人人文库网 > 图纸下载 > 毕业设计 > 基于DSP电机控制方法研究【电子类】【19张图纸】【优秀】

霍尔元器件.dwg

基于DSP电机控制方法研究【电子类】【19张图纸】【优秀】

资源目录

基于DSP电机控制方法研究【电子类】【19张图纸】【优秀】.rar

霍尔元器件.dwg---(点击预览)

霍尔传感器电路的设计.dwg---(点击预览)

过流的保护电路设计.dwg---(点击预览)

过压保护电路的设计.dwg---(点击预览)

计划周记进度检查表.xls---(点击预览)

基于DSP电机控制方法研究论文.doc---(点击预览)

基于DSP电机控制方法研究开题报告.doc---(点击预览)

光电耦合电路的设计.dwg---(点击预览)

任务书.doc---(点击预览)

两两导通转矩手里分析.dwg---(点击预览)

sci电路的设计.dwg---(点击预览)

QEP电路的设计.dwg---(点击预览)

pwm电机驱动电路.dwg---(点击预览)

JATG接口电路设计.dwg---(点击预览)

CAN电路的设计.dwg---(点击预览)

电路流程图23张.rar

设计公式.rar

压缩包内文档预览：

编号：273117 类型：共享资源大小：1.98MB 格式：RAR 上传时间：2014-04-24 上传人：上*** IP属地：江苏

35
积分

版权申诉 word格式文档无特别注明外均可编辑修改；预览文档经过压缩，下载后原文更清晰！ 立即下载

关键词：: 基于 dsp 电机机电控制节制方法

资源描述：

基于DSP电机控制方法研究

55页 19000字数+说明书+任务书+开题报告+19张CAD图纸【详情如下】

CAN电路的设计.dwg

JATG接口电路设计.dwg

pwm电机驱动电路.dwg

QEP电路的设计.dwg

sci电路的设计.dwg

两两导通转矩手里分析.dwg

任务书.doc

光电耦合电路的设计.dwg

基于DSP电机控制方法研究开题报告.doc

基于DSP电机控制方法研究论文.doc

振荡电路的设计.dwg

时钟的设计.dwg

欠压保护.dwg

电机电源的设计.dwg

电流检测.dwg

电源的设计.dwg

电路流程图23张.rar

电路的设计.dwg

编码器.dwg

计划周记进度检查表.xls

设计公式.rar

过压保护电路的设计.dwg

过流的保护电路设计.dwg

霍尔传感器电路的设计.dwg

霍尔元器件.dwg

摘要

　　　随着DSP技术的发展，DSP的应用范围越来越广，并且伴随着数字化的发展，对电机的控制的精度要求越来越高，DSP数字化处理能力也得到了质的飞跃。所以学会应用DSP时非常重要的。

　　　本文详细讨论了无刷直流伺服电机，并推述星形接法的数学模型，并设计了数字控制无刷直流伺服电机总体方案，本文采用PID控制方法来控制电机，详细介绍了PID控制算法。

　　　对DSP种类进行了简单的介绍，并选择以TMS320F2812为基准构建硬件平台，设计了DSP供电电源设计，驱动电路的设计，PWM光电耦合隔离电路的设计，电流的采样电路的设计，对DSP进行保护电路的保护电路的设计等。

　　　在CCS环境下，对程序进行编辑，编写PID控制算法程序，对系统的初始化，编码器模块初始化，捕捉模块的初始化，SCI模块的初始化，以及对数字滤波进行编程。

关键词：DSP；CCS；PWM；无刷直流伺服电机

摘要III

AbstractIV

目录V

1 绪论1

1.1 本课题的研究内容和意义1

1.2 国内外的发展概况1

1.3 本课题应达到的要求2

2 电机的选择及其结构3

2.1 步进电机3

2.3 选择电机5

2.4 本章小结5

3 无刷直流电机的工作原理及数学模型6

3.1 无刷直流电动机的结构6

3.2 无刷直流伺服电动机的位置检测装置6

3.2.1 霍尔传感器7

3.2.2 定子绕组连接方式7

3.2.3 开关管控制方法9

3.3 无刷直流电机的暂态数学模型10

3.4 本章小结11

4 控制方案的总体设计12

4.1 控制方案的框图简介12

4.2 无刷直流伺服电动机实现控制的方法12

4.2.1 数字PID控制算法13

4.2.2 数字控制器设计的方法14

4.2.3 工程设计调节器的步骤14

4.3 PWM信号产生技术14

4.4 编码器15

4.5 电机相电流检测技术17

4.6 本章小结17

5 DSP的选择及相应的硬件设计18

5.1 DSP芯片TMS320F2812的特点18

5.2 控制硬件的设计19

5.3 DSP外围电路的设计19

5.3.1 电源的设计19

5.3.2 DSP的晶体振荡器接口电路20

5.3.3 时钟电路的设计20

5.3.4 JTAG电路的设计21

5.3.5 异步串行接口（SCI）硬件的设计21

5.3.6 CAN总线接口硬件设计22

5.4 功率驱动逆变电路的设计22

5.4.1 IR2130芯片具有以下一些特点22

5.4.2 IR2130结构原理图23

5.5 电机驱动的设计24

5.5.1 自举电容的选择和计算25

5.5.2 PWM驱动信号隔离电路25

5.6 霍尔传感器信号电路27

5.7 正交编码脉冲信号电路28

5.8 控制器保护电路设计28

5.9 本章小结30

6 控制系统的设计31

6.1 控制系统设计的基本原则31

6.2 软件的设计31

6.3 DSP集成开发环境CCS31

6.4 主程序的设计32

6.4.1 系统初始化模块37

6.4.2 事件管理器模块38

6.4.3 捕捉模块（cap）39

6.4.4 QEP正交编码器脉冲电路40

6.4.5 ADC模数转换模块41

6.4.6 SCI模块42

6.4.7 PID算法流程图如所示44

6.4.8 电流采样数字滤波45

6.5 本章小结46

7 结论与展望47

7.1 结论47

7.2不足之处及未来展望47

致谢48

参考文献49

1 绪论

1.1 本课题的研究内容和意义

　　　随着科学技术的不断进步，现代机电系统的运动状态越来越复杂，系统控制的要求也越来越高。电动机控制越来越多的应用电动机控制技术，电动机计算机控制具有数值运算，逻辑判断及信号处理功能。

　　　DSP有为实现某一具体特定功能设计的不可编程DSP，如FFT变换器；还有可以通过实现编程实现不同的信号处理功能，具有通用性和灵活性的可编程DSP。

　　　可编程DSP作为面向信号处理任务和计算型任务器件，既可以单独应用，又可以和其他的处理器或多个DSP一起，构成多处理器系统，使用灵活，适应性强。DSP系统设计结构简单。

　　　DSP控制电机有以下优点：灵活性好，实时性好，存储能力强，逻辑运算能力强，精度高，稳定性好，可靠性高，具有自诊断能力，抗干扰性强，功能多。

　　　DSP控制无刷直流伺服电动机。随着电子技术的发展，微型处理器的发展，其运算速度及信息量的处理及可靠性和稳定性有了很大的提高，单片机以数字控制能力强为特点，但只能处理简单的系统。DSP以运算速度快为显著特点。如今电机控制对控制器要求有强大的I/O控制功能，又要求控制器有高效的数字信号处理能力以实现实时控制的目的。如今DSP价格不断降低且开发工具不断的简化，易于开发者使用。使得如今在实现控制高要求的同时，其使用成本也不断降低。　　　目前，我国的DSP产品主要来自于海外。1983年TI公司的第一代产品TMS32010最先进入中国市场，以后TI公司通过提供DSP培训课程，使该公司DSP产品的市场份额不断扩大。现在TI公司的DSP产品约占国内市场的90%。

　　　相对于国外应用开发的情况，我国还存在着相当大的差距。近年来，在国内一些DSP专业用户的推动下，DSP的应用在我国日渐普及。除此之外，国内许多高校相继建立了DSP实验室，开设了相关的课程，这对DSP在我国的发展期了关键作用。

　　　进入21世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入增长期，市场呈高增长姿态，普及率提高，从而带动了DSP吃长的高速发展。

　　　未来的10年，全球的DSP产品将向着高性能，低功耗，加强融合和拓展多种应用的趋势发展，DSP芯片将越来越多的渗透到各个电子产品当中的，成为各种产品尤其是通讯类电子产品技术的核心[1]。

　　　 (1)DSP的内核结构将进一步改善；

　　　 (2)DSP和微处理器的融合；

(3)DSP和高档CPU融合；

　　　 (4)DSP和FPGA的融合；

　　　 (5)DSP的并行处理；

　　　 (6)功耗越来越低。

1.3 本课题应达到的要求

　　　 (1)熟悉DSP的发展历程；

　　　 (2)熟练掌握DSP的原理以及硬件结构；

　　　 (3)熟练掌握DSP根据设计要求设计相应的外围电路；

　　　 (4)掌握DSP集成开发环境CCS；

　　　 (5)能够熟练使用C语言进行编程；

　　　 (6)熟练使用CCS开发软件。

QQ截图20131121103816.gif

内容简介：: 无锡太湖学院信机系机械工程及自动化专业毕业设计论文任务书一、题目及专题：1、题目基于DSP电机控制方法研究 2、专题二、课题来源及选题依据20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，有力的推动和促进了DSP技术的飞速发展。在过去20年间DSP技术在电机的控制和通讯等领域得到了飞速的发展。DSP数字信号处理时利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行分析，采集，合成，变换，滤波，估算，压缩，识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输和应用。与模拟信号相比，数字信号处理具有精确，灵活，抗干扰能力强，可靠性高，体积小，易于大规模集成等特点。在现代社会机械加工对精度的要求日益提高的情况下，DSP利于实现电机的精确控制来实现。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：1.熟悉DSP的发展历程； 2.熟练掌握DSP的原理以及硬件结构； 3.熟练掌握DSP根据设计要求设计相应的外围电路； 4.掌握DSP集成开发环境CCS； 5.能够熟练使用C语言进行编程； 6.熟练使用CCS开发软件。四、接受任务学生：机械94 班姓名马龙五、开始及完成日期：自2012年11月12日至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名签名签名教研室主任学科组组长研究所所长签名系主任签名2012年11月12日I编号无锡太湖学院毕业设计（论文）相关资料题目：基于DSP电机控制方法研究信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：陈浩（职称：高级工程师） 2012年5月25日目录一、毕业设计（论文）开题报告二、毕业设计（论文）外文资料翻译及原文三、学生“毕业论文（论文）计划、进度、检查及落实表”四、实习鉴定表无锡太湖学院毕业设计（论文）开题报告题目：基于DSP电机控制方法研究信机系机械工程及自动化专业学号： 0923163 学生姓名：马龙指导教师：陈浩（职称：机械工程师） 2012年11月14日课题来源自拟。科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等）（1）课题的意义20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，有力的推动和促进了DSP技术的飞速发展。在过去20年间DSP技术在电机的控制和通讯等领域得到了飞速的发展。DSP数字信号处理时利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行分析，采集，合成，变换，滤波，估算，压缩，识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输和应用。与模拟信号相比，数字信号处理具有精确，灵活，抗干扰能力强，可靠性高，体积小，易于大规模集成等特点。在现代社会机械加工对精度的要求日益提高的情况下，DSP利于实现电机的精确控制来实现。随着科学技术的不断进步，机电产品的功能日益强大，现代机电系统的运动状态也越来越复杂，系统控制的要求也越来越高。电动机控制越来越多的应用电动机控制技术，电动机计算机控制具有数值运算，逻辑判断及信号处理功能实现一些新的控制方法，新的功能和特性。使用数字信号处理器是指面向信号处理任务的实时处理应用而设计的一类特殊的微处理芯片。它在信号处理过程中承担按算法完成信号的处理任务。DSP有为实现某一具体特定功能设计的不可编程DSP，如FFT变换器；还有可以通过实现编程实现不同的信号处理功能，具有通用性和灵活性的可编程DSP。可编程DSP作为面向信号处理任务和计算型任务器件，既可以单独应用，又可以和其他的处理器或多个DSP一起，构成多处理器系统，使用灵活，适应性强。DSP系统设计结构简单。DSP控制无刷直流伺服电动机。随着电子技术的发展，微型处理器的发展，其运算速度及信息量的处理及可靠性和稳定性有了很大的提高，单片机以数字控制能力强为特点，但只能处理简单的系统。DSP以运算速度快为显著特点。如今电机控制对控制器要求有强大的I/O控制功能，又要求控制器有高效的数字信号处理能力以实现实时控制的目的。如今DSP价格不断降低且开发工具不断的简化，易于开发者使用。使得如今在实现控制高要求的同时，其使用成本也不断降低。研究内容熟悉DSP的发展历程。熟练掌握DSP的原理以及硬件结构。熟练掌握DSP根据设计要求设计相应的外围电路。掌握DSP集成开发环境CCS。能够熟练使用C语言进行编程。熟练使用CCS开发软件。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析（1）实验方案采用TI公司的2000系列，采用TMS320F2812来实时控制无刷直流伺服电机（2）研究方法用CCS软件仿真和CCS编程研究计划及预期成果研究计划：2012年11月12日-2012年12月25日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书。2013年1月11日-2013年3月5日：填写毕业实习报告。2013年3月8日-2013年3月14日：按照要求修改毕业设计开题报告。2013年3月15日-2013年3月21日：学习并翻译一篇与毕业设计相关的英文材料。2013年3月22日-2013年4月11日：DSP控制电机硬件的设计。2013年4月12日-2013年4月25日：DSP控制电机程序的编辑。2013年4月26日-2013年5月21日：毕业论文撰写和修改工作。预期成果：达到预期的实验结论：能够实现对无刷直流伺服电动机的实时控制。特色或创新之处结构简单，能够实现所需要的功能。思路清晰，简洁明了，行之有效。已具备的条件和尚需解决的问题实验方案思路已经非常明确，已经具备使用DSP基本原理，及其应用，以及一些基本的硬件设计。使用CCS软件编程的能力尚需加强。指导教师意见指导教师签名：年月日教研室（学科组、研究所）意见教研室主任签名：年月日系意见主管领导签名：年月日编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目：基于DSP电机控制方法研究信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：（职称：高级工程师） 2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）基于DSP的控制伺服电机是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班级：机械94 学号： 0923163 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日摘要随着DSP技术的发展，DSP的应用范围越来越广，并且伴随着数字化的发展，对电机的控制的精度要求越来越高，DSP数字化处理能力也得到了质的飞跃。所以学会应用DSP时非常重要的。本文详细讨论了无刷直流伺服电机，并推述星形接法的数学模型，并设计了数字控制无刷直流伺服电机总体方案，本文采用PID控制方法来控制电机，详细介绍了PID控制算法。对DSP种类进行了简单的介绍，并选择以TMS320F2812为基准构建硬件平台，设计了DSP供电电源设计，驱动电路的设计，PWM光电耦合隔离电路的设计，电流的采样电路的设计，对DSP进行保护电路的保护电路的设计等。在CCS环境下，对程序进行编辑，编写PID控制算法程序，对系统的初始化，编码器模块初始化，捕捉模块的初始化，SCI模块的初始化，以及对数字滤波进行编程。关键词：DSP；CCS；PWM；无刷直流伺服电机IIIAbstractWith the development of DSP technology, DSP application scope is more and more wide. With the development of digital control is higher and higher, The ability of digital handle has own a qualitative leap.So learn to apply DSP is very important.This paper discusses the brushless DC servo motor in detail .The paper describes the mathematical model of the star connection. I designed the general planning of digital control the brushless DC servo motor, this paper adopts the PID control method to control the motor and introduces the PID control in detail.First the article introduces the DSP types simply and select the hardware platform what is based on TMS320F2812 .I designed the DSP power supply. I designed the drive circuit and the PWM photoelectric coupling isolation circuit.I also designed the sampling circuit and the current of protection .At last I designed the protection circuit.In the CCS environment, I edited the program and written in PID control algorithm.I also completed the initialization of system,the initialization of encoder module , the initialization of capture module ,the initialization of SCI module , and programming of the digital filter.Keywords: DSP; CCS; PWM; brushless DC servo motorI目录摘要IIIAbstractIV目录V1 绪论11.1 本课题的研究内容和意义11.2 国内外的发展概况11.3 本课题应达到的要求22 电机的选择及其结构32.1 步进电机32.3 选择电机52.4 本章小结53 无刷直流电机的工作原理及数学模型63.1 无刷直流电动机的结构63.2 无刷直流伺服电动机的位置检测装置63.2.1 霍尔传感器73.2.2 定子绕组连接方式7 3.2.3 开关管控制方法93.3 无刷直流电机的暂态数学模型103.4 本章小结114 控制方案的总体设计124.1 控制方案的框图简介124.2 无刷直流伺服电动机实现控制的方法12 4.2.1 数字PID控制算法134.2.2 数字控制器设计的方法144.2.3 工程设计调节器的步骤144.3 PWM信号产生技术144.4 编码器154.5 电机相电流检测技术174.6 本章小结175 DSP的选择及相应的硬件设计185.1 DSP芯片TMS320F2812的特点185.2 控制硬件的设计195.3 DSP外围电路的设计195.3.1 电源的设计195.3.2 DSP的晶体振荡器接口电路205.3.3 时钟电路的设计205.3.4 JTAG电路的设计215.3.5 异步串行接口（SCI）硬件的设计215.3.6 CAN总线接口硬件设计225.4 功率驱动逆变电路的设计225.4.1 IR2130芯片具有以下一些特点225.4.2 IR2130结构原理图235.5 电机驱动的设计245.5.1 自举电容的选择和计算255.5.2 PWM驱动信号隔离电路255.6 霍尔传感器信号电路275.7 正交编码脉冲信号电路285.8 控制器保护电路设计285.9 本章小结306 控制系统的设计316.1 控制系统设计的基本原则316.2 软件的设计316.3 DSP集成开发环境CCS316.4 主程序的设计326.4.1 系统初始化模块376.4.2 事件管理器模块386.4.3 捕捉模块（cap）396.4.4 QEP正交编码器脉冲电路406.4.5 ADC模数转换模块416.4.6 SCI模块426.4.7 PID算法流程图如所示446.4.8 电流采样数字滤波456.5 本章小结467 结论与展望477.1 结论477.2不足之处及未来展望47致谢48参考文献49I基于DSP电机控制方法研究1 绪论1.1 本课题的研究内容和意义随着科学技术的不断进步，现代机电系统的运动状态越来越复杂，系统控制的要求也越来越高。电动机控制越来越多的应用电动机控制技术，电动机计算机控制具有数值运算，逻辑判断及信号处理功能。DSP有为实现某一具体特定功能设计的不可编程DSP，如FFT变换器；还有可以通过实现编程实现不同的信号处理功能，具有通用性和灵活性的可编程DSP。可编程DSP作为面向信号处理任务和计算型任务器件，既可以单独应用，又可以和其他的处理器或多个DSP一起，构成多处理器系统，使用灵活，适应性强。DSP系统设计结构简单。DSP控制电机有以下优点：灵活性好，实时性好，存储能力强，逻辑运算能力强，精度高，稳定性好，可靠性高，具有自诊断能力，抗干扰性强，功能多。DSP控制无刷直流伺服电动机。随着电子技术的发展，微型处理器的发展，其运算速度及信息量的处理及可靠性和稳定性有了很大的提高，单片机以数字控制能力强为特点，但只能处理简单的系统。DSP以运算速度快为显著特点。如今电机控制对控制器要求有强大的I/O控制功能，又要求控制器有高效的数字信号处理能力以实现实时控制的目的。如今DSP价格不断降低且开发工具不断的简化，易于开发者使用。使得如今在实现控制高要求的同时，其使用成本也不断降低。1.2 国内外的发展概况DSP芯片诞生于20世纪70年代末，至今已经得到了突飞猛进的发展，目前经历了三个发展阶段。第一阶段，DSP的产生阶段（20世纪）。DSP芯片出现之前，数字信号的处理是依靠通用微处理器（MPU）来完成。由于通用微处理器的处理速度较低，难以满足实时高速处理的要求。由于具有内部单周期的乘法器，使得芯片的运算速度与数据处理能力及运算精度受到了很大的限制。TI公司的第一代DSP芯片TNS32010，它通过改进哈佛结构，允许程序存储空间与数据存储空间之间的数据相互传输，大大提高了运算速度和编程的灵活性。第二阶段，DSP的成熟阶段（20世纪90年代），这个时期，国际上许多著名集成电路公司都相继推出了自己的产品。如TI公司的TMS320C20，30，40系列,AT&T公司的DSP32等。DSP成熟阶段的DSP器件在硬件结构上相比于DSP雏形阶段更加适合对数字信号处理，新加了进行硬件乘法功能，硬件傅里叶变换功能和单指令滤波处理功能，单指令的周期是80-100ns。如TI公司的TMS320C20，它是该公司推出的第二代DSP处理器，采用了CMOS的制造工艺，使得DSP的的运算能力和速度，以及他的储存能力都得到成倍的提高，为未来语音的处理和图像的硬件处理技术发展奠定了基础。第三阶段，DSP完善阶段（21世纪后）。DSP不仅信号处理能力不断的到加强和完善，而且系统开发的更加实用，容易被用户所应用、DSP程序的编辑更加的灵活，调试也越来越方便、应用DSP所需要的成本相比从前不断下降。随着技术的发展使得各种通用外设集成到片上，从而大大的提高了数字信号处理能力。目前，DSP芯片已经广泛应用到自动控制、图像处理、网络设备和仪器仪表等领域中，为数字信号处理打下了高效而可靠的硬件基础。目前，我国的DSP产品主要来自于海外。1983年TI公司的第一代产品TMS32010最先进入中国市场，以后TI公司通过提供DSP培训课程，使该公司DSP产品的市场份额不断扩大。现在TI公司的DSP产品约占国内市场的90%。相对于国外应用开发的情况，我国还存在着相当大的差距。近年来，在国内一些DSP专业用户的推动下，DSP的应用在我国日渐普及。除此之外，国内许多高校相继建立了DSP实验室，开设了相关的课程，这对DSP在我国的发展期了关键作用。进入21世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入增长期，市场呈高增长姿态，普及率提高，从而带动了DSP吃长的高速发展。未来的10年，全球的DSP产品将向着高性能，低功耗，加强融合和拓展多种应用的趋势发展，DSP芯片将越来越多的渗透到各个电子产品当中的，成为各种产品尤其是通讯类电子产品技术的核心1。 (1)DSP的内核结构将进一步改善； (2)DSP和微处理器的融合； (3)DSP和高档CPU融合； (4)DSP和FPGA的融合； (5)DSP的并行处理； (6)功耗越来越低。1.3 本课题应达到的要求 (1)熟悉DSP的发展历程； (2)熟练掌握DSP的原理以及硬件结构； (3)熟练掌握DSP根据设计要求设计相应的外围电路； (4)掌握DSP集成开发环境CCS； (5)能够熟练使用C语言进行编程； (6)熟练使用CCS开发软件。2 电机的选择及其结构每一个传动控制系统，都必须有控制电机基本元件，主要是用于完成控制信号的传递与变换。控制电机可以做为执行元件或是测量元件。现在市场主要有步进电机和伺服电机。2.1 步进电机步进电机又可以叫电脉冲马达。步进电机是将电脉冲控制信号转换成电机转子角位移的执行元件。每当电机绕组接受一个电脉冲，转子就会转过一个相应的步距角。它每接受一个脉冲，其转子转过一个相应的步距脚。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。步进电机应满足以下基本要求:在电脉冲的控制下，步进电机能迅速启动，正反转，制动和停车，调速范围宽，步进电机的步距角要小，步距精度要高，不丢步，不越步，工作频率高，相应速度快2。步进电机的矩角特性，即控制绕组通电状态不变时，电磁转矩与转子偏转角的关系。（2.1）图2.1步进电机矩角特性步进电机的最大动态转矩频率的关系成为矩频特性。如下图所示，在一定的控制范围内，随着频率的升高，步进电机的功率和转速都相应的提高，超出范围则随频率升高转矩下降，步进电机带负载的能力逐步下降，知道带不动。图2.2 步进电机矩频特性2.2 伺服电机伺服电机又称执行电机，在控制系统中作为执行元件，其功能是将电信号转换为轴上的角位移或角速度输出，以带动控制对象。通过改变电压的大小和极性，就可以控制伺服电动机的转速，转向，启动和停止2。伺服电机中又可分为直流伺服电机和交流伺服电机。直流伺服电机的基本结构和工作直流他励电动机。通常分为电磁式和永磁式两种。图2.3 直流伺服电机的机械特性图2.4 直流伺服电机的调节特性曲线直流伺服电机具有良好的线调节特性和时间响应。机械特性硬。2.3 选择电机直流伺服电机的机械特性和调节性能都是线性的，机械特性硬，而交流的是非线性的。直流伺服电机的动态响应会比交流伺服电机的快。直流伺服电机不会产生自转，但是交流伺服电机可能会产生自转现象，故本文选择直流伺服电机。2.4 本章小结熟悉市场上所拥有的电机，并对它们大概进行了了解，并对步进电机和交流伺服电机进行比较，然后对伺服电机进行详细介绍，并对直流和交流伺服电机进行详细的比较。择无刷直流伺服电动机作为控制电机。3 无刷直流电机的工作原理及数学模型3.1 无刷直流电动机的结构一种用电子换向的小功率直流电机。又可称为无整流子直流电机、无换向器电机。它是用功率开关管取代普通直流电动机中的机械换向器，从而构成无换向器的直流伺服电动机。这种无刷直流伺服电动机的结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声比较低，广泛应用于现代生产设备1。无刷直流伺服电动机由于没有电刷和换向器弥补了以前机械换向器稳定性问题以及对通讯设备的干扰问题。它主要有电动机转体，转子位置传感器和功率电子开关电路组成电器原理图如下图所示：图3.1 直流伺服电机原理图无刷直流伺服电动机将电枢放在定子上，把转子做成永磁体，一直产生稳定的磁场，通过上述的办法可以减去机械换向器，从而提高系统的稳定性，无刷直流伺服电机的结构与普通直流伺服电动机的结构相反；如果定子上的电枢通上电流时，由于电压不会改变，所以定子电枢上的只会产生稳定不变的磁场，由于转子也是产生不变的磁场，所以电机最多只会旋转90度。为了使电动机转起来，必须让定子电枢产生一个能稳定变化的磁场，这样转子才能跟着变化的磁场旋转，可以讲定子变化的磁场与转子永磁磁场始终保持一定的角度，并产生稳定的转矩是电机不断的旋转起来。综上所述，组成直流无刷电机各主要部件包含：(1)电机主体：主定子、主转子； (2)电子开关线路：功率逻辑开关、位置信号处理； (3)位置传感器：传感器定子、传感器转子。无刷直流电机是永磁同步电机的一种。它产生的反电势是方形波。英文简称BLDC。无刷直流电动机算是在交流伺服电动机的范畴。3.2 无刷直流伺服电动机的位置检测装置无刷直流电机要实现正反转，要根据转子位置信号确定电枢绕组的正确换向，是的定子电枢绕组所产生的磁场与转子的旋转磁场始终保持在90度的范围内。位置传感器可分为两种，直线和角位移式。常用的直线位移传感器有直线位移定位器等，它的特点是工作原理简单、测量精度高和可靠性强；角位移传感器式具有可靠性高、成本低。角位移器还可使用增式光电编码器。如今转子位置传感器主要分为：敏感式、耦合式、谐振式、接近式。(1)敏感式：利用敏感元件来检测转子的位置信息，并用输出电信号来控制各相的导通；常用的敏感元件有光敏式位置传感器，例如光电二极管和光电三极管和磁敏式位置传感器，例如霍尔元件，磁敏二极管和磁敏三极管；(2)耦合式：变压器耦合和高频空心线圈耦合等；(3)谐振式：谐振电路是电感和电容等元件组成的，如果和谐振相等时，共振现象输出最强，以达到控制电枢通断的能力；(4)接近式：主要有接近开关。3.2.1 霍尔传感器由于无刷直流伺服电动机的转子采用的是永磁体，因此常用磁敏式霍尔传感器来检转子的位置。每相绕组都有一个霍尔传感器。霍尔位置传感器输出的逻辑信号经过逻辑处理后，可以实现功率控制器上的开关通断顺序控制。霍尔效应：将矩形半导体薄片置于磁场中，在薄片两端通以控制电流I，则在薄片的另外两侧就会产生一个电势E，这就是霍尔效应。霍尔电势与控制电流的关系： (3.1) 当磁感应强度与霍尔元件的平面法线方向成一定角度时： (3.2)霍尔电势很小，霍尔元件传感器是将霍尔元件与放大电路结合起来制成霍尔集成放大电路图3.2 霍尔集成电路内部原理图3.2.2 定子绕组连接方式(1)非桥式（半桥式）半控型：图3.3 三相半桥主电路图3.4 四相半桥主电路(2)桥式全控型：图3.5 星形连接三相桥式主电路图3.6 三角形联结三相桥式主电路3.2.3 开关管控制方法位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。二二导通方式：开关管的导通顺序决定共有6种导通状态，间隔60电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通120电角度，每相绕组导通240当V1 ,V2导通时，电流的线路为：电源 V1 A相绕组 C相绕组 V2 地。其中A相绕组和C相绕组相当于串联.这种连接方式。比半桥方式绕组的利用率增加了，输出转矩也增加了。三三导通方式：开关管的导通顺序决定共有6种导通状态，间隔60电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通180电角度，导通的时间增加了。当V1 ,V2， V3导通时，电流的线路为：电源 V1V3 A相绕组和B相绕组C相绕组V2地，其中A相绕组和B相绕组相当于并联，在与C相串联.因为三相同时通电，产生的转矩分量互有抵消，所以总的转矩并不比二二导通方式大。半桥与全桥驱动之间的比较：(1)绕组的利用率断续通电是无刷直流电动机的绕组的通电方式，适当提高绕组的通电率可以提高效率。四相比我三相差，无相比四相差，半桥比全桥差。(2)转矩波动相数越多，转矩波动越小，全桥的转矩波动比半桥的小。(3)电路成本相数越多所需要的开关管越多，所需要的成本就越高。半桥结构和成本都比全桥低。目前市场上，星形联结三相全桥应用就广泛。两两导通方式：电机旋转一周共有六次绕组换相，相邻两次换相时刻转矩夹角60。按照规定顺序旋转下去，电机就可以旋转下去，无刷直流电机转矩是脉动的，输出转矩是一个平均转矩。图3.7 无刷直流电动机的转矩图3.3 无刷直流电机的暂态数学模型由于稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电势以及电流是非正弦的，因此不能采用直、交铀坐标变换的分析方法。通常，直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型。当绕组是星形接法时，且没有中性线，则：且：带入模型，有： (3.3)其中：是定子相电压； M两相绕组互感； L两相绕组自感； E相感应电动势； P微分算子。电磁转矩： (3.4) (3.5) 电磁功率为： (3.6)即 (3.7)E为电枢绕组电势 I为相电流稳态值。转子的运动方程为： (3.8)J电机的转动惯量。B为阻尼系数。 (3.9)无刷直流电机的传递函数如下图所示图3.8 传递函数由无刷直流电机动态结构图可求其传递函数为： (3.10)其中式中：K1为电势传递系数， Ce是电动势系数。K2为转矩传递函数， Ct是转矩系数，R为电动机电阻。Tm为电机时间常数， G转子重量，D转子直径。3.4 本章小结本章主要介绍无刷直流伺服电机的结构，以及对一些位置传感器的介绍，然后对霍尔传感器进行介绍。探讨无刷直流伺服电机绕组的连接方式的选择，并对他们之间进行了比较，以及对无刷直流伺服电机它的传递函数进行了研究。4 控制方案的总体设计4.1 控制方案的框图简介图4.1 控制结构图功率驱动装置：采用功率开关管来控制。主要采用IR2130电子驱动装置建立三相逆变桥电路，它的优劣对系统的精度有直接作用。信号处理电路：对电机产生霍尔传感器信号，增量式编码器的输出信号进行处理。电机保护电路：有欠压，过压，检测错误逻辑。DSP控制器：对信号进行逻辑运算，并且发出逻辑控制信号。4.2 无刷直流伺服电动机实现控制的方法无论对于直流电机还是交流电机，在实际应用中，采取PID控制方法对电机实时调速。 PID是一种线性控制器。PID具有简单而固定的形式，在较宽的操作条件范围内都能保持很好的鲁莽性，通过调节参数来满足系统所需的要求。如图4.2所示：图4.2 PID控制流程图P:比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出。I:积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差。D:微分控制系统的稳定性，具有超前控制。传递函数形式： (4.1) Kp比例系数 Ti积分时间常数 -微分时间常数4.2.1 数字PID控制算法(1)位置式PID控制算法按PID算法控制算法，以下一系列的采样时刻点代表连续的时间t，以一阶向后差分近似代替微分，以矩形法数值积分来近似代替积分，即： (4.2)由上式可得离散PID公式为： (4.3)式中：,T为采样周期，k为采样信号，k=1,2,3,4。缺点：由于采用全量输出，所以每次输出与过去的状态有关，计算时要对进行累加。计算机输出控制量对应的是执行机构的实际位置偏差。如果位置传感器发生故障，会引起执行机构的巨大变化。要避免这种情况可以采用增量式PID空置算法。(2)增量式PID控制算法PID控制算法公式为： (4.4) 如果计算机采用恒定的采样周期T，一旦A,B.C确定只要使用使用前后三次采样值就可以求出控制量。计算量减少很多。可以满足控制系统实时性的要求。(3)积分分离加积分修正系数PID数字控制当控制量与实际量偏差较大时，取消积分作用，避免系统超调，影响系统的稳定性。当被控量接近给定量时引用积分消除静态误差，提高系统的稳定性。输出量超过限幅值时，减少积分环节，引用积分系数。应用在启动的过程中。缩短调节时间，减小超调量，提高系统快速响应。假设系统设定的幅值为系统最大输出值最小输出值为理论输出值实际输出值： (4.5) (4.6) (4.7)4.2.2 数字控制器设计的方法(1)利用离散控制控制系统的设计方法，直接求数字控制Z变换，然后将其变为差分方程。(2)利用连续系统的设计方法。如：二阶最佳，三阶最佳的设计方法，求出模拟调节器的传递函数，最后离散化，最后求得差分方程。(3)求出模拟调节器的传递函数，求得Z变换，求出脉冲传递函数，最后得出差分方程。由于若采样频率足够高，数字控制与连续系统性能基本相同，故选择方法2。二阶最佳：模最佳三阶最佳;对称最佳.4.2.3 工程设计调节器的步骤(1)选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态要求，在选择调节器结构式，要是系统成为少量典型系统之一。(2)计算调节器的参数，以满足动态性能要求。4.3 PWM信号产生技术霍尔传感器位置如图所示图4.3 霍尔传感器的位置图根据无刷直流电机的工作原理，位置信号可以通过检测三个霍尔传感器得到。每一个霍尔传感器都会产生一个180脉宽的输出信号，三个霍尔传感器的有120相位差。每个机械转动一周有6个上升或下降沿，正对应6个换相时刻。通过将DSP设置为双边沿触发捕捉中断功能，就有6中方式。表4-1 顺时针通断情况序号换相控制器各开关管的通断情况相电流HAL1HAL2HAL3 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6ABCH1上升101PWMON进出OFFH3上升100PWMON进OFF出H2上升110ONPWMOFF进出H1下降010PWMON出进0FFH3下降011ONPWM出OFF进H2下降001PWMON进OFF出表4-2 逆时针通断情况序号换相控制器各开关管的通断情况相电流HAL1HAL2HAL3 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6ABCH1上升101PWMON出进OFFH3上升100ONPWM出OFF进H2上升110PWMONOFF出进H1下降010PWMON进出0FFH3下降011PWMON进OFF出H2下降001ONPWMOFF进出从上表可以看出电机转子旋转一周需要6次换相，换相时隔60度。只要按顺序切换通断开关管电机就能旋转起来。根据两次换相时间，粗略估计当前转速 (4.8)有时候需要电机停留在固定位置，并且需要一定的转矩。我们可以通过开关管保持现有状况，并通过一定大小的电流，产生转矩。电流大小可以通过改变PWM占空比来实现。4.4 编码器编码器的工作原理及作用：它是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。表4-3 编码器的性能参数参数数值旋转一周脉冲数500通道数3最高工作频率100 续表4-3参数数值电源 5V10%相位移动 90e逻辑状态宽度最小45e信号上升和下降时间180ns 40ns零位脉冲宽度90e运行的温度0-70e最大加速度250000rad/s通道的最大输出和最小输出电流20mA和-20mA 图4.4 编码器的工作原理图从上图可得知，A,B两个波形相差90。根据A,B两个相位差可以判断出编码器的转向。I是编码器旋转一周所输出的脉冲。因为DSP内部有自动集成四倍频电路，将外部编码器的输出信号进行倍频处理，这样可以提高精确性。由于是DSP自带四倍频功能，不需要外部搭建四倍频电路所以这无疑提高了系统的稳定性及可靠性。利用编码器在周期所产生的脉冲数出，可以计算出电动机的转速，可以根据KA和KB之间相差的角度，来确定电动机的正反转。 QEP计算方法：脉冲间隔法和脉冲积分法。脉冲间隔法：在两个码盘脉冲间隔内插入已知频率的高频脉冲，计算高频脉冲的个数，从而计算出转速。其中：插入的高频脉冲的频率。M为脉冲每转个数。N为内高频脉冲的个数。特点：假设高频脉冲频率一定时，高于那个转速编码器无法测量。脉冲积分法：在一定的采样周期内，将来自编码器的脉冲串用计数器累计，然后计算电机转速。其中为采样间隔时间，m为在采样时间内的脉冲数，M码盘每圈的脉冲数。特点：假设周期内只有一个脉冲，则n计算出的就是能够检测到的最小转速。两者互补，数字控制有M/T。将两者方法结合。既能测高速又能测低速。4.5 电机相电流检测技术利用电阻分压技术来检测电机相电流。由于采用三角形连接，每次通电只有两相通电，故将电阻R放置在接地端，以便来实现电流的反馈。每个PWM周期内对电流进行一次检测。当PWM处于OFF时，那个常开的开关管与二极管形成回路，并不经过检测电阻故不能进行电流的反馈。当PWM处于ON周期内，由于电流上升不稳定，可能会导致检测不稳定。所以采样的时间选择在PWM周期的ON期间的中部。可以利用DSP的定时器采用连续增减技术方式时周期匹配事件启动ADC转换实现。图4.5 电流采样图4.6 本章小结本章大概对DSP控制电机做了简单的描述，并在控制电机的算法上做了详细的表达，本文采用了PID控制算法，实现对电机一种调节。然后分别介绍了霍尔传感器在电机中的位置及其相应的作用，还介绍了编码器的工作原理及其计算转速的方法，最后对电流的检测进行了详细的解释。5 DSP的选择及相应的硬件设计从80年代DSP推出以来，迅速发展，产品种类最多，工作速度越来越快。在中国使用最普遍的是美国TI公司的TMS320系列。 TMS320系列包含C2000，C5000系列，C6000系列。C2000系列，主要用于数字控制；C5000系列，主要用于功耗低，便于携带的通讯设备；C6000系列，主要用于高性能复杂的通讯系统；TMS320F2812是目前最好的定点处理芯片。5.1 DSP芯片TMS320F2812的特点(1)高性能的CMOS技术，150MHz时钟频率，低功耗设计（核心电压1.8V，I/O端口电压3.3V）；(2)高性能CPU,1616，和32位的乘法累加运算器，增强型的哈佛总线结构；(3)片上存储器，128K16位Flash存储器，1K16位OPT型只读存储器，两个4K16位的单机随即存储器，一块8K16位SARAM，两块1K16位SARAM；(4)外部中断扩展模块，可支持45个外部中断；(5)三个32位CPU定时器；(6)两个事件管理器EVA,EVB；(7)串行接口外设，串行外设接口SPI；(8)12位ADC，2个8通道的输入多路转换器，两个采样保持器，单/双路同步采样；(9)最多可以有56个可编程通用输入输出引脚；(10)高级仿真性能，设置和分析断点功能，实时硬件调试功能3。5.2 控制硬件的设计图5.1 控制原理图DSP控制部分，电机驱动装置，通信设备，检测装置。整个系统硬件电路主要有四部分组成：DSP控制部分、电机驱动部分，电机和上位计算机部分。(1)DSP控制部分主要完成PID算法的运算、对反馈信号进行处理以及产生控制信号的成；(2)电机驱动部分主要根据DSP发出的控制信号完成对电机的控制。同时，还包括反馈信号的处理电路和电机保护电路；(3)上位机部分：通过SCI接口实现DSP与上位机的数据通信。两者互相传送数据；(4)电机部分：实现系统的要求，并向DSP发出霍尔传感器的信号4。5.3 DSP外围电路的设计5.3.1 电源的设计所有的地最终都要连在一起，原则是要在远端共地，而且只能单点共地。共地时可以通过一个磁珠（就是电感），也可以不用。但是一定记住，单点共地，远端共地（一般在电路板的电源入口附近）。应用板仅有一个外部5V电源供电。由于TMS320F2812 DSP芯片的供电电压只能是3.3V，核心CPU电压为2.5V和1.8V，所以在设计应用板时，需将5V电压变换为3.3V,2.5V和1.8V给CPU供电，因此使用了电压转换元件TPS76D318作为转换芯片5。图5.2 供电电源电路的设计5.3.2 DSP的晶体振荡器接口电路TMS320F2812DSP应用板应用了一个20MHZ晶体振荡器，如下图所示，但是晶体振荡器产生的电平是3.3V，而TMS320F2812DSP芯片的时钟使用的电平是1.8V，所以必须对输出时钟进行电压的变化才能将两者相连，如下图所示采用SN74LVC1G14芯片进行变换。DSPTMS320F2812具有锁相环的功能，它把一个较低频率的外部时钟转变为片内的较高的时钟。锁相环的倍频可以通过编程来实现（对PLLCR寄存器进行编程）。在使用50MHz的外部时钟，如果锁相环得到的倍频为3，即可获得X1/CLKIN*3=150MHz的CPU时钟。图5.3 晶体振荡电路的设计5.3.3 时钟电路的设计F28X提供了两种产生时钟的方案：其一;利用电路板上内部晶体振荡器或利用外部时钟。由于DSP要求的时钟信号质量比较高，所以采用了30MHz的有源晶振TXC DEL0430MHz，它的供电范围宽，由于DSP要求时钟输入信号电平为1.8V，所以我们选择1.8V的有源晶振。通过PLL的倍频功能，将DSP配置在150MHz。图5.4 时钟电路的设计5.3.4 JTAG电路的设计TMS320F2812DSP应用板有一个14引脚的接口P5，该接口是标准的JTAG仿真接口，用来调试DSP硬件和软件。JTAG接口电路硬件如图所示。图5.5 JATG电路的设计5.3.5 异步串行接口（SCI）硬件的设计TMS320F2812 DSP有两个片上的异步串行接口，该串行可以外接MAX232串行接收芯片，以便与外部串行接口信号相连。标准的引脚功能如下表所示：表5-1 标准异步串行接口引脚功能引脚号PC（公插头）TMS320F2812应用板2Rx，inputTx,output3Tx,outputRx，input4DTR,outputReset/CTS,input5CTDGND8CTD,inputRTS,outputDSP芯片自身带有两个标准的串行通信接口，但是电平为CMOS电平，与RS一232总线电平不匹配，不能直接与PC串口连接。为了解决这个问题，本文采用TI公司生产的MAX232专用电平转换芯片。如图使用一个8通道的总线接口芯片SN74AHC245DW。图5.6 SCI电路的设计5.3.6 CAN总线接口硬件设计CAN接口器件与TMS320F2812 DSP的硬件连接电路如下图所示。使用一片SN65HVD232接受器来实现与TMS320F2812 DSP之间的通信。在电路中，使用一个4引脚的插头P6。图5.7 CAN接口电路的设计5.4 功率驱动逆变电路的设计IR2130可用来驱动工作在母线电压不高于600V的电路中的MOSFET或IGBT，适合于不同功率驱动的场合。IR2130作为信号的前级驱动，将其应用在三相混合式步进电机驱动系统中做驱动信号的转换。5.4.1 IR2130芯片具有以下一些特点(1)可直接驱动高达600V电压的高压系统，输出端具有dV/dt抑制功能；(2)最大正向峰值驱动电流为250mA，反向峰值驱动电流为500mA；(3)具有电流放大和过电流保护功能，同时关断六路输出；(4)自动产生成上、下侧驱动所必需的死区时间（2.5s）；(5)具有欠压锁定功能并能及时关断六路输出；(6)2.5V逻辑信号输入兼容6。IR2130的内部结构如图1所示,引脚定义VCC为输入电源, HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3为输入端,FALUT为故障输出端, ITRIP为电流比较器输入端，CAO为电流放大器输出端, CA-为电流放大器反向输入端,VSS为电源地,VSD为驱动输出地,L01、LO2、LO3为三路低侧输出,VBB、VB2、VB3为三路高侧电源端，HO1、HO2、HO3为三路高侧输出端，VS1、VS2、VS3为高端侧电源地。使用IR2130的注意点：(1)由于IR2130的主电路直接和检测电流的输入端相连,而且外部电流很容易产生感抗，所以检测电流电阻做好使用无感电阻；(2)由于IR2130 采用的驱动方式是不隔离的，如果主电路功率器件损坏,驱动电路里高压将窜入IR2130里，造成IR2130报废, 严重时会将IR2130 的前级电路击穿。所以来自微处理器的输入信号必须与IR2130之间加上隔离电路。而且根据设计自举电路的参数的选择的注意事项，尤其是自举二极管与自举电容，栅极电阻选择是必须要认真考虑。在布线方面与PCB的布局也有严格要求，比如在自举电容上怎样减小引脚和PCB引线上生成的电感，可以从以下几个方面来保证不产生电感：(1)两个功率器件之间用粗线进行连接，尽量减少环路；(2)单点连接IR213O的地和功率地，同时考虑功率地和逻辑地的单点连接；(3)与距离功率器件之间的距离越小越好，自举电容与驱动也是越近越好。5.4.2 IR2130结构原理图在正常工作的时候,输入的6 路逻辑控制信号经内部的3个输入信号处理器处理,下桥臂功率管的信号L1-L3经过驱动器功放后,被送到功率器件上。当上桥臂功率管的信号H1-H3使能是，必须先经过电平移位器中的自举电路进行电位变换后, 将信号变为电位悬浮的驱动信号然后再经过锁存器的电压检验之后,最后送到输出驱动器后才能将信号加载到驱动的功率管上。当电流发生过流时，输入端口TRIP电流检测端口，如果检测到电压大于0.5V，驱动管就会迅速的封锁所有的信号的输出，让IR2130的输出都是低电平，以达到保护功率管的功能;与此同时IR2130的FAULT引脚的电平也会被拉低，向DSP发出出错的信号。如果工作电源低压或欠压，驱动管就会迅速的封锁所有的信号的输出，让IR2130的输出都是低电平，以达到保护功率管的功能;与此同时IR2130的FAULT引脚的电平也会被拉低，向DSP发出出错的信号。以免造成低压对IR2130造成的破坏。无论何时只要发生故障后，IR2130会保持故障闭锁状态，以直等到故障的清除。故障清除的方式：LIN1-LIN3信号输入端LIN1-LIN3同时被输入高电平7。图5.8 IR2130原理结构图5.5 电机驱动的设计电机功率驱动部分的原理图，IR2130驱动由IRF640组成的三相逆变桥式驱动电路。根据芯片手册的要求，退耦电容C33应至少是自举电容容量的10倍关系。电路采用了10uF的电解电容。经实验验证IR2130可以正常工作。图5.9 驱动电路的设计5.5.1 自举电容的选择和计算电容的特性是防止电压不能突变，当外部供电电压突然消失或者突然供电如果有一个电容它能防止电压的突变，总有一个充放电的过程，在这个过程中产生电压自举的功能。假如有一个12V的电路，电路中需要使用15V的电压来驱动一个场效应管，在这里通过自举来实现上面所需要的要求。自举电路通过一个电容和一个二极管，电容的作用是存储电压，二极管的作用是防止电流倒灌，如果在频率较高的电路中时候，自举电路的电压=电路输入的电压+电容上的电压，这样能起到升压的功能。自举电容的选择问题：系统对电压的要求；驱动对静态电流的要求；栅极源漏电电流的大小；自举电容漏电流的大小；电容需要的最小负荷： (5.1) 。再根据电容最小的负荷来求出自举电容的最小容量： (5.2) (5.3) 5.5.2 PWM驱动信号隔离电路因为DSP控制板的工作电压电流都比较低，驱动板的电压比较高，如果驱动板的高压大电流进入DSP控制板会烧化控制板。为了提高系统的安全性和可靠性，利用PWM的光电隔离电路将控制板和驱动板分离出来，PWM信号首先经过74HC245总线缓冲器，它的作用是限制DSP的输入输出电流，以此来保证输出电压及电流在DSP所能接受的范围内。从74HC245输出的信号再经过TLP521光电藕合器。光电藕合器的作用是信号隔离，从而使PWM信号只能从一端去向另一端，同时可以吧PWM信号的电平从3.3V提高到5V。因为使用TLP521的光耦隔离器，会使PWM信号中会出现一点变形，所以利用74HCl4施密特触发器的功能来处理输出信号，得到比较理想的PWM信号，并传递到IR2130的驱动输入端。74HC245 是一种三态输出、八路信号收发器,主要应用于大屏显示,以及其它的消费类电子产品中增加驱动。TLP521是可控的光电耦合器件，光电耦合广泛应用于测量仪器，影印机，家用电器上。它的作用在于增加安全性，减小电路干扰，减少电路的设计。图5.10 74HC245接线图图5.11 TPL521连接图5.6 霍尔传感器信号电路 J1作为霍尔传感器的信号接口。由于霍尔传感器的信号是集电极开路输出，所以设计了5K的上拉电阻。如下图所示。由于电机在工作时信号中肯定会有许多噪音干扰，为了提高信号质量，采用了简单的RC滤波电路来提高信号的质量问题，由于DSP的端口输入电压是3.3V.故采用电压分组的办法。图5.12 霍尔传感器信号电路5.7 正交编码脉冲信号电路图5.13 正交编码器信号电路5.8 控制器保护电路设计保护电路主要是为了避免电压过高以及其他一些能对系统损坏的事件对系统进行损坏。如果有过压欠压、过电流、IR2130工作异常等故障信号时，DSP会结束所有的输出，来防止对外部事件对系统的破坏。采用电阻分压来设计比较电压值。图5.14 电机供电电源图5.15 过压保护电路图5.16 欠压保护电路图5.17 过流保护电路5.9 本章小结本章对DSP的种类进行了分析以及选择了DSP的类型，设计相应的电路，如：pwm驱动电路，供电电源的电路设计，can电路的设计，SCI电路的设计等。并设计相应的过流，欠压，高压保护。6 控制系统的设计6.1 控制系统设计的基本原则 (1)最大限度的满足被控对象的要求； (2)在满足要求的前提下，力求使控制系统简单，经济，维修方便； (3)保证系统的安全可靠性； (4)控制软件实时性的要求； (5)控制软件易于修改8。6.2 软件的设计软件的设计根据转子的霍尔传感器所产生的位置信号和反馈电流对电机进行PWM控制。软件设计最常用的是模块化设计，根据技术要求可以分为以下的模块：系统初始化模块，PWM驱动模块，CAP霍尔传感器捕捉模块，QEP模块，SCI模块，ADC转换模块10。(1)系统初始化模块：初始化一些必要的系统寄存器，来保证系统的正常的进行；对全局变量进行初始化。每个系统工作必须先初始化系统，系统才能正常的运行；(2)PWM驱动模块：主要是根据设置的参考速度的要求产生所需要的占空比来控制电机转速和转矩；(3)CAP捕获模块：记录捕获输入引脚上的转换，实时捕捉从霍尔传感器上输出的HALL信号，根据HALL信号的状态，计算出电机转子的位置。而且可以根据相邻两次信号跳变的时间间隔，大概的计算出电冬季机的转速值；(4)QEB模块：主要是对增量式光电编码器的输出的脉冲信号进行四倍频处理，并对处理后的脉冲信号进行计数。根据QEP1和QEP2中哪个领先来判断电机的正反转。通过脉冲计数和脉冲频率计算电机的角速度。并且用于速度环的反馈环节；(5)ADC采样模块：主要用于模数转换。对电流环的采样周期进行计算，对电流反馈信号进行采样，并对采集到的电流进行RC滤波处理，减少设备产生噪声的对系统的干扰，提高信号的转换精度11；(6) SCI模块：主要是用于处理器之间的信号传递。DSP通过SCI接收上位机传送过来的指令信息，同时通过SCI将控制系统的信息反馈回上位机；(7) PDPINAT功率保护模块：用是捕捉系统错误信号，并且完成软件中断控制，提高系统的安全性和可靠性12。6.3 DSP集成开发环境CCSCCS的概述CCS（Code Composer Studio）是一门为TI公司的TMS320系列量身定做的DSP集成开发环境。在WINDOWS系统的操作系统环境下，CCS采用图形接口界面，环境配置，源文件的编译，程序的调试，跟踪和数据分析的功能。用户可以再CCS软件的环境下完成编译，连接，调试等工作2。CCS工作模式：软件仿真器和硬件在线编程模式。软件仿真器可以让调试脱离DSP芯片，在电脑上模拟DSP的指令集和工作机制名主要用于前期算法和调试，硬件在线编程模式可以实时在DSP芯片上运行，而且还可以和硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。TI公司主要有CCS1.10，CCS1.2.,CCS2.0，CCS2.1等不同时期的版本，针对不同的系列对应有DSP器件可以分为：C2000,C3000,C5000，C6000等不同的版本，各个版本差别不是很大。一般情况下一种版本的CCS软件仿真器只适用于一般系列的DSP芯片。CCS的主要功能：(1)具有集成可视化代码编辑界面；(2)含有集成代码生成工具；(3)高性能的编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，是用户很容易阅读；(4)工程项目管理工具对用户实行项目管理；(5)支持C源代码级调试；(6)断电工具；(7)探测点工具。用于实时监控；(8)分析工具。模拟器分析和仿真器分析；(9)数据的图形显示工具，将运算结果用图形显示；(10)提供GEL工具，可以利用GEL扩展语言；(11)支持多DSP的调试；(12)支持RTDX技术，实时的进行数据的交换；(13)提供DSP工具，增强对代码的实时分析能力1。6.4 主程序的设计主程序的流程图图6.1 主程序的流程图调用子程序流程图图6.2 子程序调用流程图#include”target.h”#include”DSP28x_Device.h”#include”bldc3.h”#include”parameter.h”#include”buid.h”#include#includeint TIME=0; /变量的定义；int HALL=0；int CAP_NEW=0;int CAP_CMP=0;int CAP_OLD=0;int Count=0;int QEP_CNTNEW;int QEP_CMP;int QEP_CMP1;Int SPEED=20;int SPEED_CAP=0；int SPEED_dataCount；int SPEED_fdbDATATIME；int SPEED_fdb；int16 average_value(BUFF);/调用函数的声明。int pid_calc();void main(void) InitSysCtrl(); /初始化系统控制寄存器，看门狗，锁相环，时钟等模块。 EALLOW; /解除寄存器保护。 SysCtrlRegs.HISPCP.all=Ox0000;/设置外设高速时钟=SYSCLOUT/1。 EDIS; /禁止对受保护寄存器进行写操作。 DINT; /关中断 IER=Ox0000; IFR=Ox0000; Parameter（）;/参数初始化 PWM_Init(&pwm);/PWM驱动模块初始化 Cap_Init(&cap);/CAP模块初始化 ADC_Init();/ADC模块初始化 QEP_Init();/正交编码器初始化 InitCpuTimers0;/CPU timeO初始化。 SCIB_Init();/SCI-B初始化。 EALLOW； GpioMuxRegsGPGMUXbitSCIRXDB_GPIOG5=1；/使能SCIB接收端口。 GpioMuxRegsGPGMUXbitSCITXDB-GPIOG4=1；/使能SCIB发送端口。 EDIS; RUN_start（）; /启动电机模块。 InitPieCtrl(); /初始化外设扩展单元控制器。 InitPieVectTable(); /初始化中断向量表。 IER =M_INT9; /使能9组中断。 IER =M_INT3; /使能3组中断。 IER =M_INT1; /使能1组中断。 IER =M_INT2; /使能2组中断。 ENIT; /使能全局中断。 Kickdog（）; /复位开门狗。 EALLOW; SysCtrlRegs.WDCR.all=Ox0028; /允许对WDCR寄存器进行写操作。 EDIS; While(1) EALLOW; SysCtrlRegs.WDKEY=0x55; SysCtrlRegs.WDKEY=0xAA; /WD复位密匙寄存器清除WDCNRT。 EDIS; for(;) if(PIEIFR5.7= =1|PIEIFR5.6= =1|PIEIFR5.5= =1) CAP_NEW=EvaRegs.T2CNT; / 将T2计数器里的值写入CAP_NEW中。 CAP_CMP=CAP_NEW-CAP_OLD ； /计算相邻两个HALL信号之间的T2计数器的计数值。 TIME_T2INT=65536*T2INT_Flag；/计算中断的时间。 TIME=T2PR+TIME_T2INT; /计算间隔总的时间。 SPEED_CAP=60(TIME/(150*E7)*3*CAP_CMP)； /粗略计算电机的转速。 CAP_OLD=CAP_NEW; /将新值写入旧值。 T2INT_Flag=0； /清除T2中断计数器。 SPEED_dataCount=SREED_CAP; /将算的数值写入SPEED_data数组。 Count+； /自增一。 HALL3=cap.read（&cap）； /调用读取函数。 pwm.SWITCH.state=HALL3; /获得换相控制字。 Pwm.updata(&pwm); /换相，调用pwm函数。 EALLOW; GPAMUX.all=Ox0700； /恢复CAP捕捉功能。 EDIS; EvaRegs.EVAIFRc.all=OxOOOF; /清除捕获中断标志。 PIEACK.all=Ox0FFF; /使能PIE块。QEP_CNTNEW=EvbRegs.T4CNT；/将计数器里的值写入QEP_CNTNEW。QEP_CMP=QEP_CNTNEW-QEP_CNTOLD；/求间隔时间里编码器计数的值。if(EvbRegs.GPTCONB.bit.T4STAT= =1）/通用定时器4的状态时递增计数。 if(QEP_CMP0) QEP_CMP1=QEP_CMP; else if(QEP_CMP0)QEP_CMP1=0xFFFF+QEP_CMP；/根据寄存器的状态来重新更新编码器的值。if(EvbRegs.GPTCONB.Bit.T4STAT=0)/通用定时器4的状态时递减计数。if(QEP_CMP0)QEP_CMP1=0xFFFF-QEP_CMP；/根据寄存器的状态来重新更新编码器的值。 SPEED_fdb=60000*QEP_CMP1/6000; /运用脉冲积分法求点击的转速。 SPEED_fdbDATATIME=SPEED_fdb; /将编码器运算的速度存入DATA中。 TIME+; /计数TIME自增一。buff0=AdcRegsADCRESULT0; /输入电流值。buff1=AdcRegsADCRESULT1;buff2=AdcRegsADCRESULT2;buff3=AdcRegsADCRESULT3;buff4=AdcRegsADCRESULT4;buff5=AdcRegsADCRESULT5;buff6=AdcRegsADCRESULT6;buff7=AdcRegsADCRESULT7;currenbuff0=AdcRegsADCRESULT0;input=Int16 average_value(BUFF) COUNT_1+; /电流调节计数计数。 COUNT_2+; /速度调节计数计数。 COUNT_3+; /位置调节计数计数。if(COUNT_3= =1000) /位置环调节50ms，输出速度参考值。pid_calc()；Pwm.updata(&pwm);COUNT_3=0；if(COUNT_2=60)/速度环调节3ms，输出电流参考值。pid_calc()；Pwm.updata(&pwm);COUNT_2=0；if(COUNT_= =3) /电流环调节100us，根据调节值输出PWM占空比。pid_calc()；Pwm.updata(&pwm);COUNT_1=0；If（EvaRegs.ACTRA.all=0x0FFF）/关闭PWM。break；6.4.1 系统初始化模块该模块主要配置了DSP的系统工作时钟，配置锁相环倍频系数设为3，CPU的时钟为150MHz，配置高速外设时钟为75MHz，低速外设时钟为375MHz，使能系统用各外设时钟输入。376.4.2 事件管理器模块每个事件管理器模块包括通用定时器(GP),全比较/PWM单元，捕获单元（CAP），以及正交编码脉冲倍频电路（QEP）。用比较单元和PWM电路产生PWM波形，脉冲调制信号（PWM）是一种脉冲，它的脉宽可以不断变化，脉冲调制信号由期PWM波形在固定长度的周期内生成，在每个周期中都会产生一个脉冲。这个固定周期叫PWM（载波）周期，其倒数为载波频率。在电动机的数字控制电机系统中，PWM被用来通过占空比来控制功率开关管的通断的时间，为电机绕组提供所需的能量，相电流和相电压的形式和频率以及提供给电机绕组的能量控制电机所需的转速和转矩。调制信号的频率一般比PWM载波要低的多。死区在许多电机控制中，两个功率器件被串联放在一个功率转换支路上，为了避免击穿失效，两个器件打开周期必须不能重叠。在一个三极管的关断和另一个三极管导通之间插入一个死区，这段时间延时允许一个三极管在别的三极管导通之前完全关断。这个所需的时间延时由功率三极管的开关特性应用的负载性来决定13。空间向量PWM指的是一个三相功率变换器中六个功率三极管的一种特殊的开关电路。三相交流电动机绕组产生的最准确的电流谐波。三相交流伺服电动机提供更加有效的供电电压。再EV模块中有内置的硬件电路，这样可以最大程度的简化控制电机的PWM波形。为了生成空间向量，必须对一下的寄存器进行设置：(1)对ACTRx寄存器进行写操作，选择比较输出引脚类型。(2)对COMCONx寄存器进行修改来使能空间向量模式和比较模式。(3)将EvaRegs.GPTCONx.bit.T2STAT或者T1STAT置一14。而后，必须确定二维平面中电动机的各相的输出电压。PWM频率为20KHz，则定时器1周期寄存器的值写入Ox0753。空间向量PWM波形关于每个PWM周期的中间对称。如下图所示：PWM模块寄存器比较控制寄存器（COMCONA）。动作控制寄存器（ACTRA）。I通用定时器控制寄存器（GPTCONA）。单个通用控制寄存器（TxCON）。死区控制寄存区A（DBTCONA）。图6.3 PWM发生匹配图空间向量PWM模块的初始化void PWM _Init（&pwm） EvaRegs.T1PR=Ox0753;/初始化T1周期寄存器 EvaRegs.T1CON=Ox9040; /定时器初始化，禁止定时器比较，递增，使用自己的周期。 EvaRegs.ACTRA.all=0x0FFF; /PWMl6引脚的输出强制为高 EvaRegs.GPTCONA.all=Ox0000; /默认值 EvaRegs.COMCONA.all=0xA200; /使能比较输出 EvaRegs.DBTCONA.all=Ox0A7A; /配置死区，使能死区定时器，并规定死区值为/8us. EALLOW； GpioMuxRegs.GPAMUX.all|=0x003F;/使能PWMl6引脚 EDIS； EvaRegs.T1CNT=Ox0000; EvaRegs.T1CMPR=Ox0000; /清除定时器1计数器和比较寄存器。 6.4.3 捕捉模块（cap）事件管理器一共有6个捕获单元，每个事件管理器有三个捕获单元。每个捕获输入引脚均可选择GP定时器1或2作为事件基准，CAP1和CAP2不能选择不同的定时器作为他们的时间基准16。捕获单元的设置：初始化捕获FIFO状态寄存器（CAPFIFOx），清除专门状态位。设置选定的GP定时器为一种操作模式。如果需要，设置相应的GP定时器比较比较寄存器或GP定时器周期寄存器。设置相应的CAPCONA或CAPCONB。主要用到的寄存器如下：捕获控制寄存器CAPCONA;捕获FIFO状态寄存器CAPFIFOx;定时器2控制寄存器T2CON；定时器2周期寄存器T2PR6个可屏蔽的中断标志位，每个标志位对应一个捕获单元。3个施密特触发器输入引脚。6个2级深的FIFO栈，每个对应一个捕获单元13。6.4.4 QEP正交编码器脉冲电路每个事件管理器模块都有一个正交编码器脉冲电路。当QEP电路被使能时，所在的事件管理器的捕捉功能将被禁止。故此选择EVB。QEP电路的时间基准可以由通用定时器4提供。通用定时器必须设置成定向的增/减计数模式，并以QEP电路作为时钟源。正交编码器脉冲电路的寄存器设置：为GP定时器4的计数器，周期和比较寄存器载入设定的值。设置T4CON单通道定时器寄存器，将定时器4设置成定向的增/减计数模式，以正交编码器脉冲电路作为时钟源并使用通用定时器4。配置CAPCONA寄存器以使能正交编码器脉冲电路15。QEP模块寄存器：IEVA中断标志和屏蔽寄存器（EVAIFRA和EVAIMRA）。单通道定时器4（GPTCONA）。通用定时器（T4CON）。捕捉控制寄存器（CAPCONB）。 6.4.5 ADC模数转换模块在C28x器件初始化后，使能ADC模块时钟。设置寄存器，将ADCREFP和ADCREFM引脚设置为输入。默认情况下,ADCREFP和ADCREFM之间输出，在ADC上电前设置其方向，以避免冲突。按照推荐给ADC上电。ADC转换增益，电压范围为0-3V，因此ADC电压转换的增益可以写为：。对于理想的ADC转换来说，其增益应该为1，但是通常ADC转换会存在一些误差，因此实际的转换增益可以写为：数字结果=MAX.对ADC寄存器进行设置：ADC控制寄存器：ADC控制寄存器1（ADCTRL1），ADC控制寄存器2（ADCTRL2），ADC控制寄存器3（ADCTRL3）17。最大转换通道寄存器：ADCMAXCONV。自动排序状态寄存器：ADCASEQSR。ADC输入通道选择排序寄存器：CHSELSEQn。ADC转换结果缓冲寄存器:RESULTn。 void ADC_Init(void)AdcRegs.ADCTRL3.all=Ox0100; /设置寄存器ADCTRL3的第8位。 asm(“rpt #10|nop”); /为外部参考的使能提供时钟。AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCBGRFDN=3; /给带隙和参考电路上电。DELAY_US(ADC_usDELAY); /ADC上电前的延时。AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCPWDM=1; /ADC上电复位。DELAY_US(ADC_usDELAY2); /ADC上电延时。AdcRegs.ADCTRLl.bit.SUSMOD=3;/仿真挂起时，序列发生器和其他轮询程序逻辑立/刻停止。AdcRegs.ADCTRL1.bit.ACQ_PS=O; /1个采样窗宽度。AdcRegs.ADCTRL1.bit.CPS=0； /核心时钟预分频器=1。AdcRegs.ADCTRLl.bit.CONT RUN=0; /启动停止运行模式。AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCCLKPS=2; /ADCCLK=375MHz(75*2/4)。AdcRegs.ADCTRL3.bit.SMODE SEL=O;/设置顺序采样模式。AdcRegs.ADCMAXCCINVall=7; /设置8个转换。AdcRegs.CHSELSEQ1.all=0; /连续采样8次ADCINA0。AdcRegs.CHSELSEQ2.all=0;AdcRegs.ADCTRL2.bit.EVA_LSOC_SEQ 1=l;使能EVA启动SEQ 1。AdcRegs.ADCTRL2.bit.INT_ENA_SEQl=l;/使能中断请求。AdcRegs.ADCTRL2.bit.INT_MOD_SEQ1=0;/每一个序列结束时中断。6.4.6 SCI模块SCI模块的结构：在全双工操作中的主要SCI模块主要包括以下部件：一个发送器(TX)和主要寄存器。 SCITXBUF:发送数据缓冲器，并存放待发送的数据。TXSHF:发送器移位寄存器，从发送数据缓冲器载入数据。一个接受器（RX）和他的

温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。