（检测技术与自动化装置专业论文）基于tms320f2812的平动电机的控制系统设计.pdf

一一 摘要 基于t m s 3 2 0 f 2 8 12 p g f a 的平动电机的控制系统设计 摘要 运动控制是在电磁驱动及其它驱动方式研究的基础，随着科学技术的发 展而形成的一门综合性多学科交叉技术。电机转子相对于定子只有平动没有 转动，从而避免了传统电机转子相对定子旋转一周而造成作用距离长、响应 速度慢、低速工况不稳定、输出扭矩小等弱点。采用微处理器、通用计算机、 d s p 控制器等现代手段构成的数字式控制系统已经成为当前调速技术的主 流。 随着d s p 技术的发展以及其在信号处理中无可比拟的优越性，d s p 作为 电机控制主选控制器成为了必然的趋势，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 p g f a 强大的事件管理 功能为系统控制提供了便利。本文提出了对一种新型平动电机的运动控制系 统，设计了基于嵌入式处理器t m s 3 2 0 f 2 81 2 p g f a 的控制系统，产生4 路p w m 信号对电机进行精确控制。并通过电感线圈、电流传感器实时采集电机各个 绕组的磁通量及各绕组的电流，提供了以后计算电机转矩的数据。并设计了 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制主板的驱动程序与系统控制软件，以及驱动电路的设计； 并实现与上位计算机之间串口通信程序，能够将数据实时发送给上位机。或 者从上位机发送控制命令，d s p 对控制命令进行处理后对电机进行实时控制。 关键宇：平动啮合电机t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 磁通量p w m 一 北京邮电人学硕士论文 a b s t r a c t ac o n t r o ls y s t e md e s i g n e db a s e do n t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 p g f af o rt e r m s t r a n s l a t i o n a lm o t o r a bs t r a c t t h em o t i o nc o n t r o li sa j o i n t a r e ai n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e b a s e do n e l e c t r o m a g n e t i ca n do t h e rd r i v i n gt e c h n o l o g y t h er o t o ro ft h en l o t o rt r a n s l a t e s o n l yr e l a t i v e l yt ot h es t a t o ro ft h em o t o r - b yt h i sw a y ，t h ew e a k n e s s e so fl o n g o p e r a t i n gd i s t a n c e ，s l o wr e s p o n s ev e l o c i 吼u n s t a b l ew o r k i n gp o i n t w h e nt h e v e l o c i t yi sl o wa n ds m a l lo u t p u tm o m e n t a r ea l la v o i d e d a l lo ft h o s ew e a k n e s s e s a r eb r o u g h ti nw h e nt h er o t o ro ft h et r a d i t i o n a lm o t o rr o t a t i n gac y c l er e l a t i v e l yt o i t ss t a t o r n o wt h ed i g i t a lc o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hu s e dt h em i c r op r o c e s s o r ， g e n e r a lc o m p u t e r ，d s pc o n t r o l l e rh a v ea l r e a d yb e e nt h em a i n s t r e a mo ft h er e c e n t s p e e d a d j u s t i n gt e c h n 0 1 0 9 y 、m t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed s pt e c h n 0 1 0 9 y ；a n di t si n c o n l p a r a b l ea d v a n t a g ei n t h es i g n a lp r o c e s s i n g ，i th a sb e e na ni n e v i t a b l et r e n dt h a tt h ed s pu s e da st h em a i n c o n t r 0 1 l e ri nm o t o rc o n t r 0 1 t h e s t r o n ga b i l i t y t o a r r a n g et h e e v e n t so f t m s 3 2 0 f 2 812 p g f ah a sm a d ec o i e n i e n tt oc o n t r o l t h es y s t e m an e wm o v e m e n t c o n t r o ls y s t e mf o rak i n do ft e m s t r a n s l a t i o n a lm o t o rh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i s p a p e r ，ac o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e dp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 12 p g f a w a sd e s i g n e dt og e n e r a t e4d i f f e r e n tp 、7 v ms i g n a l st oc o m r o l t h em o t o ra c c u r a t e l y f u r c h e m o r e ，i ta l s os u p p l i e dt h ed a t ab yc o l l e c t i n gt h en u xa n dc u r r e n to fe v e r y p a nr e s p e c t i v e l y 仔o mi n d u c t a n c ea n dc u 玎e ：n t s e n s o rt oc o m p u t et h em o t o rt o r s i o n i nt h ef o l l o w i n gp r o c e s s f r o mt h i sp a p e r ，w ea l s od e s i g n e dt h ed r i v i n gp r o g r a m a n ds y s t e mc o n t r o l l i n gs o f h a r e ，a sw e ua st h ed r i v i n gc i r c u i t r y i ta l s or e a l i z e d s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i n gp r o g r a m i tc a ns e n dt h ed a t at oc o m p u t e ri nt i m eo r r e c e i v et h ec o n t r o l l i n gc o m m a n ds e n tb yt h ec o m p u t e r a r e rt h ec o m m a n dd a t aa r e p r o c e s s e db yt h ed s p ，t h ed a t ac o n t r o lt h em o t o ri nr e a l t i m e k e y w o r d s ：t e n n s t r a n s l a t i o n a lm e s h i n gm o t o rt m s 3 2 0 f 2 812f 1 u xp v ，m 一 北京邮电大学硕士论文声明 声明尸明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了 文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二挈丸乙 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位 期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文 不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：章弦= 之 导师签名：三至蕉多p 日期：迎兰主：引 日期：竺! 墨丝 一 北京邮电人学硕上论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 平动电机是一种新型的电机，是一种以电磁吸合力作为驱动力，通过自身摆线机构进 行减速、增扭的新型关节用直驱马达。基本原理：基于摆线啮合所具有的传动特性，将电 磁吸合所引发的平动输入经摆线机构转化为转动输出，以带动旋转负载。 平动电机具有做功距离短、启动快和摆线传动的啮合平顺、啮合齿数多、传动比大的 特点，因此该电机具有直接驱动、瞬时带载启动、响应速度快、保持力矩大等优点。可适 用于恶劣工况下的低速大扭矩场合，如机械人关节、阀门驱动、快速微调等领域。 近年来，国内将新型减速机与电机进行一体化的研究有了一些新的进展，例如机械工 程学会会讯，2 0 0 1 年第l o 期介绍的低速电机。就是把电机与谐波减速机做到了一起，二 者一起设计，不但输出力矩增加，而且尺寸得到了显著的减小。另外，北京邮电大学廖启 征教授提出了啮合电动机的新理念。将电动机定子的外圈和转子内圈做成齿轮形状，依靠 电磁力驱动电机工作，同时依靠齿轮啮合实现减速，真正将电机与减速机结合到了一起。 于2 0 0 1 年开发出了外径l0 i l m 的微型电机原理样机。该模型样机证明了将电机与减速器 进行一体化设计是可行的，但该电机目前还存在一些问题，例如转子输出是一个既有公转 又有自转的混合运动，而不是我们期望的纯转动。 在国外尤其在日本，基于齿轮啮合的减速传动原理，开发出多种类型的马达。由日本 学者在1 9 9 2 年提出了一种全新的压电摆线马达设计。通过一对摆线齿轮的啮合将压电驱动 器的伸缩运动转换成转子的旋转运动，依靠压电驱动器输出的驱动力推动摆线马达使其转 动输出。该结构的减速比是转子与定子齿数的差值与转子齿数的比值，减速比很高。同时 由于齿轮啮合传动，摩擦损失小、传动效率高，因此该结构较靠定转子之问的摩擦力来输 出低转速、大扭矩的超声波及谐波马达有更高的效率和使用寿命。由于齿轮啮合存在一定 的优势，先后出现了将齿轮啮合与不同类型的驱动器相结合，制作出多种低速大扭矩马达。 如靠橡胶变形驱动的摆线马达、靠气缸驱动的锥齿轮马达、靠液压缸驱动的端面齿轮马达 及电磁摆线马达和电磁锥齿轮马达等。上述马达都具有效率高、精度好、磨损小、体积小、 结构紧凑的优点，作为机器人的驱动装置得到了很好的应用。但由于驱动器与定子只是连 接并未成为一体，结构还不够紧凑。对于气缸和液压缸驱动的马达，除驱动器外，还额外 需要一套动力源。压电或超磁致伸缩材料驱动的马达由于驱动器作用行程短( 微米级) ，为 满足定子运动行程需要，还需要加一套杠杆以增大作用行程。 北京邮电大学硕上论文第一章绪论 综上，齿轮减速装置与马达驱动器结合已成为了一种研究趋势。综合国内外的现有成 果，在我们现有研究基础上将电磁吸力作为驱动力，将摆线齿轮啮合作为减速输出，使符 合低速电动机的发展方向。 1 2 本文的主要工作 本课题首先介绍了一种新型平动电机，给出了其工作原理以及平动电机的优点，并对 其进行速度方向控制。制作了这种平动电机的实物样机，以便于可以在该实物样机上进行 控制试验，电机参数测量。 此外，本论文主要研究了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 p g f a 的d s p 数字信号处理器的驱动程序 开发与平动电机控制系统的开发，并实际开发了电机的驱动系统。包括：平动电机控制研 究，平动电机驱动系统的研究，传感器信号处理硬件研究，d s p 芯片内部核心技术研究， 芯片驱动程序编写，控制系统控制软件编写，上位机控制程序的编写等。 1 3 研究对象及意义 随着工业的不断发展，有很多行业需要各种新型的电机，各种参数的要求也越来也高， 如要求启动快，瞬时带载启动、响应速度快、保持力矩大。平动电机因为其工作原理具有 这些方面的优点。如机械人关节、阀门驱动、快速微调等领域，具有直流电机，步进电机 等的不具有的方面。 电动机和减速机在工业中有着广泛的应用，普通电动机转速都较高，在用于拖动设备 运行时，必须与减速机配合使用。据不完全统计，我国每年生产近6 0 0 万台的各类配套的 减速机与电动机。但减速机构复杂、体积较大，难以满足在纺织、化工、电子、国防、科 研等领域对体积小、输出力矩大、低转速的动力需求。低速电机则属于机电一体化产品， 它降低了系统功率损失，提高了系统的安装精度和传动效率，因此低速电机的发展和创新 无疑会对工业生产起巨大的促进作用。 本文主要是提供这种平动电机的驱动电路以及控制电路，对电机的参数测量做了一些 相关的实验，并逐渐完美驱动器以适应平动电机的发展。使控制器适合平动电机的驱动， 是电机有发挥它更大的优势，这是本文的研究意义。 一 北京邮电人学硕士论文第二章平动电机的简介 第二章平动电机的简介 鉴于平动电机机构的优点，我们做了许多研究。对比于其他类型电机我们介绍一下平 动电机的运动原理。 平动式啮合电动机突破了传统旋转电动机的设计理念，属于集电机、减速机于一体的 低速电动机。电机转子相对于定子只有平动没有转动，从而避免了传统电机转子相对定子 旋转一周而造成作用距离长、响应速度慢、低速工况不稳定、输出扭矩小等弱点。采用机 电一体化设计，将电机的转子内圈设计成永磁体，并与定子磁场相互作用产生平动公转的 驱动力，同时将转子外圈设计成齿轮与电机最外圈的定轴齿轮啮合起减速作用，最后通过 电机最外圈齿轮输出低转速大扭矩。它的核心思想是通过外层齿轮啮合与内层定转子间的 电磁作用力相配合，缩短定子与转子间的作用距离，增大作用力，使减速机和电动机真正 成为一个整体。该电机轴向尺寸小、结构简单紧凑、无间隙传动、启动快、并具有一定自 锁功能。目前在国内外报道中还没有见过具有相同设计思想和结构的电动机，它可以应用 于工业机器人、航空航天业领域等对空间尺寸和重量要求严格、以及要求较高输出力和锁 止功能的工业领域。 2 1 平动电机原理 2 1 1 平动电机的结构说明 为便于说明，本文沿用电机通用的定转子概念定义新型平动电机中的电磁结构。图2 1 中所示为平动电机的结构原理图。 平动电机的定子由以图中d l 点为中心呈9 0 0 均匀分布的四个“一 字形铁心构成，转子 则由四个以图中a 点为中心均匀分布的“山”字形铁心构成，且与定子铁心相对应。定转 子均为导磁材料构成，定子上即无绕组也无永磁体，转子则在各“山 字形磁极上分别绕 制有四个集中绕组，且每一绕组相互独立，自成一相，因此图中电机可以称为四极四相平 动电机。为使转子相对于定子作半径固定的圆周平动，文中采用图2 1 ( b ) 所示柔性机构对定 转子进行支撑，并利用柔性机构中的x 向和y 向导向结构限制转子转动，使转子只能在x 和 y 两个方向上平动。图2 1 ( d ) 所示的孔销式约束结构则对转子的平动进行约束，提供了固定 的相对定子平动的半径，其值等于孔销的半径差，即风一。其具体实现方式为：将转子 铁心与图2 1 ( b ) 中所示柔性机构的转子框固联在一起，并保证转子中心与转子框中心重合； 定子铁心则与定子框固联在一起，其中心与定子框中心重合，并且与转子同在柔性机构的 一 北京邮电大学硕士论文第二章平动电机的简介 一侧。孔销式约束结构中的孔式结构与销式结构分别与定子框和转子框相连。 为了使转子直接带动摆线机构，从而省去中间传动装置而提高电机效率，简化电机结 构，本文将摆线机构固定在与定转子相背的柔性机构的另一侧面上( 如图2 2 ( d ) ) 。摆线机构 中的摆线外齿轮通过滑动轴承连接到转子框上并与转子中心同心，定子则固定到定子框上 目憎鞠犍；严f 锄气 s 1 绷暗一1 圈1 孬 、i、g ，彩， 驴 伊妙 _ v d - k 卤 q 巨蚕 。 jl s 2 区i o l 陵g 冰 k ，h 后f 习 一 吗 唑冽，向导磁掰弱7 ； i 一一向导向杆 a 由磁结物卣硼图b 柔件导向结构 c 摆线机构d 孔销式约束结构 图2 1 平动电机结构原理 并与定子中心同心。这样在满足转子公转半径等于摆线齿圈基圆半径r 和摆线外齿轮基圆 半径，之差，即d ，d z2 尺一，= 如一，o 这一条件下，转子便可在电磁力作用下，以q 点为公转 中心，以q 为半径作圆周平动，并直接带动与转子同心的摆线外齿轮，与固定在定子框 上的摆线齿圈相啮合，依据摆线啮合原理，使摆线外齿轮产生低速的沿自身轴线的自转和 与转子同步的公转，并通过与外齿轮连接的柔性轴过滤掉与转子同步的高速公转，进而输 出低速定轴转动和大扭矩。其输出转速为转子公转速度的1 “，f 为摆线机构减速，其传动 比f 满足下式：扣z 。( z 。一z ，) ，式中乙为齿圈齿数，z d 为外齿轮齿数。 由于转子与摆线机构直接连接，从而省去了中间传动装置，提高了传动效率。由于转 子公转半径为齿圈和外齿轮基圆半径之差，因此当摆线机构传动比很大且齿形较小时，转 子将会获得很小的公转半径，在缩短了定转子间电磁力作用距离的同时减小了随转子运动 部件的转动惯量和柔性机构中柔性铰链的变形量，提高了铰链寿命。另外，由于转子的圆 周平动实质是一种偏心运动，在转子运动时会产生惯性力，引发电机的周期振动和噪声。 因此文中采用定子浮动的方法，在定子与机架之间采用类似于图2 1 ( b ) 的具有x 和y 两向 柔性导向结构，使定子在转子运动时，也产生相对于机架的平动，且与转子运动方向相反。 由此平衡转子作用于电机机架的惯性力，消除由转子偏心运动引发的电机振动和噪声。这 4 一 北京邮电人学硕士论文第二章平动电机的简介 样，该类电机在结构原理上就具备了振动小、效率高、启动快、低转速、扭矩大并可带载 启动的优点。 2 1 2 平动电机驱动原理 基于自身结构的特点，平动电机的驱动原理与磁阻电机相类似，都是遵循“磁阻最小 原理”。因此其电磁转矩的产生与转子瞬时位置和定子励磁电流大小直接相关，与电流方向 无关，这使平动电机的功率变换电路得到了充分的简化。其功率变换器可以采用图2 1 ( a ) 所示结构。该功率变换器的主电路为单电源供电方式，每相有两个主开关s 1 和s 2 ，工作 原理简单。斩波时可以同时关断两个主开关，也可只关断一个。它可以应用于任何相数、 任何功率等级的平动电机。 当绕组控制电流的两个主开关闭合，绕组通入电流时，转子便在磁场作用下产生向使 电机闭合磁路磁阻最小的位置运动的趋势，磁场作用配合柔性导向和孔销式约束结构使转 子实现圆周平动。以图2 1 中的四极四相平动电机为例，其具体过程为，按顺序给a b c d 相绕组通电，则转子便在磁场力和导向及约束结构双重作用下按顺时针方向平动；反之， 依次给b a d c 相绕组通电，则转子会沿逆时针方向公转。在一个绕组导通期内，转子公 转9 0 0 。为便于后续分析，规定当平动电机中任何一相绕组所在的“山”形铁心和其对应 的“一字形铁心之间所夹气隙最小时，此位置便为该相绕组导通期内的转子终点位置， 即9 0 0 转角位置，同时该位置也是该绕组相邻相导通期内转子的初始位置，即o o 转角位置。 设每相绕组开关频率为厂，转子极数为，对于单相导通的平动电机，其公转转速( r m i n ) 可表示为 6 0 厂 以= 二 h j 当主开关接通时，绕组从直流电源【，吸收电能，而当墨、是关断时，绕组电流通过续流二 极管喝、峨，将剩余能量回馈给电源u 。因此，平动电机与磁阻电机一样具有能量回 馈的特点，系统效率高。 2 2 平动电机样机设计 图2 2 为按照文中提出的平动电机运行原理所制作的原理样机，其长宽均为1 0 0 1 l u n ， 轴向总长为4 0 1 衄。样机定子与转子均采用d w 5 4 0 5 0 硅钢片叠制而成。其结构与图2 1 中一 致，主要尺寸参数为：定子铁心宽2 5 5 m m ，转子铁心宽2 2 l 砌，绕组匝数2 4 0 匝，铁心厚度 为5 。6 m m ，初始气隙o 2 8 m m ，转子公转半径0 2 3 m 加。 一 北京邮电人学硕上论文第二章平动电机的简介 为使柔性铰链具有良好的使用寿命和较低的弹性模量。采用航空用7 0 7 5 t 6 铝合金作 为柔性机构的材料，其屈服强度与弹性模量的比值为0 0 1 ，高于淬火钢4 1 4 2 的o 0 0 7 8 和 普通铍青铜的0 0 0 6 。样机采用的柔性机构中集成了孔销式约束结构，致使转子y 向导向 结构被约束结构分为两部分，为防止y 向导向结构转动，在其左侧使用两根导杆，并且考 虑到导向结构两侧刚度的一致性，设定左侧导杆铰链间的距离是右侧的两倍。 a 样机柔性机构 c 样机实物外观 d 样机二维简图 图2 2 平动电机原理样机 样机采用一齿差摆线齿轮对，以获得大的减速比。齿圈齿数为1 4 5 ，外齿轮齿数为1 4 4 ， 因此转子正方向公转1 4 4 圈，外齿轮则反方向自转1 圈。当无位置传感器的情况下，对于 有4 个磁极的样机，其定位精度为5 7 6 步转。如果在后续设计的平动电机中加入测量电感 的传感器，根据转子运动中造成的电感变化可更精确的获悉电机的转子位置，大幅提高平 动电机的定位精度。 特点，系统效率高。 2 3 样机电磁转矩 样机由于平动电机是通过在绕组励磁状态下，转子绕定子轴心作圆周平动，进而改变 系统磁阻的方法将电能转化为机械能。因此其转矩求解应按照以能量平衡为基础的虚位移 原理，并结合广义坐标和广义力的概念，由下式给出 6 露紫 一 北京邮电人学硕上论文第二章平动电机的简介 乙= ( 2 1 ) 式中嘭表示磁共能，f 表示绕组励磁电流，秒则为转子绕定子轴线公转的角位移。设五 表示磁链，磁共能可由下式求得： 杉( f ，秒) = p ( 臼) 出 ( 2 2 ) 为获得简便的样机电磁转矩解析计算公式，本文假设定转子导磁率无穷大，不考虑漏 磁和磁路饱和，这样系统的磁共能便等于气隙的磁共能。设风表示空气磁导率，h g 表示 气隙磁场强度，则电磁转矩可表示为气隙磁共能密度h ；2 和气隙体积变化量茜的乘 积： 乙= 嚣( 华) ( 2 - 3 ) 依据样机参数，定子宽度大于转子宽度与公转直径的和，在转子运动中，转子始终未 超出定子的宽度边缘，并且样机定转子铁芯间的最大气隙与磁路中铁心的端部宽度口和厚 度五的比均小于0 2 。因此在工程应用中，可以近似的认为样机的气隙磁场为均匀磁场。由 此样机的电磁转矩由下式给出： l ：坐塑掣 ( 2 4 ) 2 ( 名一乞s i n 臼) 2 一“ 式中表示绕组匝数，j 表示绕组励磁电流，乇表示初始气隙长度，z 为转子公转半径。 2 4 样机柔性机构静态特性 平动电机运行时，起导向作用的柔性铰链将发生往复弹性变形，进而直接影响柔性铰 链的疲劳寿命和电机输出转矩，本节将对其影响进行分析。 7 一 北京邮电人学硕士论文 第二章平动电机的简介 0 2 “ 2 3 柔性铰链链图2 4 导向结构弹性力作用示意图 2 4 1 柔性铰链强度校核 样机采用的柔性铰链为常用的直圆型( 图2 3 所示) ，其杆部截面均为矩形，铰链部分则 由两个垂直于端面的对称圆柱面切割而成。 由于柔性铰链的变形集中在圆弧部分，所以在分析铰链刚度时忽略铰链圆弧以外的变 形。又由于柔性铰链的变形十分微小，所以也忽略各个铰链变形之间的干涉。考虑到铰链 的最小厚度f 与铰链圆弧半径r j 的比值不是很大，为提高铰链刚度的计算精度，给出的铰 链刚度计算公式【1 】： k = 脚，2 1 2 ( 2 5 ) 系数石= 豁口，c 厢+ 畿篱协6 ， 式中j = r ；f ，e 为柔性机构所用材料的弹性模量。 样机柔性结构材料弹性模量e = 7 0 g p a ，许用强度 吒 = 4 1 0 m p a ，铰链最小厚度 f _ o 2 m m ，宽度6 = 4 n l l l l ，圆弧半径r ，= 0 9 m m ，将上述参数带入式( 5 ) 可得铰链转角刚度 吃= o 3 8 4 4 朋胞j 。在图2 2 ( a ) 所示的样机柔性机构中，与转子相连的x 向导向结构的 所有导杆间的铰链距离和y 向导向结构右侧的导杆间的铰链距离均相等，且为y 向导向结 构左侧导杆间的铰链距离的l 2 。由于各导杆铰链参数相等，铰链最大变形角便发生在短 导杆铰链处。短导杆两端铰链中心距离f - 8 7 n m ，最大变形量k 等于转子公转半径。由 此可得铰链最大变形角= 0 0 2 6 4 朋d 。设m 一为铰链所受最大弯矩，形为铰链弯曲系 数，则铰链材料内部的最大应力为 一 北京邮电大学硕士论文第二章平动电机的简介 一争2 睾瑚一 l ok 2 ( 3 1 ) 在l 6 5 0 6 中，设计取值为r = 2 4kq ，c = 4 7 n f 计算得f = 1 2 8k h z 电机的速度在 每一微步的时间上不能小于斩波周期7 7 8us u l n 2 0 7 5 b 的功能主要是达林顿三极管的驱动电路，且一个达林顿三极管的驱动电路 决定1 组电机的绕组l 6 5 0 6 的功能主要为比较器、4 组绕组的相序控制逻辑和电路通断 的触发器比较器的基准电压通过外部传感器提供。 l 2 9 7 与l 2 9 8 组成的驱动系统的斩波原理是一样的，以下是斩波效果图： c h l 垂直位置1 0 4d l v s ( 5 2 0 v ) 图3 1 4 斩波前波形 3 1 4 驱动系统续流实现原理 。r e kj ls t o p ： ； ，：，。l ：， ， ；：l c n = i s 旷4 芒雕“驹面“确5 0 0 讦曲2 2 1 s v 1 2 一j u n 一0 72 2 ：1 07 1 5 2 q 4 h z 图3 1 5 斩波后波形 在这里采用1 1 d q 0 6 型号的肖特基二极管做续流二极管，肖特基二极管经常和储能元 件一起使用，防止电压电流突变，提供通路。电感可以经过它给负载提供持续的电流，以 免负载电流突变，起到平滑电流的作用，一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管用来 把线圈产生的反向电势释放掉。 1 1 d q 0 6 的基本参数是最大反向电压是6 0 v ，最大正向电流为1 5 7 a ，最大正向电压为 0 5 5 v ，最大反向电流为1 h a 。 在l 6 5 0 6 和u l n 2 0 7 5 b 联合驱动方式设计中，续流的基本原理图如下： 1 7 一 北京邮电大学硕士论文第三章平动电机驱动器及数据采集系统设计 图3 1 6 续流原理图 当基极电压为高时三级管导通，电流按照2 线路流动，当基极b 为低电压时三级管截 至，在电感中的电势能存在，电流继续按照线路1 流动，释放电感电感总的电能。电感相 当于电机中的绕组，这样能使电机绕组中的电流能平滑的减小。 3 2 数据采集系统 电机数据采集系统的主要目的是把电机中的数据实时采集到d s p 控制板进行处理，并 把处理后的数据传送到上位机端。这里是主要采集两个数据，1 、采集电机各项绕组的磁通 量；2 、采集电机各项绕组的实时电流数据。 3 2 1 数据采集电路原理 磁通量主要是通过采集各绕组的电压，然后再经过放大器，电位偏移，积分等一些处 理后送到d s p 芯片进行计算后得到。 1 磁通量的采集 磁通量采集我们的方法是在电机各绕组的定子上绕4 5 砸线圈，绕制副线圈数量少是 为了对电机的绕组产生影响，通过感性线圈来感应各绕组中磁通量的变化，我们再通过采 集感应线圈两端的电压变化求出感应线圈的的磁通量匝链数，再通过n 即可计算出磁 通量，其中n 为绕组的匝数。 2 电压放大及积分电路 由于感应线圈两端的电压信号比较小，我们需要对信号通过运算放大器进行放大。另 一个很重要的原因是我们可以通过积分电路直接把电压转化为磁通量。 通常使用的磁通表的原理基于法拉第感应定律萨d d t 即= - e d t 。式中为磁通测 一 北京邮电大学硕士论文第三章_ 甲动电机驱动器及数据采集系统设计 量装置探测线圈( n 匝) 中的磁通量匝链数，e 为感应电动势。通常实现磁通测量的具体方 法是，采用运算放大器和阻容网络构成模拟积愤电路，完成对输人感应电压e 的时间积 分典型模拟积分电路见下图 c 7 r ：积分电阻；c ：积分电容；6 积分输出 图3 1 7 积分电路理论图 s v er e c 动作 圈 格式 圆 羊千 j 存图像 选择 文件夹 储存 t e k 0 0 1 1 b m p _ 3 3 2 v s 1 6 i v er e c 动作 圃 格式 衄 羊年 人j 存图像 选择 文件夹 储存 “ t e k 0 0 1 2 b m p t、j? p 、点、， ? 。 ， ，? ， j 。“十k m ，| k 7r c h l1 0 0 vc h 21 0 0 vm2 5 0 m s c h l ，一3 3 2 v 图3 1 8 积分电路效果图 输出输人关系为：v = 1 r 2 3 c 7 j e d t = i 也3 c ；其中的e 即为感应电动势，v 为积 分总输出电压。 由图3 1 7 构成的测量电路，不管具体电路如何变化，均要通过电容c 来实现积分，无 法避开电容c 的存在由于运算放大器的输入阻抗不可能是无穷大的，偏置电流将流过电 容，电容上的电荷不断积累，必然会导致输出量不断上升即使在输人端为零( 输入短路) 的 情况下，系统仍然会出现“爬行”而难以稳定此外，由于电容的漏电电阻不可能是无穷大， 输出端v 在测量结束后会随时间逐渐下降，这就引起了传统磁通表的所谓零点漂移和测量 值的漂移，在电容两端加上一个大电阻之后就可以抑制零漂现象。如下图为实际电路图， 使用放大器的型号为o p 3 7 。根据公式v = 1 r 2 3 c 7 j e d t = 1 0 4 j e d t = 1 0 4 中相当于把输 入的信号放大1 0 4 倍同时把输入信号进行积分。 1 9 一 北京邮电大学硕上论文第三章平动电机驱动器及数据采集系统设计 鼍 i 0 0 0 h mo p 3 7 图3 1 9 积分电路实际电路图 3 电位提升电路 在控制电路中我选择的是d s p 2 8 1 2 内部集成的d 转换模块，要求输入电压在o 3 v ， 由于在，d 输入端加了分压电路，使输入电压扩展到o 6 v 。由于由放大器出来的信号即 有正信号也有负信号，而，d 转换的输入信号必须是正信号，所以我们需要一个电位提升 v c c 图3 2 0 电位提升电路原理图 电路把从运算放大器输出的电压变成匹配a ，d 模块输入的电压信号，使d 模块的电压输 入在o 3 v 的范围。在图3 。2 0 中r l ，i 也可以用滑动变阻器实现这样可以实时的调节电压 输出的电压变化范围。下图是运算放大器电压输出后电位提升的效果图 2 0 一 北京邮电大学硕士论文第三章平动电机驱动器及数据采集系统设计 1 e k l ls t o p mp o s ：0 0 0 0 s s a v e r e c ，、广、广u 盛1 f 一 _ 量i ! 兰_ 芭a ：；格式 圆 羊干 j 存图像 选择 文件夹 储存 t e k 0 0 16 b m p ?z * 。h 。 c h l1 0 0 v c h 2 + 1 0 0 vm1 0 o m sc h l ，1 8 6 v 当前目录是a ： 。r e k几s t o p mp o s ：0 0 0 0 s s a v e r e c ；? 。一麓动作 ， j r o 厂豳1 母 一 _ i i ! 璺_ 日叠 ：。二格式 讯媳蜘“。“啦n 豳。4 ”诚s 鸥繇”“。4 。”诫jf 、亳铋 9 一j u i 一0 71 1 ：0 3 p i l e r x 8 ：1p l e i f 只x 8 ：1 ： 图4 - 6 中断扩展模块图 2 外设级中断 外设产生中断时，中断标志寄存器( i f ) 相应的位将被置l ，如果中断使能寄存器( i e ) 中相应的使能位也被置位，则外设产生的中断将向p i e 控制器发出中断申请。如果外设级 中断没有被使能，中断标志寄存器的标志位将保持不变，除非采用软件清除。如果中断产 生后才被使能，且中断标志位没有清除，同样会向p i e 申请中断。需要注意的是外设寄存 器的中断标志必须采用软件进行清除。 3 p i e 级中断 一 北京邮电大学硕士论文第五章d s p 端控制软件设计 p i e 模块复用8 个外设中断引脚向c p u 申请中断，这些中断被分成1 2 组，每一组有 一个中断信号向c p u 申请中断。例如，p i e 第1 组复用c p u 的中断1 ( i n t l ) ，p i e 第1 2 组复用c p u 的中断1 2 ( i n t l 2 ) 。其余的中断直接连接到c p u 中断上且不复用。对于不复用 的中断，p i e 直接将这些中断连接到c p u 。对于复用中断，在p i e 模块内每组中断有相应 的中断标志位( p i e i f r x y ) 和使能位( p i e i e i h y ) 。除此之外，每组p i e 中断( i n t l 到i n t l 2 ) 有一个响应标志位( p i e a c k ) 。一旦p i e 控制器有中断产生，相应的中断标志位( p i e i f r x y ) 将被置l 。如果相应的p i e 中断使能位也被置1 ，p i e 将检查相应的p i e a c k x 确定c p u 是 否准备响应该中断。如果相应的p i e a c k x 被清零，p i e 向c p u 申请中断。如果p i e a c k x 被置1 ，p i e 将等待直到相应的p i e a c k x 被请( 清) 零才向c p u 申请中断【6 j 。 4 c p u 级中断 一旦向c p u 申请中断，c p u 级中断标志( i f r ) 位将被置1 。中断标志位锁存到标志寄 存器后，只有c p u 中断使能寄存器( i e r ) 或中断调试使能寄存器( d b g i e r ) 相应的使能位和 全局中断屏蔽位( i n t m ) 被使能时才会响应中断申请。c p u 级使能可屏蔽中断采用c p u 中 断使能寄存器( i e r ) 还是中断调试使能寄存器( d b g i e r ) 和中断处理方式有关。标准处理模 式下，不使用中断调试使能寄存器( d b g i e r ) 。1 9 只有当f 2 8 l x 使用适时调试( r e a l t i m e d e b u g ) 且c p u 被停止( h a l t ) 时，才使用中断调试使能寄存器( d b g i e r ) ，此时i n t m 不 起作用。如果f 2 8 1 x 使用适时调试( r e a l t i m ed e b u g ) 而c p u 仍然正常运行，则采用标准 的中断处理。 4 2 5t m s 3 2 0 f 2 8 x 与t m s 3 2 0 l f 2 4 x 比较 t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 芯片工作频率比t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 高，而且t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 有专门的中 断控制系统是中断控制更加灵活。2 8 x 系列芯片能够向下兼容2 4 x 系列的代码，在系统升 级的时候可以利用以前的代码，避免重复性工作【7 1 。附录二为以t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 为控制芯 片的控制板，附录三、附录四分别是以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制芯片的控制系统的原理图及 p c b 图。 4 3 串行通讯设计电路 在计算机测控系统中，数据通讯主要采用异步串行通讯方式。在设计接口时，必须根 据需要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换和通讯控制芯片等问题，以保证通讯的 可靠性、通讯速度、通讯距离和抗干扰能力。r s 2 3 2 是异步串行通讯中应用最广泛的标准 总线，它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。由于t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 p g f a 芯片 采用的是c m o s 工艺制造，使用+ 3 3 供电，而上位机p c 机是r s 2 3 2 标准的电气，两者 一 北京邮电大学硕士论文第五章d s p 端控制软件设计 互不兼容，所以在设计两者接口时，必须进行电平转换【8 】o 广1 1 1 f 1 j l 一 图4 7串口电路 图4 7 串行通信接口电路，采用了符合r s 2 3 2 标准的驱动芯片m a x 2 3 2 进行串口通 信。m a x 2 3 2 芯片功耗低，集成度高j + 5 v 供电，具有2 个接受和发送通道，本电路在 m a x 2 3 2 芯片和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 或者t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 之间增加了电平匹配电路，整个接口 电路简单、可靠性高。 4 4 电平转换电路 t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 p g f a 采用了静态c m o s 技术，内核为3 3 v 供电，d s p 应用系统以及 其外围器件的驱动电源有3 3 v 的，也有5 v 的，为了保证d s p 控制板安全可靠地工作，必 须设计一个d s p 与外围器件的电平转换电路。图4 8 所示为5 v 一3 3 v 电平转换电路原理图 【9 】 o 一 北京邮电大学硕士论文第五章d s p 端控制软件设计 4 5 j t a g 仿真调试接口 l l 图4 8d s p 电平转换电路 图4 9j t a o 防真调试接口电路 j t a g ( j o mt e s ta c t i o ng r o u p ) 联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议( i e e e 1 1 4 9 1 兼容) ，主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持j t a g 协议，如d s p 、 f p g a 器件等。标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别为模式选择、 时钟、数据输入和数据输出纠9 1 。 一 北京邮电大学硕上论文第五章d s p 端控制软件设计 j t a g 最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个t a p ( t e s t a c c e s sp o r t ：测试访问口) 通过专用的j t a g 测试工具对进行内部节点进行测试。j t a g 测 试允许多个器件通过j t a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链，能实现对各个器件分别 测试【1 1 】。现在，j t a g 接口还常用于实现i s p ( 1 1 1 s y s t 锄r o 野a 1 1 珊a b l e ；在线编程) ，对f l a s h 等器件进行编程。j t a g 编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再 装到板上因此而改变【l 引，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用j t a g 编程，从而大 大加快工程进度。j t a g 接口可对p s d 芯片内部的所有部件进行编程，上图4 9 是1 4 针 j t a g 接口的仿真调试接口电路。 4 6 本章小结 本章主要介绍电机的控制系统，并对控制板主要的控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 p g f a 进行 详细的介绍，以及芯片各个模块的功能，并对把这个芯片与较老的芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 进 行各个性能的比较。 再本章的后边部分对整个控制板的介绍以及控制板的各个模块进行了详细的介绍，如 串口通讯模块，电平转化模块，以及j t a g 仿真调试接口模块。是读者更能清晰的了解控 制板的制作。 3 7 北京邮电大学硕士论文第五章d s p 端控制软件设计 第五章d s p 端控制软件设计 驱动程序设计是嵌入式开发中非常关键的部分，驱动程序直接关系到控制软件的架构 和控制软件的执行效率。本驱动程序开发部分主要有系统频率设定部分，芯片输出配置部 分，电源管理部分；中断管理部分；各个模块时钟频率管理部分；事件管理器模块部分； 串口通信编成；c a n 总线通讯部分。 本控制系统选用的处理器为德州仪器的专为电力控制设