基于DSP的直流電機控制技術實現畢業(yè)設計說明書

1、鹽城工學院本科生畢業(yè)論文( 2012)畢業(yè)設計說明書基于dsp的直流電機控制技術實現畢業(yè)論文（設計）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設計）是我在導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據我所知，除文中已經注明引用的內容外，本論文（設計）不包含其他個人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本論文（設計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設計）授權使用說明本論文（設計）作者完全了解*學院有關保留、使用畢業(yè)論文（設計）的規(guī)定，學校有權保留論文（設計）并向相關部門送交論文（設計）的電子版和紙質版。有權將論文（設計）用于非贏利目的的少量復制并允

2、許論文（設計）進入學校圖書館被查閱。學校可以公布論文（設計）的全部或部分內容。保密的論文（設計）在解密后適用本規(guī)定。 作者簽名： 指導教師簽名： 日期： 日期： 注 意 事 項1.設計（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數要求：理工類設計（論文）正文字數不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、

3、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3）其它基于dsp的直流電機控制技術實現摘 要：直流電機由于勵磁磁場和電樞磁場完全解耦，可以

4、獨立控制，因此具備良好的調速性能，出力大、調速范圍寬和易于控制，廣泛應用于電力拖動系統(tǒng)中。而隨著對電機控制要求的不斷提高，普通的單片機越來越不能滿足對電機控制的要求，dsp技術的發(fā)展正好為先進控制理論以及復雜控制算法的實現提供了有力的支持。本設計采用美國ti公司專門為電機數字化控制設計的16位定點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控制優(yōu)化的外圍電路于一體，可以為高性能傳動控制技術提供可靠高效的信號處理與控制硬件。電機的控制系統(tǒng)是由檢測裝置、主控制器、功率驅動器以及上位機組成，其中dsp控制器是電機控制系統(tǒng)的關鍵部分，負責對電機的反饋信號

5、進行處理并輸出控制信號來控制電機的轉動。關鍵詞：直流電機； 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, contribute to a large power, widely speed ra

6、nge, 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 complex control algorithm implementation p

7、rovides 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 optimization the periphery of the circuit in a

8、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 key part of the motor control system , res

9、ponsible for the motor feedback signal processing and output control signal to control the rotation of the motorkey words: dc motor, dsp, pid controller, pwm.鹽城工學院本科生畢業(yè)論文( 2012)目 錄1課題概述31.1課題研究背景31.2 課題研究的目的及意義41.3 課題研究內容62. 直流電機的dsp控制82.1 直流電動機的控制原理82.2直流電動機單極性驅動可逆pwm系統(tǒng)122.3 直流電動機雙極性驅動可逆pwm系統(tǒng)152.4

10、直流電動機的dsp控制方法及編程例子182.4.1 單極性可逆pwm系統(tǒng)dsp控制方法及編程例子182.4.2 雙極性可逆pwm系統(tǒng)dsp控制方法及編程例子193.基于dsp的控制系統(tǒng)硬件設計203.1系統(tǒng)組成203.2dsp電源電路223.3jtag接口電路設計233.4復位電路233.5 pwm隔離放大調理電路243.6轉速采集電路設計243.7直流電動機pwm調速電路設計253.8晶振電路設計263.9顯示電路設計263.10正反轉及調速電路設計273.11 ir2110驅動電路273.12 硬件可靠性283.12.1 pcb設計283.12.2 采樣抗干擾技術294.軟件設計304.1

11、 編譯環(huán)境304.2主程序設計314.3 pwm波調速程序324.4 中斷設計334.5 顯示及按鍵設計344.6系統(tǒng)抗干擾設計345.仿真試驗365.1仿真模型及算法介紹365.2仿真結果366. 結束語38參考文獻39謝 辭41附 錄421 程序清單422 原理圖463 pcb圖47鹽城工學院新校區(qū)基于dsp的直流電機控制技術實現1課題概述1.1課題研究背景電氣傳動是以電動機的轉矩和轉速為控制對象，按生產機械工藝要求進行電動機轉速控制的自動化系統(tǒng)。根據電動機的不同，工程上通常把電氣傳動分為直流電氣傳動和交流電氣傳動兩大類?？v觀電氣傳動的發(fā)展過程，交、直流兩大電氣傳動并存于各個時期的工業(yè)領域

12、內，雖然它們所處的地位和作用不同，但是它們始終是隨著工業(yè)技術的發(fā)展，特別是隨著電力電子學和微電子學的發(fā)展，在相互競爭、相互促進中完善著自身。發(fā)生著變更。由于直流電動機具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，因而在工業(yè)場合應用廣泛。近代，由于生產技術的發(fā)展，對電氣傳動在起制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態(tài)特性、和動態(tài)響應方面都提出了更高的要求，所以用計算機控制電力拖動控制系統(tǒng)成為計算機應用的一個重要內容。直流調速系統(tǒng)在工農業(yè)生產中有著廣泛的應用。隨著計算機技術和電力電子技術的飛速發(fā)展，兩者的有機結合使電力拖動控制產生了新的變化。計算機技術、電力電子技術和直流拖動技術的組合是技術領域的交叉，

13、具有廣泛的應用前景。有不少的研究者己經在用dsp作為控制器進行研究。直流調速控制系統(tǒng)的控制方法經歷了機械式的、雙機組式的、分立元件電路式的、集成電路式的、單片機式的發(fā)展過程。隨著數字信號處理器dsp的出現，給直流調速控制提供了新的手段和方法。將計算機技術的最新發(fā)展成果運用在直流調速系統(tǒng)中，在經典控制的基礎之上探討一種新的控制方法，為計算機技術在電力拖動控制系統(tǒng)中的應用做些研究性的工作。用計算機技術實現直流調速控制系統(tǒng)，計算機的選型很多。經過選擇，選取dsp芯片作為控制器。直流調速系統(tǒng)的內容十分豐富，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);有可逆調速系

14、統(tǒng)，有不可逆調速系統(tǒng)等。在電氣時代，電動機一直在現代化的生產和生活中起著十分重要的作用。在一個電機控制系統(tǒng)或運動控制系統(tǒng)中，為了得到希望的運動軌跡，人們需要對電動機進行控制。隨著電子技術的不斷發(fā)展，電子設備的使用日益增多。電腦、手機、空調、電視等許多電子產品，已經成為我們生活中必不可少的一部分這些都離不開電機的控制。開展本課題研究的控制對象是雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng);研究的目的是利用計算機硬件和軟件發(fā)展的最新成果，對控制系統(tǒng)升級進行研究;研究工作是在對控制對象全面回顧總結的基礎上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現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容。目前，對于控制對象

15、的研究和討論很多，有比較成熟的理論，但實現控制的方法和手段隨著技術的發(fā)展，特別是計算機技術的發(fā)展，不斷地進行技術升級。這個過程經歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片計算機控制等過程。每一次的技術升級都是控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進。隨著新的控制芯片的出現，給技術升級提供了新的可能。電機控制是dsp應用的主要領域，隨著社會的發(fā)展以及對電機控制要求的日益提高，dsp將在電機控制領域中將發(fā)揮越來越重要的作用。1.2 課題研究的目的及意義一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉換裝置，一直在現代化生產和生活中發(fā)揮著十分重要的作用。無論是工農業(yè)生產、交通運輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務與辦公設備，

16、還是日常生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電機。據資料統(tǒng)計，現在有90%以上的動力源來自于電動機，我國生產的電能大約有60%用于電動機，電動機與人們的生活息息相關，密不可分。電動機主要類型有同步電動機、異步電動機與直流電動機三種。其中，直流電動機在八十年代以前一直處于調速傳動領域的主導地位，這主要源于其完美的轉矩控制特性，即通過調節(jié)電樞電壓和勵磁電流就可以任意調節(jié)其轉速和轉矩。以微控制器為核心的運動控制系統(tǒng)首先需要說明的是，這里的微處理器事實上是指以mcs51、mcs96等為代表的8位或16位單片機。利用微處理器取代模擬電路作為電動機的控制器，所構成的系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：(1) 使電路更

17、簡單。模擬電路為了實現邏輯控制需要許多分立電子元件，從而使電路變得復雜。采用微處理器以后，絕大多數控制邏輯可采用軟件實現。(2) 可以實現較復雜的控制算法。微處理器具有更強的邏輯功能，運算速度快、精度高、具有大容量的存儲器，因此有能力實現較復雜的控制算法。(3) 靈活性和適應性強。微處理器的控制方式主要有軟件來實現，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必修改系統(tǒng)的硬件電路，只需對軟件進行修改即可。(4) 無零點漂移，控制精度高。數字控制系統(tǒng)中一般不會出現模擬電路中經常遇到的零點漂移問題，控制器的字長一般可保證足夠的控制精度。(5) 可提供人機界面，實現多機聯網工作。一些性能要求不是很高的場合，現在普遍

18、使用單片機作為電動機的控制器。實際上與單片機功能類似，可作為電動機控制器的元件還有很多種，如工控機、可編程邏輯控制器等。工控機的功能十分強大，它有極高的速度、強大的運算能力和接口功能、方便的軟件環(huán)境，但由于工控機成本高、體積大，所以一般只用于大型系統(tǒng)?？删幊踢壿嬁刂破鲃t正好相反，它只能完成邏輯判斷、定時、計數和簡單的運算，由于功能太弱，它一般也只用于較簡單的電動機控制系統(tǒng)設計。單片機處于工控機和可編程邏輯控制器之間，擁有強大的控制功能、低廉的成本，可以較好地滿足任意類型電動機控制系統(tǒng)設計的需要。然而，由于微處理器一般采用馮諾依曼總線結構，處理器的速度有限，處理能力也有限；另外，單片機系統(tǒng)比較復

19、雜，軟件編程的難度較大。同時，一般單片機的集成度較低，片上不具備運動控制系統(tǒng)所需要的專用外設，如pwm產生電路等。因此，基于微處理器構成的電動機控制系統(tǒng)仍然需要較多的元器件，這增加了系統(tǒng)電路板的復雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性，也難以滿足運算量較大的實時信號處理的需要，難以實現先進控制算法，如預測控制，模糊控制等。以可編程dsp控制器為核心構成的運動控制系統(tǒng)為了滿足世界范圍內運動控制系統(tǒng)的需要，ti公司推出了它的tms320240x系列dsp控制器。x240x系列dsp控制器將一個高性能的dsp核、大容量的片上存儲器和專用的運動控制外設電路（pwm產生電路、可編程死區(qū)、ssvpwm產生電路、捕獲單元

20、等）以及其他功能的外設電路（16通道模擬數字轉換單元、串行通信接口、can控制器模塊等）集成在單芯片上，保持了傳統(tǒng)微處理器可編程、集成度高、靈活性/適應性好、升級方便等優(yōu)點；同時，其內部的dsp核可提供更高的運算速度、運算精度核處理大量數據運算的能力。x240x系列dsp控制器采用改進的哈佛結構，分別用獨立的總線來訪問程序和數據存儲空間，配合片內的硬件乘法器、指令的流水線操作和優(yōu)化的指令集。dsp較好地滿足了系統(tǒng)的實時性要求，實現復雜的控制算法如kalman濾波、模糊控制、神經元控制等。通過上面各種方法的對比，可以得到以下結論：基于以dsp控制器構成運動控制系統(tǒng)可滿足任意場合的需要，將是運動控

21、制系統(tǒng)實現技術的發(fā)展方向。本畢業(yè)設計制作了一個小型的直流電動機調速裝置，雖然實際應用中較難用到這么小的直流電動機調速裝置，但萬變不離其宗，實際應用中的直流電動機調速裝置大致原理與本設計相差無幾，因此，本設計有著很強的理論和指導意義。設計的主線是“控制”2字，與本人所學專業(yè)密不可分，通過完成此次畢業(yè)設計的工作，能夠加深對本專業(yè)精髓的理解，同樣能夠增強自學能力、實踐能力和鉆研精神，而且設計過程中理論充分地聯系了實際，對以后工作也有很大的幫助。本畢業(yè)設計基于ti公司的tms320lf2407控制器，對直流電動機進行調速測速的控制系統(tǒng)，進行了設計研究。1.3 課題研究內容在研究了全數字直流電動機控制系

22、統(tǒng)基礎上，提出一種以dsp為控制器的直流電動機智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用ti公司的tms320lf2407高性能數字處理器，設計出基于dsp的數字直流電機控制系統(tǒng)。對直流調速原理分析，針對本文用到的調壓調速原理以及特點進行說明。系統(tǒng)硬件結構整體設計方案，給出了系統(tǒng)整體設計框圖，在此基礎上介紹了本系統(tǒng)實現的主要功能；設計了以tms320lf2407a為核心的硬件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件的設計，主要根據硬件設計所要實現的功能進行了系統(tǒng)整體設計，依據軟件的整體功能設計了各個功能模塊程序。 系統(tǒng)硬件電路的設計與制作：在dsp硬件設計方面，完成控制系統(tǒng)方案設計的論證和系統(tǒng)硬件控制電路的設計，并進行系統(tǒng)基本功能的調試工作

23、，主要工作包括:(1) 方案論證:根據系統(tǒng)性能指標要求，確定系統(tǒng)的控制方案;(2) 原理圖繪制:根據系統(tǒng)設計方案完成控制系統(tǒng)dsp電路原理圖的設計工作，包括dsp本體電路設計和直流直線電機驅動電路設計;.(3) 硬件調試:制作pcb電路板。系統(tǒng)控制軟件的設計與實現按照控制系統(tǒng)技術指標的要求，對系統(tǒng)進行合理的分析與規(guī)劃，尋求合適的控制規(guī)則并確定軟件流程，主要工作包括:(1) 系統(tǒng)軟件總體需求分析與設計;(2) 系統(tǒng)軟件整體結構設計;(3) 統(tǒng)各部分功能的軟件實現;(4) 組成完整程序進行調試。2. 直流電機的dsp控制2.1 直流電動機的控制原理根據圖2-1它勵直流電動機的等效電路，可以得到直流

24、電動機的數學模型。電壓平衡方程為： （2-1） 式中，為電樞電壓；為電樞電流；為電樞電路總電阻；為感應電動勢；為電樞電路總電感。其中感應電動勢為： （2-2）式中，為感應電動勢計算常數；為每極磁通；為電動機轉速。將式（2-2）代入式（2-1）可得： （2-3） 直流電動機的電磁轉矩為： （2-4） 轉矩平衡方程為： （2-5） 式（2-4）和式（2-5）中，為折算到電動機軸上的轉動慣量；為電動機的電磁轉矩；為負載轉矩；為電動機角速度；為電動機轉矩常數。圖2-1 直流電動機等效電路由式（2-3）可得，直流電動機的轉速控制方法可分為兩類：對勵磁磁通進行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進行控制的電樞電壓

25、控制法。勵磁控制法是在電動機的電樞電壓保持不變時，通過調整勵磁電流來改變勵磁磁通，從而實現調速的。這種調速法的調速范圍小，在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結構強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差，所以這種控制方法用的很少。電樞電壓控制法是在保持勵磁磁通不變的情況下，通過調整電樞電壓來實現調速的。在調速時，保持電樞電流不變，即保持電動機的輸出轉矩不變，可以得到具有恒轉矩特性的大調速范圍，因此大多數應用場合都使用電樞電壓控制法。本章主要介紹這種方法的dsp控制。對電動機的驅動離不開半導體功率器件。在對直流電動機電樞電壓的控制和驅動中，對半導體功率器件的使用上又可分為兩

26、種方式：線性放大驅動方式和開關驅動方式。線性放大驅動方式是使半導體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點是：控制原理簡單輸出波動小線性好對鄰近電路干擾小。但是功率器件在線性區(qū)工作時會將大部分電功率用于產生熱量，效率和散熱問題嚴重，因此這種方式只用于數瓦以下的微小功率直流電動機的驅動。絕大多數直流電動機采用開關驅動方式。開關驅動方式是使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調制（pwm）來控制電動機的電樞電壓，實現調速。圖2-2是利用開關管對直流電動機進行pwm調速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖2-2（a）中，當開關管mosfet的柵極輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓。

27、t1時間后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關管截止，電動機電樞兩端電壓為零。t2時間后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開光管的動作重復前面的過程。這樣，對應著輸入的電平高低，直流電動機電樞繞組兩端的電 (2-6)壓波形如圖22（b）所示。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值為： (2-7) 式中a為占空比。(a)原理圖（b）輸入/輸出電壓波形圖2-2 pwm調速控制原理和電壓波形圖占空比a表示了在一個周期t里，開關管導通的時間長短與周期的比值。a的變化范圍。由式（2-6）可知，當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a的大小，改變a的值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的，這就是pwm調

28、速原理。在pwm調速時，占空比a是一個重要的參數。以下3種方法都可以改變占空比的值：（1）定寬調頻法。這種方式是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期t（或頻率）也隨之改變。（2）調寬調頻法。這種方法是保持t2不變，而改變t1，這樣使周期t（或頻率）（3）定頻跳寬法。這種方法是使周期t（或頻率）保持不變，而同時改變t1和t2。前兩種方法由于在調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此這兩種方法用的很少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用定頻調寬法。tms320lf2407xa系列電動機專用dsp集成了pwm控制信號發(fā)生器，它可以通過調整事件

29、管理器的定時器控制寄存器來設定pwm工作方式和頻率；通過調整比較值來調整pwm的占空比；通過調整死區(qū)控制寄存器來設定死區(qū)時間；通過專用的pwm輸出口輸出占空比可調的帶有死區(qū)pwm控制信號，從而省去了其他控制器所用的外圍pwm波發(fā)生電路和時間延遲（死區(qū)）電路。電動機專用dsp的高速運算功能可以實現直流電動機的實時控制，通過軟件實現名副其實的全數字控制，從而省去了外圍的pid調節(jié)電路和比較電路。因此，使用dsp控制直流電動機可以獲得高性能和低成本。直流電動機通常要求工作在正反轉的場合，這時需要使用可逆pwm系統(tǒng)。可逆pwm系統(tǒng)分為單極性驅動和雙極性驅動，以下分別介紹單極性驅動和雙極性驅動可逆pwm

30、系統(tǒng)。2.2直流電動機單極性驅動可逆pwm系統(tǒng)單極性驅動是指在一個pwm周期里，電動機電樞的電壓極性呈單一性（或者正或者負）變化。單極性驅動電路有兩種，一種稱為t型，它由兩個開關管組成，采用正負電源，相當于兩個不可逆系統(tǒng)的組合，由于形狀像橫放的“t”字，所以稱為t型。t型單極性驅動由于電流不能反向，并且兩個開關管動態(tài)切換（正反轉切換）的工作條件是電樞電流等于零，因此動態(tài)性能較差，很少采用。另一種稱為h型，其形狀像“h”字,也稱橋式電路。h型雙極性驅動應用較多，因此在這里將詳細介紹。圖2-3 h型單極性可逆pwm驅動系統(tǒng)圖（2-3）是h型單極可逆pwm驅動系統(tǒng)。它由4個開關管和4個續(xù)流二極管組成

31、，單電源供電。當電動機正轉時，v1開關管根據pwm控制信號同步導通或關斷，而v2開關管則受pwm反相控制信號控制，v3保持常閉，v4保持常開。當電動機反轉時，v3開關管根據pwm控制信號同步導通或關斷，而v4開關管則受pwm反相控制信號控制，v1保持常閉，v2保持常開。單極性驅動系統(tǒng)的pwm占空比仍用式（2-7）來計算。當要求電動機在較大負載情況下正轉工作時，平均電壓大于感應電動勢。在每個pwm周期的0t1區(qū)間，v1導通，v2截止，電流經v1v4從a到b流過電樞繞組，如圖2-3中的虛線1。在每個pwm周期的t1t2區(qū)間，v2導通，v1截止，電源斷開，在自感電動勢的作用下，進二極管d2和開關管v

32、4進行續(xù)流，使電樞中仍然有電流流過，方向是從a到b，如圖2-3中的虛線2。這時由于二極管d2的箝位作用，v2實際不能導通，電流波形見圖2-4（a)。當電動機在進行制動時，平均電壓小于感應電動勢。在每個pwm周期的0t1區(qū)間，在感應電動勢和自感電動勢共同作用下，電流進二極管d4d1流向電源，方向是從b到a，如圖2-3中虛線4，電動機處在再生制動狀態(tài)。在每個pwm周期的t1t2區(qū)間，v2導通，v1截止，在感應電動勢的作用下，電流經d4v2仍然是從b到a流過繞組，如圖2-3中虛線3，電動機處在耗能制動狀態(tài)。電動機制動時的電流波形如圖2-4（b)所示。當電動機輕載或空載運行時，平均電壓與感應電動勢幾乎

33、相等。在每個pwm周期的0t1區(qū)間，v2截止，電流先是沿虛線4流動，當減小到零后，v1導通接通電源，電流改變方向，沿虛線1流動。在每個pwm周期的t1t2區(qū)間，v1截止，電流先是沿虛線2續(xù)流，當續(xù)流電流減小到零后，v2導通，在感應電動勢的作用下，電流改變方向，沿虛線3流動。因此，在一個pwm周期中，電流交替呈現再生制動電動續(xù)流電動耗能制動4種狀態(tài)，電流圍繞著橫軸上下波動，如圖2-4（c)所示。由此可見，單極性可逆pwm驅動的電流波動較小，可以實現4個象限運行，是一種應用非常廣泛的驅動方式。使用時要注意加“死區(qū)”，避免同一橋臂的開關管發(fā)生直通短路。圖2-4 h型單極性可逆pwm驅動電流波形2.3

34、 直流電動機雙極性驅動可逆pwm系統(tǒng)雙極性驅動是指在一個pwm周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性驅動電路也有t型和h型兩種。t型雙極性驅動由于開關管要承受較高的反向電壓，因此只用在低壓小功率直流電動機驅動。而h型雙極性驅動應用較多，因此在這里將詳細介紹。圖2=5是h型雙極可逆pwm驅動系統(tǒng)。4個開關管分成兩組，v1v4為一組，v2v3為另一組。同一組的開關管同步導通或關斷，不同組的開關管的導通與關斷正好相反。 (2-7)圖2-5 h型雙極可逆pwm驅動系統(tǒng)在每個pwm周期里，當控制信號高電平時，開關管v1v4導通，此時為低電平，因此v2v3截止，電樞繞組承受從a到b得正向電壓；當控

35、制信號低電平時，開關管v1v4截止，此時為高電平，因此v2v3導通，電樞繞組承受從b到a的反向電壓，這就是所謂“雙極”。由于在一個pwm周期里電樞電壓經歷了正反兩次變化，雙極性可逆pwm驅動時，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比a大小。當a=0時，,電動機反轉，且轉速最大；當a=1時，電動機正轉，轉速最大；當a=1/2時，電動機不轉。雖然此時電動機不轉，但電樞繞組中仍然有交變電流流動，使電動機產生高頻振蕩，這種振蕩有利于克服電動機負載的靜摩擦，提高動態(tài)性能。下面討論電動機電樞的電流。電樞繞組中的電流波形見圖2-6。分成以下3種情況。圖2-6 h型雙極性可逆pwm驅動電流波形當要求電動機在較大負

36、載情況下正轉工作時，平均電壓大于感應電動勢。在每個pwm周期的0t1區(qū)間，v1v4導通，v2v3截止，電樞繞組中電流的方向是從a到b，如圖25中的虛線1所示。在每個pwm周期的t1t2區(qū)間，v2v3導通v1v4截止，雖然電樞繞組加反向電壓，但由于繞組的負載電流較大，電流的方向仍然不變，只不過電流幅值的下降速率比前面介紹的單極性系統(tǒng)要大，因此電流的波動較大。當電動機在較大負載的情況下反轉工作時，情形正好與正轉是相反，電流波形如圖2-6（b）所示，這里不再介紹。當電動機在輕載下工作時，負載使電樞電流很小，電流波形基本上圍繞橫軸上下波動（見圖2-6（c），電流的方向也在不斷地變化。在每個pwm周期的

37、0t1區(qū)間。v2v3截止。開始時，由于自感電動勢的作用，電樞中的電流維持原流向從b到a，電流線路如圖3-5中虛線4，經二極管d4d1到電源，電動機處于再生制動狀態(tài)。由于二極管的d4d1鉗位作用，此時v1v4不能導通。當電流衰減到零后，在電源電壓的作用下，v1v4開始導通。電流經v1v4形成回路，如圖25中虛線1所示。這時電樞電流的方向從a到b，電動機處于電動狀態(tài)。在每個pwm周期的t1t2區(qū)間，v1v4截止。電樞電流在自感電動勢的作用下繼續(xù)從a到b，其電流流向如圖2-5中虛線2，電動機仍處于電動狀態(tài)。當電流衰減為零后，v2v3開始導通，電流線路如圖2-5中的虛線3所示，電動機處于耗能制動狀態(tài)。

38、因此，在輕載下工作時，電動機的工作狀態(tài)呈電動和制動交替變化。雙極性驅動時，電動機可在4個象限上工作，低速時的高頻振蕩有利于消除負載的靜摩擦，低速平穩(wěn)性好。但在工作的過程中，由于4個開關管又處在開關狀態(tài)，功率損耗較大，因此雙極性驅動只用于小功率直流電動機。使用時也要加“死區(qū)”，防止開關管直通。2.4 直流電動機的dsp控制方法及編程例子2.4.1 單極性可逆pwm系統(tǒng)dsp控制方法及編程例子圖2-7是直流電動機全數字雙閉環(huán)控制的框圖。全部控制模塊如速度pi調節(jié)電流pi調節(jié)pwm控制都是通過軟件來實現的。圖2-7直流電動機調速雙閉環(huán)控制框圖圖2-8是根據圖2-7的控制原理所設計的用tms320lf

39、2407a dsp實現直流電動機調速的控制和驅動電路。圖中采用了h型驅動電路，通過dsp的pwm輸出引腳pwm1pwm4輸出的控制信號進行控制。用霍爾電流傳感器檢測電流變化，并通過adcin00引腳輸入給dsp，經qep1qep2引腳輸入給dsp，獲得速度反饋信號。它還可以很容易地實現位置控制。用dsp實現直流電動機速度控制的軟件由3部分組成:初始化程序主程序中斷子程序。其中主程序只進行電動機的轉向判別，用來改變比較方式寄存器actra的設置。用戶可以再主程序中添加其他應用程序。在每個pwm周期（50us）都進行一次電流采樣和電流pi調節(jié)，因此電流采樣周期與pwm周期相同，以實現實時控制。采用

40、定時器1周期中斷標志來啟動ad轉換，轉換結束后申請adc中斷。圖29是adc中斷子程序框圖。全部控制功能都通過中斷處理子程序來完成。圖2-8 直流電動機dsp控制和驅動電路2.4.2 雙極性可逆pwm系統(tǒng)dsp控制方法及編程例子雙極性可逆pwm系統(tǒng)的dsp控制與單極性可逆pwm系統(tǒng)的dsp控制基本相同。由于pwm1和pwm4的控制規(guī)律一樣，pwm2和pwm3的控制規(guī)律一樣，所以比較方式控制寄存器actra的設置應為0096h。雙極性可逆pwm系統(tǒng)的占空比除了決定電動機的轉速外，還決定電動機的轉向，因此，在電流pi調節(jié)控制中，必須根據轉向標志direction來決定輸出極限：正轉時，輸出的范圍是

41、0250；反轉時，輸出的范圍是250500。由于速度時間常數較大，本程序設計每100個pwm周期（即5ms）對速度進行一次pi調節(jié)。速度反饋量是按以下方法計算的：在每個pwm周期都通過讀編碼器求一次編碼脈沖增量，并累計。假設電動機的最高轉速是3000r/min，也即50r/s。采用1024線的編碼器，進dsp四倍頻后每轉發(fā)出4096個脈沖。所以在這個轉速下，每秒發(fā)出504096=204800個脈沖。那么5ms發(fā)出的最大脈沖數為2048005（或）令編碼脈沖速度轉換系數就可以得到當前轉速反饋量相對于最高轉速的比例值n，當前轉速反饋量等于3000n/。3.基于dsp的控制系統(tǒng)硬件設計3.1系統(tǒng)組成

42、由圖3-1可知，該系統(tǒng)包含dsp控制單元，功率驅動單元，速度檢測單元。原理是dsp輸出pwm波經過光電隔離部分，送給功率驅動單元。然后經過光耦隔離放大作用在mosfet開關管。主控芯片采用ti公司tms320lf240x系列的lf2407。其主要的外圍電路包括電源電路、電路和晶振電路等。圖3-1系統(tǒng)硬件總體設計圖tms320系列包括：定點、浮點、多處理器數字信號處理器和定點dsp控制器。tms320系列dsp的體系結構專為實時信號處理而設計，該系列dsp控制器將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，為控制系統(tǒng)應用提供了一個理想的解決方案。目前ti公司主推的dsp有：定點系列tms320c200

43、0、tms320c5000；浮點系列tms320c6000。其中tms320c6000系列中也有部分為定點dsp。tms320系列同一產品系列中的器件具有相同的cpu結構，但片內存儲器和外設的配置不同。派生的器件集成了新的片內存儲器和外設，以滿足世界范圍內電子市場的不同需求。通過將存儲器和外設集成到控制器內部，tms320器件降低了系統(tǒng)成本，節(jié)省了電路板空間，提高了系統(tǒng)的可靠性。在tms320系列dsp基礎上，tms320lf2407a控制器具有以下特點。(1)中央處理單元32位中央算數邏輯單元(calu)。32位累加器。3個比例移位器。16位*16位乘法器。間接尋址用的8個16位輔助寄存器和

44、輔助算數單元(arau)。4級流水線操作。8級硬件堆棧。6個可屏蔽硬件中斷。(2)存儲器32k字片內flash程序存儲器。544字的片內外設daram和2k字的片內saram。可用空間：程序存儲空間64k，數據存儲空間35.5k字，i/o空間64k字。(3)指令集單周期乘加指令。具有fft倒序位序交址尋址能力。單周期指令執(zhí)行時間為25ns(40mips)。源代碼與定點tms320c2x、c2xx、c5x兼容。(4)電源3.3v靜態(tài)cmos工藝。3種低功耗模式，且可以靈活開啟和關閉具體外設的時鐘。lf2407a具有一些與單片機不同的硬件特點。(1)時鐘通過對晶振倍頻后，lf2407a的內部時鐘是

45、cpu時鐘，最高可以高達40mhz。但是很多外設并不能承受這么快的時鐘。通過對cpu時鐘分頻，lf2407a所有外設都可以單獨設置外設時鐘。(2)中斷dsp的中斷有其內核中斷、事件管理模塊的中斷和系統(tǒng)模塊中斷組成。dsp內核中斷包括：由指令intr，nmi和trap產生的軟件中斷和來自復位rs，非屏蔽nmi和可屏蔽intx(x=1，2，3，4，5，6)的硬件中斷；事件管理模塊的中斷包括：通用定時器的周期事件中斷、通用定時器的比較事件中斷、通用定時器的溢出事件中斷、單比較中斷、全比較中斷、捕獲中斷和電源驅動保護中斷(pdpint)；系統(tǒng)模塊中斷包括：a/d轉換中斷、串行通信sci的接收中斷、串行

46、通信sci的發(fā)送中斷、串行外設接口spi中斷、外部引腳xintx(x=l，2，3)產生的可屏蔽中斷和外部非屏蔽引腳nmi中斷。(3)存儲器空間lf2407a包含三個獨立的存儲空間，在調試過程中，對于片上的引腳，可以做出選擇，將其置于高電平時，進入微處理器(micro processor)模式，尋址將對外程序存儲器。在程序調試階段，常譯碼一個外部ram存儲器，通過ccs中的file-load program命令，下載編譯好的程序到外部ram中運行。當把mp/mc引腳置位為低電平時，進入微控制器(micro controller)模式，尋址內部flash程序存儲器，等最后將程序調試完畢，再燒寫到內

47、部flash。同時lf2407a還可以通過gel語言來設置寄存器scsr2的mp/mc位，從而決定程序存儲器映射于內部還是外部空間。3.2dsp電源電路lm117是美國國家半導體公司的三端可調正穩(wěn)壓器集成電路。是使用極為廣泛的一類串連集成穩(wěn)壓器。 lm117/lm317 的輸出電壓范圍是 1.2v 至 37v，負載電流最大為 1.5a。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。lm117內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。通常 lm117不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 lm117/lm317 輸入端的連線超過 6 英寸。使

48、用輸出電容能改變瞬態(tài)響應。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。 lm117能夠有許多特殊的用法。比如把調整端懸浮到一個較高的電壓上，可以用來調節(jié)高達數百伏的電壓，只要輸入輸出壓差不超過 lm117的極限就行。當然還要避免輸出端短路。還可以把調整端接到一個可編程電壓上，實現可編程的電源輸出。lm117特性簡介：可調整輸出電壓低。保證 1.5a 輸出電流。典型線性調整率 0.01%。典型負載調整率 0.1%。 80db 紋波抑制比。輸出短路保護。過流、過熱保護。調整管安全工作區(qū)保護。標準三端晶體管封裝。如圖3-2所以，通過lm177把5v電壓轉化為dsp所要求的3.3v供電

49、電壓。圖3-2dsp電源轉換電路3.3jtag接口電路設計jtag掃描邏輯電路用于仿真和調試，采用jtag可實現在線仿真，同時也是調試過程中裝載數據、代碼的唯一通道。通過jtag接口可將仿真器與目標系統(tǒng)相連接。一般在dsp芯片內部都集成有jtag模塊，通過燒寫器與jtag電路連接將調試程序燒寫到dsp內部的flash中。圖3-3為jtag接口電路。圖3-3為jtag接口電路3.4復位電路本系統(tǒng)采用上電復位和手動復位相結合的方法，使得系統(tǒng)在出現突發(fā)情況時人工手動即可復位。復位后芯片從000h單元開始執(zhí)行程序即初始化。圖3-4為復位電路。圖中rs接入dsp2407的復位引腳腳。dsp2812的復位

50、引腳為低電平有效，當復位開關s被按下，rs引腳被拉為低電平，此狀態(tài)持續(xù)6個時鐘周期后，系統(tǒng)被復位。圖3-4復位電路3.5 pwm隔離放大調理電路如圖3-5所示，dsp輸出的pwm信號經過光耦隔離后，進行放大和調理后作用在mosfet開關管，在沒有dsp信號時光耦將電機驅動信號與dsp的pwm信號隔離，當dsp輸出pwm信號時，光耦導通。經過三極管共射放大后輸出pwmo1兩個二極管起到鉗位作用。圖3-5pwm隔離放大電路3.6轉速采集電路設計如圖3-6所示首先電機內部的速度傳感器輸出一個電壓信號通過j采集然后通過lm358的跟隨和運放對信號實現和放大最后將調理好的信號送到dspadcin0這個a

51、d采樣口完成對速度信號的采集。圖3-6速度采集電路3.7直流電動機pwm調速電路設計如圖36所示，在電路中，mosfet q10和q11的控制信號波形相同，q9和q12的控制信號相同，并且這兩路控制信號相位相反。當q10和q11的控制信號為高時，q10和q11導通，電流從電機正向流入電機，從負向流出，電機正轉。當q10和q11的控制信號由高到低時，q10和q11關斷。由于電機電流要維持原流向，電流就從vd3流向電機再流向vd2，所以q2和q3不會立即導通。等電流衰減到0時，q9和q12導通，電流從負向流入電機，從正向流出，電機反轉。等到控制信號再次變化時，重復上述過程。交替導通時，電樞兩端的電

52、壓波形如下圖37所示，由于電機機械慣性的作用，決定電機轉向和轉速的僅為電樞電壓的平均值vav。圖3-7直流電機調速電路 圖3-8為電樞兩端的電壓波形3.8晶振電路設計一塊控制板的最小系統(tǒng)主要包括兩個部分，即系統(tǒng)時鐘電路和復位電路。本設計采用有源晶振提供系統(tǒng)時鐘，有源晶振頻率為10mhz，具體到系統(tǒng)功能模塊可以通過寄存器的設置按需要進行分頻和倍頻。該模塊的電路連接如圖3-9所示。圖中xtal2_in接入dsp2407的時鐘輸入引腳。圖3-9晶振電路3.9顯示電路設計本設計采用金鵬公司的12864的c系列，c 系列中文模塊可以顯示字母、數字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。提供

53、三種控制接口，分別是8 位微處理器接口，4 位微處理器接口及串行接口（ocmj4x16a/b 無串行接口）。所有的功能，包含顯示ram，字型產生器，都包含在一個芯片里面，只要一個最小的微處理系統(tǒng)，就可以方便操作模塊。內置2m-位中文字型rom (cgrom) 總共提供8192 個中文字型(16x16 點陣)，16k-位半寬字型rom (hcgrom) 總共提供126 個符號字型(16x8 點陣)，64 x 16-位字型產生ram (cgram)，另外繪圖顯示畫面提供一個64x256 點的繪圖區(qū)域（gdram），可以和文字畫面混和顯示。提供多功能指令：畫面清除（display clear）、光標

54、歸位（return home）、顯示打開/關閉（display on/off）、光標顯示/隱藏（cursor on/off）、顯示字符閃爍（display character blink）、光標移位（cursor shift）顯示移位（display shift）、垂直畫面旋轉（vertical line scroll）、反白顯示（by_line reverse display）、待命模式（standby mode）。外形結構如圖3-10所示圖3-10顯示設備外形主要參數：工作電壓(vdd)：4.55.5v、邏輯電平:2.75.5v、lcd驅動電壓(vo)：07v、工作溫度(top)：055(

55、常溫)/-2070（寬溫）、保存溫度(tst)：-1065 常溫)/-3080（寬溫)。圖3-11顯示電路3.10正反轉及調速電路設計在本設計中采用按鍵鎖定的方式控制正反轉電路，當電機正轉按鍵被按下后，鎖定正轉開關管的導通，實現正轉，反之反轉電路也是如此。電路如圖3-12所示。圖3-12顯示電路在實現正反轉的基礎上實現電機的速度調節(jié)是通過調節(jié)pwm的驅動平均電壓時實現，在此采用按鍵給dsp信號由dsp調節(jié)實現電壓的調節(jié)，電路如圖3-13所示。圖3-13 調速電路3.11 ir2110驅動電路ir2110s是一款mosfet驅動芯片 電源電壓 最大:20v電源電壓 最小:10v輸出電壓:520v輸出電壓 最大:20v輸出電壓 最小:10v輸出電流:2.5a電路如圖3-14所示。圖3-14 ir2110