最大加速度。 上式描述的静特性是图 25中的 AB段，它是垂直的特性。 这样的下垂特性只适合于nn0的情况，因为如果 nn0，则 UnUn*， ASR将退出饱和状态。 nn00Id NId mIdACB 图 25 双闭环直流调速系统的静特性 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 Idm时表现为转速无静差，这 时，转速负反馈起主要调节作用。 当负载电流达到 Idm时，对应于转速调节器的饱和输出 Uim*，这时，电流调节器起主要调节作用 ，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。 这就是采用了两个 PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。 然而在实际系统中，由于运算放大器的开环放大系数并非无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用准 PI调节器时，静特性的两段都略有很小的静差 ，如图 25中虚线所示。 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 由图 24可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列 关系： *n n 0= = n= nUU 。