畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、作品名稱： 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 計(jì) 所屬學(xué)院： 電氣工程學(xué)院 電 摘要本文針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了一款基于DSP的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。詳細(xì)推導(dǎo)了直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的建立，闡述了數(shù)字式控制系統(tǒng)整體方案，解決了PWM發(fā)生、電機(jī)電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、功率隔離等關(guān)鍵技術(shù)問題。并推導(dǎo)了帶死區(qū)和積分飽和修正的PID控制算法。本文基于仿真軟件PSIM對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。最終確定了最優(yōu)的仿真參數(shù)，對(duì)硬件設(shè)計(jì)提供參考。構(gòu)建了基于TMS320F2812的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。設(shè)計(jì)完成了TMS320F2812最小系統(tǒng)硬件電路、功率

2、MOSFETH橋驅(qū)動(dòng)電路、光耦隔離電路、霍爾電流采集處理電路、交流電機(jī)測(cè)速電路、溫度監(jiān)測(cè)電路、故障保護(hù)電路。對(duì)各部分電路進(jìn)行了詳盡的闡述。在CCS3.3環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。編寫了包括PWM發(fā)生、信號(hào)AD轉(zhuǎn)換、改進(jìn)的PID控制算法、按鍵控制、LCD液晶顯示等完整程序。最后，以54V，125W直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，用示波器觀察了系統(tǒng)中的關(guān)鍵波形。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、可靠性等進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)基于工程設(shè)計(jì)法完成的PID參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。關(guān)鍵詞直流電動(dòng)機(jī);PWM調(diào)速;DSP;數(shù)字控制;PSIM目 錄摘要X第1章 緒論11.1 課題背景11.2 研究現(xiàn)狀31.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制全數(shù)字化41.4 本

3、課題研究?jī)?nèi)容4第2章 直流脈寬調(diào)速原理62.1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理62.2 直流電動(dòng)機(jī)單極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM系統(tǒng)92.3 直流電動(dòng)機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM系統(tǒng)122.4 本章小結(jié)14第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)153.1 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成153.2 DSP芯片外圍電路設(shè)計(jì)163.3 功率板電路設(shè)計(jì)183.3.1 功率板控制部分電路設(shè)計(jì)18213.3.3 故障保護(hù)電路設(shè)計(jì)243.3.4 功率電路設(shè)計(jì)263.4 硬件可靠性設(shè)計(jì)283.5 PCB實(shí)物展示303.6 本章小結(jié)31第4章 控制策略324.1 PID控制器簡(jiǎn)介324.1.1 PID控制算法特點(diǎn)324.1.2 PID控制器結(jié)構(gòu)和原理334.2 雙閉環(huán)控

4、制器簡(jiǎn)介344.3 PID控制算法的數(shù)字化354.3.1 PID控制算法數(shù)字化354.3.2 數(shù)字式PID控制算法的實(shí)現(xiàn)過程364.3.3 數(shù)字PID參數(shù)整定374.4 本章小結(jié)40第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)415.1 軟件設(shè)計(jì)思想415.2 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)435.3 各功能模塊程序設(shè)計(jì)445.3.1 系統(tǒng)初始化程序模塊455.3.2 PWM驅(qū)動(dòng)模塊455.3.3 ADC模塊465.3.4 ADC校準(zhǔn)及模擬采樣信號(hào)的數(shù)字濾波465.3.5 PID算法模塊485.5 本章小結(jié)51第6章 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果526.1 系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)526.2 基于PSIM環(huán)境下的系統(tǒng)仿真536.2.1 PSIM環(huán)境下

5、的原理圖536.2.2 PSIM環(huán)境下的仿真結(jié)果分析536.4 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析576.4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介576.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄及分析586.5 本章小結(jié)59結(jié)論60參考文獻(xiàn)61第1章 緒論1.1 課題背景電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電磁機(jī)械裝置，主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種功能用途的生產(chǎn)裝置和機(jī)械，以滿足各種場(chǎng)合的驅(qū)動(dòng)要求。電動(dòng)機(jī)作為一種動(dòng)力設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械場(chǎng)合，如冶金行業(yè)的轉(zhuǎn)爐、軋鋼機(jī)和高爐等，交通運(yùn)輸業(yè)的電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車和電動(dòng)機(jī)車等；采礦業(yè)中的鼓風(fēng)設(shè)備、起吊設(shè)備、采掘設(shè)備等；農(nóng)業(yè)中的灌溉、農(nóng)產(chǎn)品加工等；以及家用中洗衣機(jī)、空調(diào)和冰箱?？梢哉f電動(dòng)機(jī)涉及人們生產(chǎn)生活的各行各業(yè)

6、。根據(jù)供電電源的不同，電動(dòng)機(jī)可以分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)又可分為交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)?？v觀電動(dòng)機(jī)的發(fā)展史，可以大致分為三個(gè)時(shí)期：（1）直流電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生時(shí)期；（2）交流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生時(shí)期；（3）電機(jī)設(shè)計(jì)制造工藝和理論研究基本完善的時(shí)期。 直流電動(dòng)機(jī)問世早，電動(dòng)機(jī)發(fā)展的初期主要是直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展時(shí)期。在19世紀(jì)中葉后，由于在生產(chǎn)（如：電鍍、電報(bào)、電動(dòng)機(jī)電源、電解等）上的需要，直流電動(dòng)機(jī)得到了充分的改進(jìn)和發(fā)展。到1870年，鼓形電樞繞組提出，并一直沿用至今，這是直流電動(dòng)機(jī)的又一次較大的發(fā)展。但是到1882年，人們認(rèn)識(shí)到直流遠(yuǎn)距離輸電的弱點(diǎn)，及隨著裝機(jī)容量的不斷增大，直流電動(dòng)機(jī)換向

7、也越來(lái)越困難。人們逐漸向交流電動(dòng)機(jī)發(fā)展。一直到20世紀(jì)上半葉，由于直流電動(dòng)機(jī)有優(yōu)異調(diào)速性能，使其占據(jù)了高性能調(diào)速場(chǎng)合應(yīng)用，而交流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能差，導(dǎo)致約占電力拖動(dòng)容量70%多的交流電動(dòng)機(jī)用于不變速系統(tǒng)中。雖然交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案已經(jīng)問世很早，但其性能卻無(wú)法與直流電動(dòng)機(jī)匹敵。直到20世紀(jì)6070年代。隨著新型電力電子器件的出現(xiàn)，使得采用電力電子變換器的交流調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生，打破了直流電動(dòng)機(jī)在調(diào)速系統(tǒng)中的壟斷格局。目前，相比于直流電動(dòng)機(jī)存在的限制，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得到了很大發(fā)展，如20世紀(jì)70年代發(fā)明的矢量控制法（磁場(chǎng)定向技術(shù)），可以通過坐標(biāo)變換，把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量并

8、分別用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩。通過坐標(biāo)變換技術(shù)，可以使交流電動(dòng)機(jī)獲得和直流電動(dòng)機(jī)相似的動(dòng)靜態(tài)特性。此后，又相繼提出了解耦控制法、直接轉(zhuǎn)矩控制法等，形成了可以和直流電動(dòng)機(jī)相媲美的交流調(diào)速系統(tǒng)。在特大容量和極高轉(zhuǎn)速方面，由于直流電動(dòng)機(jī)自身的限制，使得其容量與轉(zhuǎn)速積很難超越1兆千瓦，否則制造將極其困難。而交流電動(dòng)機(jī)由于不需要換向裝置，因此也不受這種限制。在特大容量如特大電力拖動(dòng)設(shè)備，極高轉(zhuǎn)速設(shè)備等交流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)普遍采用。目前為止，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于以下三個(gè)領(lǐng)域：1.高性能的交流伺服和調(diào)速系統(tǒng)；2特大容量的極高轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)。3.一般性能的調(diào)速系統(tǒng)。大有取代直流電動(dòng)機(jī)之勢(shì)。然而，由于直流電動(dòng)

9、機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速早于交流電動(dòng)機(jī)，控制經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)豐富。而且調(diào)速性能線性度好、平滑運(yùn)轉(zhuǎn)特性高質(zhì)高效、控制簡(jiǎn)單等特性依然使直流電動(dòng)機(jī)在許多場(chǎng)合占據(jù)一定位置。如在一下場(chǎng)合，直流電動(dòng)機(jī)仍發(fā)揮著重要作用。1. 一些大型工業(yè)機(jī)械場(chǎng)合，如軋鋼設(shè)備2. 對(duì)調(diào)速性能要求十分高的場(chǎng)合，如機(jī)器人關(guān)節(jié)，航模設(shè)備的轉(zhuǎn)向舵機(jī) ，電腦硬盤等高精度場(chǎng)合。3. 多數(shù)電池供電的為功率場(chǎng)合，如玩具，航模馬達(dá)等。這些場(chǎng)合還有很大的市場(chǎng)占有量，尤其是在對(duì)調(diào)速性能極其高的場(chǎng)合，因此，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究還很有意義。 從控制角度看，直流電動(dòng)機(jī)的控制經(jīng)歷了一下幾個(gè)階段： 模擬控制技術(shù)時(shí)期：19世紀(jì)中葉先后誕生的直流電機(jī)和交流電機(jī)，最初只是為人們

10、提供一種穩(wěn)定的動(dòng)力，所以那時(shí)的電動(dòng)機(jī)控制只是解決它的啟動(dòng)和停止，大部分的控制用簡(jiǎn)單的觸點(diǎn)開關(guān)電器就能解決。數(shù)?；旌峡刂萍夹g(shù)時(shí)期：20世紀(jì)70年代，微處理器技術(shù)剛開始不久。這種處理器構(gòu)成的電機(jī)控制系統(tǒng)需要輔以大量的外圍數(shù)字邏輯電路芯片和模擬電路芯片，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，抗干擾性能也差。全數(shù)字控制技術(shù)時(shí)期：近年來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著DSP嵌入式片上系統(tǒng)SOC的出現(xiàn)，使得系統(tǒng)完成電機(jī)控制的運(yùn)算速度越來(lái)越快，處理各種復(fù)雜運(yùn)算不再困難，系統(tǒng)的整體控制性能也越來(lái)越好。目前，數(shù)字化控制成為了電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的主流，而DSP現(xiàn)在已成為這項(xiàng)技術(shù)的核心。其中采用全控型開關(guān)功率器件

11、進(jìn)行脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱PWM）控制方式已經(jīng)成為絕對(duì)主流。這種控制方式已作為直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制的基礎(chǔ)。1.2 研究現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由兩組反并聯(lián)相控式整流電路實(shí)現(xiàn)的。該方案由于深調(diào)下功率因數(shù)很低、系統(tǒng)慣性大等弱點(diǎn),無(wú)法滿足諸如伺服系統(tǒng)一類要求快速響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合?；诖罅磕M或數(shù)字構(gòu)建硬件平臺(tái)，元器件數(shù)量多，體積大，易出故障，維護(hù)麻煩。且參數(shù)調(diào)試麻煩，人機(jī)交互性差。更重要的是，在電機(jī)啟制動(dòng)的快速性，和效率方面還有欠缺。近年來(lái)，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展尤其是單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)生了很多改變。隨著工業(yè)控制和電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)智能化的要求不斷提高

12、，過去一些無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高級(jí)算法，如電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)非線性控制技術(shù)、系統(tǒng)最優(yōu)控制、矢量控制等正逐漸變成產(chǎn)品問世。其中德州儀器公司推出的C2000系列DSP的強(qiáng)大的運(yùn)算能力剛好滿足了這一要求，更是在電力電子、電力傳動(dòng)領(lǐng)域表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。其一，DSP具有高速的運(yùn)算能力，為各種復(fù)雜高級(jí)的算法諸如模糊控制等等提供了可能。另外DSPC2000系列為電機(jī)控制提供了專用的外設(shè)，如帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM輸出，編碼電路，驅(qū)動(dòng)保護(hù)等，使用戶在得到強(qiáng)大運(yùn)算能力的同時(shí)也得到了豐富的片上資源，甚至堪比傳統(tǒng)的微處理器。在開關(guān)器件方面，隨著新型功率開關(guān)器件的不斷出現(xiàn)，高速功率MOSFET、大容量IGBT、智能型功率模塊IPM等全控型

13、開關(guān)器件已成為控制領(lǐng)域的主流器件。在控制方式上，采用全控型器件進(jìn)行脈寬調(diào)制，簡(jiǎn)稱PWM技術(shù)已成為普遍采用取代傳統(tǒng)相控整流的控制方式。1.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制全數(shù)字化 目前，國(guó)內(nèi)部分直流電機(jī)調(diào)速還采用模擬控制技術(shù)，部分也正在向全數(shù)字化發(fā)展。國(guó)外已經(jīng)推出了數(shù)字化的電機(jī)控制系列產(chǎn)品，我國(guó)在這方面相對(duì)落后，需要研究的任務(wù)相對(duì)較多。數(shù)字化直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較模擬系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：1、采用用高精度高運(yùn)算能力的數(shù)字處理芯片，提高了系統(tǒng)的精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，靜態(tài)的穩(wěn)定性等。2、采用高性能的數(shù)字芯片，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法，如模糊算法等。3、算法通過程序?qū)崿F(xiàn)，易于調(diào)試、修改，便于日后升級(jí)。4、采用高集成度數(shù)字芯片

14、，大大減小了分立元件數(shù)量，減小了系統(tǒng)的體積，見小了故障發(fā)生率。5、增強(qiáng)了操作的舒適性，便于監(jiān)控，人機(jī)交互能力增強(qiáng)，界面友好。1.4 本課題研究?jī)?nèi)容 本課題在對(duì)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型并完成基于仿真軟件PSIM仿真的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)現(xiàn)了基于DSP的全數(shù)字化直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用了TI公司的TMS320F2812（以下簡(jiǎn)稱DSP2812）作為核心控制器。作為一款高性能的數(shù)字處理芯片，DSP2812為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制配備了完善的外設(shè)。正是基于此，本文提出并實(shí)現(xiàn)了基于DSP的全數(shù)字直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。課題研究旨在以下方面有所創(chuàng)新：1. 實(shí)現(xiàn)直流脈寬調(diào)速的全數(shù)字化。2. 實(shí)現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)

15、設(shè)計(jì)。3. 提高操作的舒適度。4. 提高速速控制的穩(wěn)定性和調(diào)速精度。5. 發(fā)揮數(shù)字系統(tǒng)控制優(yōu)勢(shì)，減少分立元件數(shù)量，減小系統(tǒng)體積。 第2章 直流脈寬調(diào)速原理本章主要介紹直流電動(dòng)機(jī)的工作原理基本結(jié)構(gòu)及直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理。 2.1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)主要由固定部分（定子）和旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）構(gòu)成。在定子上裝有直流勵(lì)磁的磁極N和S，在轉(zhuǎn)子上裝有電樞。在轉(zhuǎn)子和定子間有一定空隙，稱為氣隙。電樞鐵心上裝有電樞線圈，線圈的首段末端分別裝有換向片，由換向片整體構(gòu)成換向器，換向器固定在轉(zhuǎn)軸上。換向器上放置著電刷，電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路如2-1：根據(jù)圖2

16、-1，可以得到直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型： （2-1）式中 電樞電壓； 電樞電流； 電樞電路總電阻； 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； 電樞電路總電感；其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： （2-2）式中 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算常數(shù)； 每極磁通； 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。將式（2-2）帶入式（2-1）可得： （2-3）直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： （2-4）轉(zhuǎn)矩平衡方程為： （2-5）式中 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩； 負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 電動(dòng)機(jī)角速度； 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。由式（2-3）可得，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可以分成兩類：勵(lì)磁控制法：即對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制；電樞電壓控制法：即對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制；勵(lì)磁控制法是在電動(dòng)機(jī)電樞電壓保持不變時(shí)，通過改變勵(lì)

17、磁電流來(lái)改變勵(lì)磁磁通，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。此方法存在以下缺點(diǎn)：（1）調(diào)速范圍?。涸诘退贂r(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。（2）勵(lì)磁線圈電感大：動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。由于上訴缺點(diǎn)，這種調(diào)速方法用的較少。電樞電壓控制法是在勵(lì)磁磁通保持不變的情況下，通過調(diào)整電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在調(diào)速時(shí)，可以保持電樞電流不變，從而保持輸出轉(zhuǎn)矩不變，從而可以得到具有恒轉(zhuǎn)矩特性的大的調(diào)速范圍，因此大多數(shù)場(chǎng)合下都采用電樞電壓控制法。采用電子開關(guān)器件，通過脈沖寬度調(diào)制（即PWM）來(lái)控制電機(jī)電樞電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖 2-2 PWM調(diào)速的原理 圖2-3相應(yīng)電壓波形 （2-6） （2-7）式中 占空比占空比指在一個(gè)

18、開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)管開通時(shí)間同開關(guān)周期的比值。01。由式（2-7）知，電樞電壓在不變的情況下僅取決于占空比。通過改變占空比的值，便可改變電機(jī)電樞兩端電壓，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。占空比可以通過以下三種方法改變：定寬調(diào)頻：即保持不變，改變，同時(shí)也將被改變。定頻調(diào)寬：即保持不變，改變，同時(shí)也將被改變。調(diào)寬調(diào)頻：即同時(shí)調(diào)節(jié)和。定寬調(diào)頻法和調(diào)寬調(diào)頻法在調(diào)節(jié)占空比的同時(shí)也改變了控制脈沖的頻率，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，就會(huì)引起震蕩，因此電機(jī)調(diào)速主要采用定頻調(diào)寬法。直流電動(dòng)機(jī)在多數(shù)場(chǎng)合要求能夠正反轉(zhuǎn)，這時(shí)需要使用可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)?？赡鍼WM系統(tǒng)按照控制方式分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)。以下將介紹單

19、極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM系統(tǒng)。2.2 直流電動(dòng)機(jī)單極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM系統(tǒng) 單極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓呈單一性變化（或者正向，或者負(fù)向）。常見單極性驅(qū)動(dòng)電路有2種，一種為“T”型，它由兩個(gè)開關(guān)管組成，采用正負(fù)電源驅(qū)動(dòng)，相當(dāng)于兩個(gè)不可逆系統(tǒng)的組合，其電路像橫放的“T”，成為T型。由于T型單極性驅(qū)動(dòng)電路電流不能反向，并且正反轉(zhuǎn)切換需要等到電樞電流為0，動(dòng)態(tài)性能較差，采用較少。相對(duì)于T型電路，H型雙極性驅(qū)動(dòng)電路是一種經(jīng)常被采用的電路，因電路形式像“H”而得名。下面對(duì)H型電路重點(diǎn)介紹。H型可逆單極性PWM驅(qū)動(dòng)電路如圖2-4所示。該電路由4個(gè)二極管和4圖2-4 H型單極性可

20、逆PWM驅(qū)動(dòng)電路個(gè)開關(guān)管組成。由于本系統(tǒng)采用的是功率MOS管，其體內(nèi)寄生有二極管，故不需要另加二極管。系統(tǒng)由單個(gè)直流電源供電。當(dāng)需要正轉(zhuǎn)時(shí)（規(guī)定電流由左到右是電機(jī)正轉(zhuǎn)），開關(guān)管和交替開通關(guān)斷，開關(guān)管一直關(guān)斷，開關(guān)管一直開通，驅(qū)動(dòng)波形如圖2-4所示。當(dāng)需要反轉(zhuǎn)時(shí)，開關(guān)管一直關(guān)斷，開關(guān)管一直開通，開關(guān)管和交替開通和關(guān)斷。下面對(duì)單極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)電路工作情況分析。按照直流電動(dòng)機(jī)的帶載情況不同，可以把直流電動(dòng)機(jī)工作情況分為輕載、重載、反轉(zhuǎn)三種，各種情況下電流波形如圖2-5所示。下面就單極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)電路下的三種工作情況進(jìn)行說明。圖2-5單極性可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)電流波形1. 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)重載工作情況

21、分析當(dāng)電動(dòng)機(jī)在這種情況下工作時(shí)，電樞平均電壓大于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在每一個(gè)PWM周期里，0時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管開通，開關(guān)管截止，電流從經(jīng)，電動(dòng)機(jī)電樞，流入電源地。如圖2-4的虛線1所示。其電樞電流波形如圖2-5a中1段所示。在時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管關(guān)斷，開關(guān)管開通，電源從電路中切除，在電動(dòng)機(jī)自感電動(dòng)勢(shì)的作用下，電樞中電流方向不會(huì)突變，電流經(jīng)過開關(guān)管和二極管續(xù)流。其電流回路如圖2-4中虛線2所示，其電流波形如圖2-5中a正轉(zhuǎn)所示。2. 電動(dòng)機(jī)空載或輕載工作情況分析當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在空載或輕載情況時(shí)，據(jù)公式2-1，由于電動(dòng)機(jī)電樞電流小，近似等于。在每個(gè)PWM周期內(nèi)，時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管截止。一開始，電流方向如圖2-5中虛線4所

22、示，電流逐漸減小，當(dāng)電流減小到0后，開關(guān)管開通，電流方向改變，如圖2-5中虛線1所示。時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管關(guān)斷，電流首先沿圖2-5中虛線2續(xù)流，當(dāng)電流逐漸減小到0后，開關(guān)管開通，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，電流方向變?yōu)槿鐖D2-5中虛線3所示。電樞電流如圖2-4c所示。當(dāng)電機(jī)工作在減速情況時(shí)，平均電動(dòng)機(jī)電壓要小于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在每個(gè)PWM周期內(nèi)，時(shí)間內(nèi)，在自感電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的雙重作用下，電流經(jīng)二極管和二級(jí)管流回電源。其電流回路如圖2-4中虛線4所示，電機(jī)處于再生制動(dòng)模式。時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管開通，關(guān)斷，在電動(dòng)機(jī)自感電動(dòng)勢(shì)的作用下，電流經(jīng)二極管和開關(guān)管形成回路，如圖2-4中虛線3，電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)電

23、流如圖2-5中b所示。通過以上分析可以看出，單極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)的電流波動(dòng)較小，可以方便地實(shí)現(xiàn)4個(gè)象限內(nèi)運(yùn)行。因此其適用范圍廣泛。下面介紹雙極性可逆PWM系統(tǒng)。2.3 直流電動(dòng)機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM系統(tǒng) 雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞電壓極性不單一，呈正負(fù)變化。同單極性驅(qū)動(dòng)電路，雙極性也有T型和H型，這里介紹H型雙極性驅(qū)動(dòng)電路。圖2-6是H型雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。四個(gè)開關(guān)管都受PWM驅(qū)動(dòng)，其中開關(guān)管和驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致，分別和開關(guān)管、信號(hào)互補(bǔ)。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，在時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管和開通，開關(guān)管和截止。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞電壓為A到B方向；在時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管和開通，開關(guān)管和截止，電樞電壓為

24、B到A方向。因此，稱之為雙極性驅(qū)動(dòng)。雙極性驅(qū)動(dòng)下電樞平均電壓計(jì)算公式和單極性不同，由于期間電壓方向發(fā)生改變，其計(jì)算公式如下： （2-8）圖2-6雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)電路下面對(duì)雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)電路工作情況分析。按照直流電動(dòng)機(jī)的帶載情況不同，可以把直流電動(dòng)機(jī)工作情況分為輕載、重載、反轉(zhuǎn)三種，各種情況下電流波形如圖2-7所示。下面就雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)電路下的三種工作情況進(jìn)行說明。 圖2-7 H型雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)電流波形1. 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)重載工作情況分析。在電動(dòng)機(jī)在這種情況下工作時(shí)，電樞平均電壓大于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，0時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管和開通，開關(guān)管和截止，電樞中電流如圖2-6中1所

25、示。在時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管和開通，開關(guān)管和截止，雖然電樞兩端電壓反向，但由于電機(jī)電感的作用，電流方向仍然不變，電流將逐漸變小。電流波形如圖2-7a所示。2. 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)工作情況分析當(dāng)電動(dòng)機(jī)在較大負(fù)載下反轉(zhuǎn)工作時(shí)，與1中情況相反，電流波形如圖2-7b所示。3. 電動(dòng)機(jī)輕載工作情況分析當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作于輕載情況下時(shí)，電樞電流很小，電流波形如圖2-7中c所示，即電流呈波動(dòng)狀態(tài)。在一個(gè)PWM周期0時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管和截止，電樞電流從B向A，如圖2-6中虛線4所示。當(dāng)電樞電流減小到0后，開關(guān)管和開通電樞電流回路如圖2-6中虛線1所示。在時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管和截止。電動(dòng)機(jī)電樞電流波形如圖2-6中虛線2所示。電樞電流逐漸減小，

26、當(dāng)電流減小到0后，開關(guān)管和開通，電樞電流回路如圖2-6中虛線3所示。由以上分析可得，在雙極性驅(qū)動(dòng)情況下，電動(dòng)機(jī)也可以在4個(gè)象限內(nèi)工作。低速時(shí)的震蕩可以消除靜摩擦死區(qū)，但是開關(guān)損耗要大于單極性驅(qū)動(dòng)電路。2.4 本章小結(jié) 本章介紹了直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速的原理。對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型建立，推倒了轉(zhuǎn)速和占空比的關(guān)系，為調(diào)速奠定了理論基礎(chǔ)。詳細(xì)介紹了PWM調(diào)速的原理及實(shí)現(xiàn)方式。分別對(duì)單極性可逆調(diào)速系統(tǒng)和雙極性可逆調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了原理分析和各種工作情況下的波形分析。比較了兩種方式的利弊。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章主要介紹系統(tǒng)的硬件組成。硬件是軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，只有保證硬件系統(tǒng)的可靠性，軟件才可以發(fā)揮作用。本系

27、統(tǒng)主要包括DSP核心控制板和功率驅(qū)動(dòng)板兩部分。本章將以這兩部分進(jìn)行介紹。3.1 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成硬件電路設(shè)計(jì)必須考慮到信號(hào)的可靠性，將系統(tǒng)各部分按照功能劃分為模塊，既可以減少信號(hào)的相互干擾，又可以調(diào)高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。本系統(tǒng)的主要框架如圖3-1所示： 圖3-1系統(tǒng)硬件框圖整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路主要由兩部分組成：DSP核心控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、信號(hào)調(diào)理電路、人機(jī)交互部分組成。（1）DSP核心控制板采用TI公司的TMS320F2812作為控制芯片，是整個(gè)控制板的核心。（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分包括電平轉(zhuǎn)換、光耦隔離、隔離電源、開關(guān)管電路等功能電路。（3）信號(hào)調(diào)理電路包括各個(gè)反饋信號(hào)的整形，濾波，放大等等。3.2

28、 DSP芯片外圍電路設(shè)計(jì)（1）DSP供電電路設(shè)計(jì)DSP最小系統(tǒng)板采用5V電壓供電。TMS320F2812供電電壓分為兩部分：3.3V IO電壓和1.8V內(nèi)核電壓。由于DSP對(duì)電源電壓要求嚴(yán)格，需要選用高精度的供電芯片。同時(shí)對(duì)3.3V和1.8V的電源上電順序有嚴(yán)格要求，不適宜采用雙電壓芯片供電。本系統(tǒng)采用TI公司的PS767D318。該芯片是線性穩(wěn)壓芯片，具有雙通道電壓調(diào)節(jié)器，具有上電檢測(cè)復(fù)位，故障信號(hào)輸出等。同時(shí)輸出3.3V和1.8V電壓，完全滿足DSP工作需要。具體電路圖如圖3-2所示：圖3-2 DSP供電電路設(shè)計(jì)（2）復(fù)位電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)共有三個(gè)復(fù)位信號(hào)，分別是DSP供電芯片PS767D13

29、8產(chǎn)生的兩路復(fù)位信號(hào)和復(fù)位按鍵產(chǎn)生的一路復(fù)位信號(hào)。電源芯片PS767D138可以檢測(cè)輸出電壓，但輸出電壓偏離設(shè)定值時(shí)便會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，以保證DSP的正常工作需求。按鍵復(fù)位用于用戶自定義復(fù)位。三個(gè)復(fù)位信號(hào)通過二極管組成的或邏輯電路，無(wú)論哪個(gè)復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生作用，均可以使DSP復(fù)位。具體電路如圖3-3所示：圖3-3 DSP復(fù)位電路 （3）時(shí)鐘電路系統(tǒng)采用了30M的無(wú)源晶振，通過DSP內(nèi)部PLL將DSP配置在150MHz。具體電路如圖3-4所示。圖3-4 時(shí)鐘電路（4）JTAG電路 為了方便程序的調(diào)試、下載，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了JTAG仿真器下載接口。具體電路如圖3-5所示。圖3-5 JTAG電路3.3 功率板電

30、路設(shè)計(jì)3.3.1 功率板控制部分電路設(shè)計(jì) （1）控制部分電源設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的功率板采用統(tǒng)一的12V電源供電。控制部分需要如下多路電壓，分別是5V，-5V，3.3V。以下結(jié)合具體電路分別說明各個(gè)電壓產(chǎn)生電路。 a.5V電源作為控制部分主體電源。包括外圍電路供電，3.3V產(chǎn)生，-5V產(chǎn)生?？紤]到12V到5V電壓差較大，且5V功率較大。故系統(tǒng)采用了開關(guān)穩(wěn)壓芯片。通過增大輸出濾波電容，可以在保證效率的情況下保證較小紋波。選用LM2596-5.0開關(guān)穩(wěn)壓芯片。LM2596開關(guān)電源降壓型電源管理芯片，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流。同時(shí)具有良好的線性和負(fù)債調(diào)節(jié)性。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為15

31、0KHz。較高的開關(guān)頻率可以減小濾波原件的體積。該器件只需4個(gè)外接元件。具體電路如圖3-6所示。圖3-6 5V電壓產(chǎn)生電路系統(tǒng)部分外設(shè)需要3.3V電壓。如LCD顯示，串口電路等。本系統(tǒng)采用LM1117線性穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3.3V電壓。LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器。其壓差在1.2V。并提供電流限制和熱保護(hù)功能。電路包括1個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在1%以內(nèi)。具體電路如圖3-8所示。由于系統(tǒng)需要運(yùn)用大量運(yùn)算放大器，需要負(fù)電壓。本系統(tǒng)采用正負(fù)5V為運(yùn)放供電。-5V電壓采用負(fù)壓轉(zhuǎn)換芯片ICL7660。ICL7660是Maxin公司生產(chǎn)的小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器。其靜態(tài)電流典型值為1

32、70uA，輸入電壓范圍為1.5-10V，工作頻率為10KHz，只需外接10uF的小體積電容。效率高達(dá)700mA。具體電路如圖3-7所示。圖3-7 -5V電壓產(chǎn)生電路（2）電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路主要用于PWM信號(hào)由DSP輸出到光耦輸入。由于采用TLP250光耦，信號(hào)電信輸入電流要8mA，而DSP典型輸出只有4mA。為了保證系統(tǒng)可靠工作，添加了電平轉(zhuǎn)換電路，提高PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。電平轉(zhuǎn)換芯片選用SN74LVC4245DW。具體電路如圖3-9所示。圖3-9 電平轉(zhuǎn)換電路 （3）串口SCI通信電路TMS320F2812自帶了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串口通信接口，但電平是CMOS電平，不能與PC串口直接通信。

33、需要進(jìn)行串口電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用MAX232專用電平轉(zhuǎn)換芯片。具體電路如圖3-10所示。圖 3-10 串口通信電路（4）人機(jī)交互電路設(shè)計(jì)為了方便系統(tǒng)調(diào)試，使操作更舒適化，系統(tǒng)在人機(jī)交互電路方面采用了LED狀態(tài)指示燈、蜂鳴器、LCD液晶顯示器、矩陣鍵盤等交互部分。具體電路如圖3-11所示。圖3-11 人機(jī)交互部分電路 系統(tǒng)需要多路模擬信號(hào)。包括電機(jī)電流信號(hào)、測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、1.25VADC矯正電壓信號(hào)、2.5VADC矯正信號(hào)。模擬信號(hào)在送入DSP之前需要按照要求進(jìn)行放大，濾波，衰減，抬升等操作。以保證信號(hào)的完整性、正確性。以下以具體電路分別對(duì)本系統(tǒng)的各路信號(hào)處理加以說明。 TMS320F28

34、12具有12位ADC模塊。在實(shí)際工程應(yīng)用中，AD精度往往達(dá)不到12位，往往只有9位左右。為了提高ADC采樣精度，需要對(duì)ADC進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的原理是通過對(duì)已知的兩路電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，計(jì)算出誤差值，然后用計(jì)算的誤差值校準(zhǔn)實(shí)際的采樣值。具體方法在第六章ADC矯正中解釋，本處只對(duì)硬件電路做說明。通過電壓基準(zhǔn)TL431提供兩路電壓基準(zhǔn)，1.25V電壓和2.5V電壓。具體電路如圖3-12所示。如圖3-12，利用電壓基準(zhǔn)芯片TL-431產(chǎn)生2.5V基準(zhǔn)電壓。然后利用電阻分壓，產(chǎn)生1.25V基準(zhǔn)電壓。為了確保TL-431可靠工作，產(chǎn)生可靠的基準(zhǔn)電壓，在電壓進(jìn)入TL-431之前進(jìn)行了LC濾波。同時(shí)輸出側(cè)并聯(lián)了4

35、7uF的電解電容。圖3-12 電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生電路（2）交流測(cè)速信號(hào)調(diào)理電路 本系統(tǒng)采用的是交流三相測(cè)速發(fā)電機(jī)。需要對(duì)三相交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)進(jìn)行整流 、濾波、衰減。具體電路如圖3-14和圖3-15所示。圖3-14交流測(cè)速整流衰減電路如圖3-15所示，在輸出部分，通過肖特基二極管BAV99對(duì)調(diào)理電路輸出信號(hào)進(jìn)行鉗位，防止損壞DSP ADC。具體原理為：當(dāng)運(yùn)放輸出電壓超過3.5V，BAV99上端二極管開通，將電壓鉗位到3.5V，防止電壓繼續(xù)增高損壞DSP。當(dāng)輸出電壓低于-0.2V，BAV99下端二極管開通。本系統(tǒng)其他部分BVA99用法與此處相同。圖3-15 交流測(cè)速信號(hào)濾波電路（3）直流測(cè)速信號(hào)

36、調(diào)理電路考慮到系統(tǒng)的適應(yīng)性，本系統(tǒng)在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加了直流測(cè)速電路。與交流測(cè)速一樣，直流測(cè)速也需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減、濾波等操作。不同的是，直流測(cè)速對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)表現(xiàn)為輸出電壓極性相反。由于DSP只能對(duì)正電壓進(jìn)行采樣，所以需要對(duì)直流測(cè)速電壓進(jìn)行抬升，使之在全范圍內(nèi)均可被DSP采集。具體電路如圖3-16和圖3-17所示。如圖3-16所示，通過TL-431產(chǎn)生2.5V基準(zhǔn)電壓，衰減3倍后通過運(yùn)放放大適當(dāng)倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)1.5V電壓作為直流測(cè)速信號(hào)抬升電壓。圖3-17 直流測(cè)速信號(hào)調(diào)理電路（5）電流采集調(diào)理電路 在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，電流信號(hào)采集至關(guān)重要。本系統(tǒng)采用的是霍爾電流傳感器。該傳感器輸出電壓信號(hào)，具體電

37、路如圖3-18和圖3-19所示。圖3-18 直流測(cè)速電流信號(hào)衰減電路圖3-19 直流測(cè)速電流信號(hào)濾波電路3.3.3 故障保護(hù)電路設(shè)計(jì) 故障保護(hù)電路主要防止系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)超過系統(tǒng)安全承受范圍狀況。一旦產(chǎn)生故障，如上下橋臂直通、母線欠壓、母線過壓、過溫等異常情況時(shí)，通過保護(hù)電路使DSP產(chǎn)生相應(yīng)的措施。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的母線安全電壓范圍為30V80V。a 母線欠電壓、過電壓保護(hù)母線電壓采集通過電阻器進(jìn)行分壓。傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過壓和欠壓保護(hù)多采用基準(zhǔn)電壓和比較器的方法。但是在實(shí)現(xiàn)起來(lái)有諸多不便，體現(xiàn)在：（1）高壓側(cè)電壓較高，產(chǎn)生精確的且與控制電路隔離的基準(zhǔn)電壓不易；（2）比較器需要供電，且電源需要與控制部分

38、隔離。隔離電源實(shí)現(xiàn)麻煩?？紤]到以上方案的弊病，本系統(tǒng)采用了TL-431的特殊用法比較器用法。利用TL-431內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)在不需要外加基準(zhǔn)電壓和比較器的情況下實(shí)現(xiàn)電壓比較功能。具體電路如圖3-20所示。圖3-20 欠壓保護(hù)電路圖3-21 過壓保護(hù)電路下面以欠壓保護(hù)為例進(jìn)行說明：當(dāng)母線電壓VBUS高于30V時(shí)，TL-431的1腳電壓高于2.5V，此時(shí)TL-4312腳和3腳間不開通（此為TL-431特性），光耦發(fā)光二極管上有電流流過，LO輸出低電平。當(dāng)母線電壓VBUS低于30V時(shí)，TL-431的1腳電壓低于2.5V，反之。b 防橋臂直通保護(hù)由于系統(tǒng)功率部分所需的4路PWM波均通過DSP

39、直接產(chǎn)生，死區(qū)也由程序?qū)崿F(xiàn)。為了防止PWM輸出部分出現(xiàn)同一橋臂上下脈沖同時(shí)為高出現(xiàn)橋臂直通現(xiàn)象，本系統(tǒng)對(duì)輸出PWM波做了硬保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)上述異常情況時(shí)，將通過保護(hù)電路封鎖PWM輸出。具體電路如圖3-22所示。圖3-22 PWM輸出保護(hù)電路最終，將欠壓、過壓、PWM故障信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一，輸入到TMS320F2812的驅(qū)動(dòng)保護(hù)PTPINTA端，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。具體電路如圖3-23所示。圖3-23 綜合保護(hù)電路另外，本系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)也進(jìn)行了采集。利用數(shù)字溫度芯片DS18B20，當(dāng)溫度出現(xiàn)故障時(shí)，在程序中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。具體電路如圖3-24所示。圖3-24 數(shù)字溫度采集電路3.3.4 功率電路設(shè)計(jì) （1）本系統(tǒng)采

40、用H橋式電路拓?fù)洹２捎肏橋式電路，可以方便地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，并且可以當(dāng)極性控制及雙極性控制。功率開關(guān)器件采用MOSFET IRF540。 IRF540，N溝道增強(qiáng)型MOS管。采用“Thrench”工藝，使其有低的開通內(nèi)阻，快速開關(guān)，低的熱敏電阻。廣泛采用于DCDC轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源、電視及電腦顯示電源等場(chǎng)合。具體參數(shù)如下：，。由上面參數(shù)看出，IRF540完全滿足本系統(tǒng)所需。具體電路如圖3-25所示。圖3-25 功率主電路圖（2）MOSFET驅(qū)動(dòng)電路考慮到DSP數(shù)字部分工作電壓低，而功率部分工作電壓高。為了防止功率側(cè)高電壓竄入控制側(cè)，引起控制部分損壞，以及威脅試驗(yàn)人員人身安全。功率側(cè)和控制側(cè)

41、的隔離至關(guān)重要。本系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)功率側(cè)和控制側(cè)的隔離。光耦采用TLP-250。具體參數(shù)如下。輸入電流：5mA供電電壓：10-35V工作頻率：25KHz瞬間輸出最大電壓：1.5A。具體電路如圖3-26所示。圖3-26 光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路（3）隔離電源設(shè)計(jì)光耦隔離電路需要隔離電源，本系統(tǒng)采用的是晶源電子公司的B_S-1W/B_D-1W系列隔離電源模塊。通過輸入12V轉(zhuǎn)換為三路隔離的12V輸出電壓。具體電路如圖3-27所示。圖3-27 隔離電源電路3.4 硬件可靠性設(shè)計(jì)隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越復(fù)雜，條件越來(lái)越惡劣，因此系統(tǒng)的可靠性成了必須考慮的因素。系統(tǒng)的可靠性關(guān)系到很

42、多因素。系統(tǒng)的抗干擾性是系統(tǒng)可靠性的主要性能指標(biāo)。如果抗干擾性能不好，將會(huì)引起測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)值波動(dòng)幅度大、系統(tǒng)供電電壓不穩(wěn)等等各種問題，造成系統(tǒng)無(wú)法工作，甚至損壞。本系統(tǒng)主要的干擾源有以下幾方面：(1)DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)，高頻器件造成的電磁輻射干擾；(2)大功率或大電流功率驅(qū)動(dòng)電路，開關(guān)器件開關(guān)過程中造成的電磁干擾；(3)信號(hào)傳輸線之間的交叉干擾；(4)各供電電源的串入干擾。針對(duì)以上四方面的干擾因素，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中采取了以下措施：(1)DSP最小系統(tǒng)板和驅(qū)動(dòng)控制板相隔離。DSP最小系統(tǒng)板是TMS320F2812的最小系統(tǒng)電路。包括時(shí)鐘電路等高頻電路。高頻電路易對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生干擾，

43、所以將最小系統(tǒng)單獨(dú)制板，同時(shí)也便于最小系統(tǒng)板的再利用。（2）開關(guān)驅(qū)動(dòng)部分與信號(hào)處理電路分開布局 功率MOSFET及其驅(qū)動(dòng)光耦工作電壓高，開關(guān)頻率高，是主要的噪聲源。功率板上的信號(hào)處理電路（主要包括霍爾電流采集、測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓采集等）對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求高。因此，將這兩部分分開布局，有助于提高系統(tǒng)的抗干擾性，提高信號(hào)的質(zhì)量。（3）不同的信號(hào)分開布局 將AD采集部分盡量遠(yuǎn)離PWM等高頻部分，減少信號(hào)串?dāng)_。具體電路布局見圖3-28所示。圖3-28 控制板整體布局圖（4）隔離式電源系統(tǒng)采用了數(shù)字電源、模擬電源、功率電源。各個(gè)電源相互隔離，其中數(shù)字電源和模擬電源通過電感進(jìn)行連接。減小了不同電源之間的串入干擾。

44、3.5 PCB實(shí)物展示系統(tǒng)PCB分兩部分：DSP最小系統(tǒng)板和功率控制電路板。下面給出PCB實(shí)物照片。 圖3-29 最小系統(tǒng)正反面圖圖3-30 整體系統(tǒng)電路圖3.6 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了基于DSP的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，DSP核心板和功率驅(qū)動(dòng)板。包括TMS320F2812芯片外圍電路設(shè)計(jì)、人機(jī)交互設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)、功率驅(qū)動(dòng)板電路設(shè)計(jì)及相關(guān)器件選型。最后對(duì)系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計(jì)做了詳細(xì)闡述。第4章 控制策略本系統(tǒng)采用串級(jí)雙閉環(huán)控制策略。其控制原理如圖4-1所示。整個(gè)控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速PID控制器ASR和電流PID控制器ACR兩個(gè)控制器組成。其中ACR控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，ASR控

45、制器作為外環(huán)。外環(huán)的輸出作為內(nèi)環(huán)的給定。利用串級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通過合理的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖 4-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以下將從PID控制器的簡(jiǎn)介，雙閉環(huán)控制器的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字雙閉環(huán)PID控制器的實(shí)現(xiàn)三方面進(jìn)行詳細(xì)說明。4.1 PID控制器簡(jiǎn)介 PID控制器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易，并且具有較強(qiáng)的魯棒性，因而在各種工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。作為一種應(yīng)用范圍很廣的控制規(guī)律，PID在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍然在工控領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。4.1.1 PID控制算法特點(diǎn) 在工業(yè)控制領(lǐng)域，目前采用最多的控制方式仍然是PID控制。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，在寬范圍內(nèi)都

46、有良好的魯棒性。將誤差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成最終控制量，這樣的控制器稱為PID控制器。 作為一項(xiàng)早在上世紀(jì)30年代就出現(xiàn)的控制算法，PID控制器至今得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。特別是隨著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字PID技術(shù)發(fā)展迅速，使PID技術(shù)煥發(fā)了新的活力。截至目前，PID控制仍然是生命力最強(qiáng)、歷史最悠久的控制方式，這是因?yàn)槠湟韵绿攸c(diǎn)： （1）PID控制器原理簡(jiǎn)單，方便使用，參數(shù)整定方法完善，很容易為工程技術(shù)人員掌握。 （2）PID控制算法體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)控制過程中的過去、現(xiàn)在和將來(lái)的主要信息。通過對(duì)P、I、D參數(shù)的合理整定，可以達(dá)到很好的控制效果。 （3）PID控制的魯棒性強(qiáng)。

47、（4）PID控制有很強(qiáng)的適應(yīng)性，在電氣傳動(dòng)、化工、機(jī)械制造、伺服系統(tǒng)等等工業(yè)過程控制部門廣泛應(yīng)用。 （5）PID控制器經(jīng)過數(shù)字發(fā)展后，形成了多種改進(jìn)的控制算法?？梢詫?duì)自身缺陷進(jìn)行改進(jìn)。正是由于上述優(yōu)勢(shì)，使得PID控制仍然是電氣傳動(dòng)和過程控制中最廣泛的控制算法。4.1.2 PID控制器結(jié)構(gòu)和原理 PID控制器是一種基于“比例，積分，微分”信息的簡(jiǎn)單有效控制算法。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理圖如5-2所示：圖5-2 模擬PID控制簡(jiǎn)圖PID控制器根據(jù)給定值rin(t)與輸出值yout(t)得到偏差： （4-1）模擬PID控制輸出為： （4-2）其傳遞函數(shù)為： （4-3）式中 比例系數(shù)； 積分時(shí)間常數(shù)；

48、 微分時(shí)間常數(shù)；PID個(gè)環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反應(yīng)偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：用于消除系統(tǒng)誤差。積分時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。（3）微分環(huán)節(jié)：用于反應(yīng)偏差信號(hào)變化的趨勢(shì)即變化速率，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。4.2 雙閉環(huán)控制器簡(jiǎn)介 采用單個(gè)轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱單閉環(huán)系統(tǒng)）可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，當(dāng)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性要求較高，比如：突加負(fù)載、突減負(fù)載、快速啟動(dòng)、快速制動(dòng)等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。主要原因是在單閉環(huán)中不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。為此，在電機(jī)允許的最大電

49、流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，充分利用電機(jī)的過載能力，在加速過程中始終保持電流為允許的最大值與負(fù)載想平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。其起動(dòng)過程波形如圖5-3所示，啟動(dòng)電流呈方型波，轉(zhuǎn)矩按線性增長(zhǎng)。圖4-3 理想的快速啟動(dòng)過程 為了使電機(jī)電流按照?qǐng)D4-3所示的波形變化，按照控制規(guī)律，采用電流負(fù)反饋可以得到近似的恒流過程。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)分別起作用，可在系統(tǒng)中再加入電流調(diào)節(jié)器，即使用轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者實(shí)行嵌套，如圖4-1，把轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作為電流環(huán)的輸入，作為給定。再利用電流環(huán)的輸出控制電力電子器件。便形成了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器。4.3 PID控制算法的數(shù)字化 4.3.1 PID控制

50、算法數(shù)字化 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)有足夠高的采樣頻率時(shí)，可以先按照模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再進(jìn)行離散化。就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。對(duì)模擬PID控制器進(jìn)行離散化處理，即對(duì)式（4-3）用后向差分近似代替微分，得 （4-4）省略采樣周期，即記為，則 （4-5）式中，是積分系數(shù)；是微分系數(shù)。式（4-5）是位置式PID控制算法。由式（4-5）得 （4-6）式（5-5）與式（5-6）相減，得 （4-7） 式（4-7）即為增量式PID算法。 位置式PID和增量式PID本質(zhì)上是一致的。對(duì)比式（4-5）和式（4-7），位置式PID需要對(duì)此次采樣以前所有的誤差信號(hào)進(jìn)行求和，而

51、增量式PID只需要計(jì)算出每一次的增加量，相比之下，計(jì)算量小，容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)此，對(duì)增量式PID優(yōu)勢(shì)做一下介紹。（1）只需計(jì)算出每一次誤差的增量，節(jié)省單片機(jī)內(nèi)存和運(yùn)算時(shí)間。（2）每次只對(duì)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算誤差影響小。（3）每次輸出只增加，誤動(dòng)作產(chǎn)生的誤差小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。但增量式PID也有其不足之處，有靜態(tài)誤差等。在實(shí)際應(yīng)用中究竟使用位置式PID還是增量式PID，要看執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)成特性。如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有積分特性部件（如具有此輪傳遞特性的位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)等），應(yīng)該采用增量式PID控制算法；反之沒有積分特性部件，則該采用位置式PID控制算法。4.3.2 數(shù)字式PID控制算法的實(shí)現(xiàn)過程 在應(yīng)用計(jì)算

52、機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制算法時(shí)，實(shí)現(xiàn)過程如圖4-4和圖4-5所示。圖5-4 位置式PID的實(shí)現(xiàn) 圖5-5 增量式PID的實(shí)現(xiàn)4.3.3 數(shù)字PID參數(shù)整定 數(shù)字系統(tǒng)參數(shù)的整定有兩種方法：直接設(shè)計(jì)法和間接設(shè)計(jì)法。當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以把數(shù)字系統(tǒng)近似看成模擬系統(tǒng)，先按模擬系統(tǒng)理論來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后離散化，得到數(shù)字控制算法，這是按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，或稱為間接設(shè)計(jì)法。如果采樣頻率雖然能基本符合采樣定理的要求，但并不足夠高，或者對(duì)控制性能要求較高，就必須考慮采樣保持因素，根據(jù)離散控制系統(tǒng)理論來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器這是按離散系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，或稱直接設(shè)計(jì)法。本系統(tǒng)采樣頻率為10KHz，采樣頻率足夠高，可以按照間接設(shè)計(jì)法來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)。在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)前，首先要確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能。本系統(tǒng)調(diào)節(jié)器按照工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)，本著先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的設(shè)計(jì)思想，其過程如下。a電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)：為了實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)穩(wěn)態(tài)時(shí)沒有靜差，以得