机械毕业设计（论文）-基于DSP电机控制方法研究【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 基于基于 DSPDSP 电机控制方法研究电机控制方法研究 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 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）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 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 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：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：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：四、接受任务学生： 机械 94 班班 姓名姓名 马龙 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 摘要摘要 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：关键词：DSP；CCS；PWM；无刷直流伺服电机 Abstract With 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 motor 目目 录录 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 CCS.31 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 基于 DSP 电机控制方法研究 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究内容和意义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对称最佳. 基于 DSP 电机控制方法研究 4.2.3 工程设计调节器的步骤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 Q6ABC H1 上升 101PWMON 进出 OFF H3 上升 100PWMON 进 OFF 出 H2 上升 110ONPWMOFF 进出 H1 下降 010PWMON 出进 0FF H3 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 Q6ABC H1 上升 101PWMON 出进 OFF H3 上升 100ONPWM 出 OFF 进 H2 上升 110PWMONOFF 出进 H1 下降 010PWMON 进出 0FF H3 下降 011PWMON 进 OFF 出 无锡太湖学院学士学位论文 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t 60 /t (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 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 基于 DSP 电机控制方法研究 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WT 个数，从而计算出转速。MNfcn/60000 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。WT 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ST 计算电机转速 。MTsmn/60000 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。ST 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。ST 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。 无锡太湖学院学士学位论文 图 4.5 电流采样图 4.6 本章小结本章小结 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芯片芯片TMS320F2812的特点的特点 (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） ； 基于 DSP 电机控制方法研究 (2)高性能 CPU,16 16，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，128K 16 位 Flash 存储器，1K 16 位 OPT 型只读 存储器，两个 4K 16 位的单机随即存储器，一块 8K 16 位 SARAM，两块 1K 16 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 控制硬件的设计控制硬件的设计 DSP 位置 调节 速 度 调 节 电流 调节 PWM 输出 SCI 模块 中断 模块 ADC转 换模块 QEP 模块 可逆变 计数器 编码器 捕捉换相 逻辑 霍尔 元件 无刷直流电 动机 电流 采样 三相全桥逆变电路驱动 电路 电源模块 保护 电路 上位 机 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； 无锡太湖学院学士学位论文 (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外围电路的设计外围电路的设计 5.3.1 电源的设计电源的设计 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。 基于 DSP 电机控制方法研究 图 5.3 晶体振荡电路的设计 5.3.3 时钟电路的设计时钟电路的设计 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。 无锡太湖学院学士学位论文 图 5.5 JATG 电路的设计 5.3.5 异步串行接口（异步串行接口（SCI）硬件的设计）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 2 Rx，input Tx,output 3Tx,output Rx，input 4DTR,outputReset/CTS,input 5CTDGND 8CTD,inputRTS,output DSP 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。 基于 DSP 电机控制方法研究 图5.7 CAN接口电路的设计 5.4 功率驱动逆变电路的设计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 无锡太湖学院学士学位论文 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。 基于 DSP 电机控制方法研究 Input SINGLE GENERATOR H1N1 H1N2 H1N3 L1N1 L1N2 L1N3 FAULT VCC ITRIP CAO CA- VSS PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER LATCH UV DETRCTOR H1 SET RESET Input SINGLE GENERATOR Input SINGLE GENERATOR PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER H2 H3 LATCH LATCH UV DETECTOR RESET SET LATCH UV DETECTOR RESET SET DRIVE DRIVE DRIVE FAULT LOGIC C 8 CLEAR LOGIC DRIVE DRIVE DRIVE UNDER VOLTAOE CETECTOR 0.5V CYRRENT AMP VB1 H01 VS1 VB2 H02 VS2 VB3 H03 VS3 L01 LO2 LO3 VCC 图5.8 IR2130原理结构图 5.5 电机驱动的设计电机驱动的设计 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。 无锡太湖学院学士学位论文 图5.9 驱动电路的设计 5.5.1 自举电容的选择和计算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) f I Q f I QQ LG 转换电流静态电流 2 。 栅极电负荷 G Q荷周期转换所需要的总电 L Q 再根据电容最小的负荷来求出自举电容的最小容量： (5.2) V Q C 2 (5.3) min VVVVV LfCC 驱动所需的电压 CC V自举二极管正向压降 f V 负载压降 L V最小的电压值 MIN V 5.5.2 PWM 驱动信号隔离电路驱动信号隔离电路 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 基于 DSP 电机控制方法研究 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 无锡太湖学院学士学位论文 图5.11 TPL521连接图 5.6 霍尔传感器信号电路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 基于 DSP 电机控制方法研究 5.7 正交编码脉冲信号电路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。 无锡太湖学院学士学位论文 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 基于 DSP 电机控制方法研究 图 5.17 过流保护电路 5.9 本章小结本章小结 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。 无锡太湖学院学士学位论文 6 控制系统的设计控制系统的设计 6.1 控制系统设计的基本原则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 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集成开发环境集成开发环境CCS CCS 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。 基于 DSP 电机控制方法研究 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设计 主程序的流程图 无锡太湖学院学士学位论文 开始 DSP内核及时间管理器的初始化 软件变量初始化 PWM波形初始化 检测转子位置 检测给定位置 调用子程序 驱动电机 图6.1 主程序的流程图 调用子程序流程图 A/D中断 读入给定偏转 位置环调节 计算转速偏转 速度环调节 电流差计算 电流环调节 返回 图6.2 子程序调用流程图 基于 DSP 电机控制方法研究 #include”target.h” #include”DSP28x_Device.h” #include”bldc3.h” #include”parameter.h” #include”buid.h” #include #include int 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 驱动模块初始化 Cap_Init(/CAP 模块初始化 ADC_Init();/ADC 模块初始化 QEP_Init();/正交编码器初始化 无锡太湖学院学士学位论文 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。 基于 DSP 电机控制方法研究 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（ /获得换相控制字。 Pwm.updata( /换相，调用 pwm 函数。 EALLOW; GPAMUX.all=Ox0700； /恢复 CAP 捕捉功能。 EDIS; EvaRegs.EVAIFRc.all=OxOOOF