【毕业论文设计】基于dsp控制的双闭环直流调速系统设计

【毕业论文设计】基于dsp控制的双闭环直流调速系统设计内容摘要：

桥式（亦称 H形）电路，电动机 M 两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，考虑到精密加工对性能要求很高，采用双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器，双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器具有电流一定连续；可使电机在四象限运行；电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速平稳性好，系统的调速范围可达 1:20200 左右；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 [1]。 综上所述 选双极式控制的桥式可逆 PWM变换器电路供电方案。 MU dUcR bVT 1VT 2VT 3+ VT 4VD 1VD 2VD 3VD 4PW M 控制VTb+ 图 PWM 系统的原理图 6 系统控制方案选择 双闭环直流调速系统的结构框图如图 所示，在整个系统中，主要包括转速环和电流环，其中外环为转速环，内环为电流环。 在设计过程中，主要是设计转速调节器和电流调节器。 两个调节器可以分为模拟的和数字式的，模拟调节器一般都是用运算放大器实现，在物理概念上比较清晰，控制信号流向也比较直观，一般适合于学习入门，但模拟控制系 统的控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性较差，其控制效果往往受到器件性能和温度等因素的影响。 RβαU n *+U n+U i *U iI dU d 0I d REU cKs1Ce+电 流调节器转 速调节器n 图 双闭环直流调速系统结构框图 由于模拟控制系统存在这些缺点，并且随着现代科学技术的发展，特别是在计算机控制技术方面，使得运用微型计算机实现双闭环直流调速系统的设计成为可能，并且可以达到比模拟控制系统更优的控制效果。 n * di g++Ks1Ce电 流调节器转 速调节器nn di gI * ddi gI ddi gK βK α微处理器 图 采用微处理器后的双闭环直流调速系统框图 如图。 在图中可 7 以看出，运用了微处理器的系统，在结构上得到了很大的简化，这样可以使制作成本降低。 微机控制系统不受器件温度漂移的影响、稳定性好、可靠性高，提高了控制性能。 通过软件编程，进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，更改起来灵活方便。 现在微处理技术发展相当快，生产微处理器的生产厂商也很多，微处理器的型号层出不穷，他们性能各异，有通用型 的，也有一些专用型的。 如德州公司生产的的TMS320LF240X 系列 DSP 芯片都是专用在控制电机方面的。 在本系统设计中，采用不同的微处理器，有不一样的方案，下面进行讨论，并最终选择一种最适合的方案。 8051是 MCS51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、 21 个专用控制寄存器、 4kB的程序存储器、 128 字节的数据存储器、 4 组 8位的并行口、两个 16 位的可编程定时 /计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器 [2]。 三相电压三相整流器H 型 P WM变换器显示键盘I / O8051 单片机A / DP W M生成电流检测数字测速M 图 采用 8051 处理器控制的原理框图 如图 所以是采用 8051 处理器设计双闭环直流电机调速系统的原理框图。 本方案的优点是选用了简单的处理器，资源得到了充分的利用，不会造成太大的浪费，成本比较低。 在检修方面也有一定的优势，当电路中的某一个模块出了问题，只要对该模块进行修理或更换即可，其它的硬件可以继续使用。 该方案的主要不足是设计电路相对比较复杂，以软件编程为代价实现调速。 采用 TMS320LF2407控制设计双闭环直流调速控制系统的原理框图如图。 由图中 可看出， DSP 处理器的集成程度较高，在这里用到了 PWM、 ADC、 SPI 和正交编码脉冲电路，省去了很多外设。 PWM 直接输出到 H型 PWM 变换器， 得以控制电机的转速和转向；通过光电编码器检测电机的转速，测得的数据直接送到 8 三相电压三相整流器H 型 P WM变换器显示键盘SPI外设DSP 处理器电流检测编码器SPI P WMADC正交编码脉冲电路M 图 采用 DSP处理器控制的原理框图 DSP处理器的正交编码器进行处理；利用霍尔传感器主电路的电流，送到 DSP 处理器上集成的 ADC， A/D 转换后得到数字量，由 DSP 处理器进行处理；可以用带 SPI 技术的接 口键盘和数码管显示芯片与 DSP处理器的 SPI外设接口相接，进而可以通过键盘给定速度，也可以进行调速等操作，数码管用来显示当前的电机转速。 这样的设计方案在硬件结构上得到了很大的简化，而且在软件编程方面也带来很大的方便，只须对一处理器内部的一些寄存器进行编程即可，大大缩短了开发流程。 这与方案一相比主要是少了一些外设，不用设计专门的 PWM 控制电路，不需要选择一个分辨率满足系统要求的 A/D 转换器以及对速度检测的数据进行适当的整形等 [3]。 综上所述的两个方案，从控制的精确、快速、简单和题目的要求方面考虑，对双闭环直 流控制系统，选择方案二进行系统的设计。 总体结构设计 若采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机 转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。 若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充 9 分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。 采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流 负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能 [4]。 与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，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，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。 得到过电流的自动保护。 显然静特性优于单闭环系统。 在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。 综上所述，本系统用一台 DSP 及外部扩展设备代替模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、逻辑切换单元、电压记忆环节、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现 DSP 的控制。 其硬件结构如图。 10 A / D+? ? ??? ST?? ??? LT???????????DS P ???????M???? 图 DSP 控制的直流调速系统结构图 系统的工作原理 在此 DSP控制的直流调速系统中，速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、 A/D 转换器送入计算机，计算机按照已定的控制算法计算产生双脉冲，经并行口、数字光 电隔离器、功率放大器送到直流 PWM 变换器的控制级，从而可以改变平均输出电压的大小，平稳的调节电动机的速度。 IGBT 正反组切换由数字逻辑切换单元来完成。 11 第三章硬件电路设计 硬件结构由主电路和控制电路两部分组成。 主电路由三相不可控整流、 H桥双极性 PWM 电路、泵升电压电路与直流电机构成。 H 桥双极性 PWM 电路驱动信号的产生由DSPTMS320LF2407A 控制输出。 转速的检测采用数字测速器。 它是用 DSP 读取与电动机联轴的光电编码器输出的脉冲数，经 DSP 计算后得出转速值。 泵升电压的控 制经与事先设定值比较后由 DSP 发出控制信号控制启动泵升电压电路，进行能量泄放，保护主电路。 系统利用故障保护引脚 PDPINTA 产生的信号，及时封锁 4路 PWM 信号。 该DSP控制系统有完善的保护体系。 12 电压检测电流检测温度检测电压检测MR0R1R2VbRbK2K1C0+故障综合故障保护泵升限制I/O通 信 接 口数字测速显 示 键 盘 上 位 机 其 它 外 设A/DPWM生成中央 处理器驱动电路脉冲整形FBS+V转速检测+ 图2.7DSP控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图(TMS320LF2407A DSP) 电压检测电流检测温度检测电压检测MR0R1R2VbRbK2K1C0+故障综合故障保护泵升限制I/O通 信 接 口数字测速显 示 键 盘 上 位 机 其 它 外 设A/DPWM生成中央 处理器驱动电路脉冲整形FBS+V转速检测+ 图2.7DSP控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图(TMS320LF2407A DSP) 图 DSP控制双闭环直流 PWM调 速系统硬件结构图 主电路选型 电动机的额定电压为 15V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用 D/Y 联结。 13 整流电路选择 整流电路是电力电子中出现的最早的一种，它将交流电变为直流电。 主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构分桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路 [5]。 由于工厂为三相交流电源 ，这里选用三相桥式电路，三相桥式中有全控和不可控，虽然全控的性能好，单需要触发电路，势必会增加成本，在这里为了减少设计的成本和减少程序的编写，在这里选用三相桥式不可控整流电路，电路图如图。 RCVD 1 VD 3 VD 5VD 4 VD 6 VD 2abcT 图 电容滤波的三相桥式不可控整流电路 PWM 变换器设计 可逆 PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称 H 形）电路。 其控制方式有双极式、单极式、受限单极式。 在第 1 章中已经介绍了，这里选用双极性，双极性驱动 是指在一个 PWM周期内，电动机电枢的电压极性呈正负变化。 14 M4 213A BV 1V 2V 3V 4VD 1VD 2 VD 4VD 3UsU i 1U i 2 U i 1U i 2 图 H 型双极可逆 PWM 驱动系统 图 是 H 型双极性可逆 PWM 的工作电路原理图。 4 个开关组分成两组， V V4为一组， V V3为另一组。 同一组的开关管同步导通或通断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。 使用时要注意加“死区”，避免同一桥臂的开关管发生直通短路。 在每个 PWM 周期里，当控制信号 Ui1高电平时，开关管 V V4导通，此时 Ui2为低电平，因此 V V3截止，电枢绕组承受从 A 到 B 的正向电压；当控制信号 Ui1低电平时，开关管 V V4截止，此时 Ui2为高电平，因此 V V3导通，电枢绕组承受从 B 到 A的方向电压，这就是所谓“双极”。 由于在一个 PWM 周期里电枢电压经历了正反两次变化，因此双极性控制可逆 PW。