基于dsp的直流电机控制技术实现毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于dsp的直流电机控制技术实现毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

系统基本功能的调试工作，主要工作包括 : (1) 方案论证 :根据系统性能指标要求，确定系统的控制方案。 (2) 原理图绘制 :根据系统设计 方案完成控制系统 DSP 电路原理图的设计工作，包括 DSP 本体电路设计和直流直线电机驱动电路设计。 . (3) 硬件调试 :制作 PCB 电路板。 系统控制软件的设计与实现 按照控制系统技术指标的要求，对系统进行合理的分析与规划，寻求合适的控制规则并确定软件流程，主要工作包括 : (1) 系统软件总体需求分析与设计。 盐城工学院本科生毕业论文 ( 20xx) 7 (2) 系统软件整体结构设计。 (3) 统各部分功能的软件实现。 (4) 组成完整程序进行调试。 盐城工学院新校区基于 DSP 的直流电机控制技术实现 8 2. 直流电机的 DSP 控制 直流电动机的控制原理 根据图 21 它励直流电动机的等效电路，可以得到直流电动机的数学模型。 电压平衡方程为： dtdILIREU   （ 21） 式中， U 为电枢电压； I 为电枢电流； R 为电枢电路总电阻； E 为感应电动势； L 为电枢电路总电感。 其中感应电动势为： nkE e （ 22） 式中， ek 为感应电动势计算常数；  为每极磁通； n 为电动机转速。 将式（ 22）代入式（ 21）可得： eKdtdILRIUn )(  （ 23） 直流电动机的电磁转矩为： IKT TM  （ 24） 转矩平衡方程为： dtdwJTT LM  （ 25） 式（ 24）和式（ 25）中， J 为折算到电动机轴上的转动惯量； MT 为电动机的电磁转矩； LT 为负载转矩； w 为电动机角速度； TK 为电动机转矩常数。 盐城工学院本科生毕业论文 ( 20xx) 9 MR aL aEaI aU aW ( n )T m 图 21 直流电动机等效电路 由式（ 23）可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通  进行控制的励磁控制法和对电枢电压 U 进行控制的电枢电压控制法。 励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时，通过调整励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速的。 这种调速法的调速范围小，在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用的很少。 电枢电压控制 法是在保持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压来实现调速的。 在调速时，保持电枢电流不变，即保持电动机的输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的大调速范围，因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。 本章主要介绍这种方法的 DSP 控制。 对电动机的驱动离不开半导体功率器件。 在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。 这种方式的优点是：控制原理简单﹑输出波动小﹑线性好﹑对邻近电路干扰小。 但是功率器件在 线性区工作时会将大部分电功率用于产生热量，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率直流电动机的驱动。 绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。 开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制（ PWM）来控制电动机的电枢电压，实现调速。 图 22 是利用开关管对直流电动机进行 PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形。 在图 22（ a）中，当开关管 MOSFET 的栅极输入高电平时，开关管导通，盐城工学院新校区基于 DSP 的直流电机控制技术实现 10 直流电动机电枢绕组两端有电压 SU。 t1 时间后，栅极输入变为低电 平，开关管截止，电动机电枢两端电压为零。 t2 时间后，栅极输入重新变为高电平，开光管的动作重复前面的过程。 这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电 sSSa aUUTTTT UtU  1211 (26) 压波形如图 2— 2（ b）所示。 电动机的电枢绕组两端的电压平均值为： Tta 1 (27) 式中 a 为占空比。 V 1U sD 1直 流 电 动 机 (a)原理图 盐城工学院本科生毕业论文 ( 20xx) 11 t 1U iOOU oTt 2ttU s （ b）输入 /输出电压波形 图 22 PWM 调速控制原理和电压波形图 占空比 a 表示了在一个周期 T 里，开关管导通的时间长短与周期的比值。 a 的变化范围 10 a。 由式（ 26）可知，当电源电压 sU 不变的情况下，电枢的端电压的平均值 aU 取决于占空比 a 的大小，改变 a 的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是 PWM 调速原理。 在 PWM 调速时，占空比 a 是一个重要的参数。 以下 3 种方法都可以改变占空比的值： （ 1） 定宽调频法。 这种方式是保持 t1 不变，只改变 t2，这样使周期 T（或频率）也随之改变。 （ 2） 调宽调频法。 这种方法是保持 t2 不变，而改变 t1，这样使周期 T（或频率） （ 3） 定频跳宽法。 这种方法是使周期 T（或频率）保持不变，而同时改变 t1和 t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频盐城工学院新校区基于 DSP 的直流电机控制技术实现 12 率与系统的固有 频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用的很少。 目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 TMS320LF2407xA 系列电动机专用 DSP 集成了 PWM 控制信号发生器，它可以通过调整事件管理器的定时器控制寄存器来设定 PWM 工作方式和频率；通过调整比较值来调整 PWM 的占空比；通过调整死区控制寄存器来设定死区时间；通过专用的 PWM 输出口输出占空比可调的带有死区 PWM 控制信号，从而省去了其他控制器所用的外围 PWM 波发生电路和时间延迟（死区）电路。 电动机专用 DSP 的高速运算功能可以实现直流电动机的实时控制 ，通过软件实现名副其实的全数字控制，从而省去了外围的 PID 调节电路和比较电路。 因此，使用 DSP 控制直流电动机可以获得高性能和低成本。 直流电动机通常要求工作在正反转的场合，这时需要使用可逆 PWM 系统。 可逆 PWM 系统分为单极性驱动和双极性驱动，以下分别介绍单极性驱动和双极性驱动可逆 PWM 系统。 直流电动机单极性驱动可逆 PWM 系统 单极性驱动是指在一个 PWM 周期里，电动机电枢的电压极性呈单一性（或者正﹑或者负）变化。 单极性驱动电路有两种，一种称为 T 型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆系统 的组合，由于形状像横放的“ T”字，所以称为 T 型。 T 型单极性驱动由于电流不能反向，并且两个开关管动态切换（正反转切换）的工作条件是电枢电流等于零，因此动态性能较差，很少采用。 另一种称为H 型，其形状像“ H”字 ,也称桥式电路。 H 型双极性驱动应用较多，因此在这里将详细介绍。 盐城工学院本科生毕业论文 ( 20xx) 13 U sV 1V 2V 3V 4D 1D 2D 3D 4ttU i 3U i 41432AB 图 23 H 型单极性可逆 PWM 驱动系统 图（ 23）是 H 型单极可逆 PWM 驱动系统。 它由 4 个开关管和 4 个续流二极管组成，单电源供电。 当电动机正转时， V1 开关管根据 PWM 控制信号同步导通或关断，而 V2 开关管则受 PWM 反相控制信号控制， V3 保持常 闭， V4 保持常开。 当电动机反转时， V3 开关管根据 PWM 控制信号同步导通或关断，而 V4 开关管则受 PWM 反相控制信号控制， V1 保持常闭， V2 保持常开。 单极性驱动系统的 PWM占空比仍用式（ 27）来计算。 当要求电动机在较大负载情况下正转工作时，平均电压 aU 大于感应电动势 aE。 在每个 PWM 周期的 0~t1 区间， V1 导通， V2 截止，电流 aI 经 V1﹑ V4 从 A 到 B 流过电枢绕组，如图 23 中的虚线 1。 在每个 PWM 周期的 t1~t2 区间， V2 导通， V1 截止，电源断开，在自感电动势的作用下，进二极管 D2 和开关管 V4 进行续流，使电枢中仍然有电流流过，方向是从 A 到 B，如图23 中的虚线 2。 这时由于二极管 D2 的箝位作用， V2 实际不能导通，电流波形见图 24（ a)。 当电动机在进行制动时，平均电压 aU 小于感应电动势 aE。 在每个 PWM 周期的0~t1 区间，在感应电动势和自感电动势共同作用下，电流进二极管 D4﹑ D1 流向电源，方向是从 B 到 A， 如图 23 中虚线 4，电动机处在再生制动状态。 在每个 PWM周期的 t1~t2 区间， V2 导通， V1 截止，在感应电动势的作用下，电流经 D4﹑ V2仍然是从 B 到 A 流过绕组，如图 23 中虚线 3，电动机处在耗能制动状态。 电动机盐城工学院新校区基于 DSP 的直流电机控制技术实现 14 制动时的电流波形如图 24（ b)所示。 当电动机轻载或空载运行时，平均电压aU与感应电动势aE几乎相等。 在每个 PWM 周期的 0~t1 区间， V2 截止，电流先是沿虚线 4 流动，当减小到零后， V1导通接通电源，电流改变方向，沿虚 线 1 流动。 在每个 PWM 周期的 t1~t2 区间，V1 截止，电流先是沿虚线 2 续流，当续流电流减小到零后， V2 导通，在感应电动势的作用下，电流改变方向，沿虚线 3 流动。 因此，在一个 PWM 周期中，电流交替呈现再生制动﹑电动﹑续流电动﹑耗能制动 4 种状态，电流围绕着横轴上下波动，如图 24（ c)所示。 由此可见，单极性可逆 PWM 驱动的电流波动较小，可以实现 4 个象限运行，是一种应用非常广泛的驱动方式。 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。 盐城工学院本科生毕业论文 ( 20xx) 15 ( a ) 正 转( b ) 制 动( c ) 轻 载ttttt12434123 图 24 H 型单极性可逆 PWM 驱动电流波形 直流电动机 双极性驱动可逆 PWM 系统 双极性驱动是指在一个 PWM 周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。 双极性驱动电路也有 T 型和 H 型两种。 T 型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。 而 H 型双极性驱动应用较多，因此在这里将详细介绍。 图 2=5 是 H 型双极可逆 PWM 驱动系统。 4 个开关管分成两组，V1﹑ V4 为一组， V2﹑ V3 为另一组。 同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。 SSa UaTtUT tTTtU )12()12()( 111  (27) 盐城工学院新校区基于 DSP 的直流电机控制技术实现 16 U sV 1V 2V 3V 4D 1D 2D 3D 4ttU i 2U i 11AB234 图 25 H 型双极可逆 PWM 驱动系统 在每个 PWM 周期里，当控制信号 1iU 高电平时，开关管 V1﹑ V4 导通，此时 2iU为低电平，因此 V2﹑ V3 截止，电枢绕组承受从 A 到 B 得正向电压；当控制信号 1iU低电平时，开关管 V1﹑ V4 截止，此时2iU为高电平，因此 V2 ﹑ V3 导通，电。