（信号与信息处理专业论文）基于dsp的变速泵供水系统的设计直流无刷电机控制部分.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术和嵌入式微处理器技术的不断发展，智能控制技术在满足人 们日常生活需要，提高人民生活质量方面发挥着越来越重要的作用。智能恒压供 水系统的研究就是其中的一个重要课题。采用数字信号处理器( d s p ) 作为控制核 心的恒压供水系统速度高，运算能力强，与采用单片机进行控制的供水系统相比， 在动力性、经济性和稳定性等各项性能方面得到了很大提高。本文对这种以d s p 为控制核心的恒压供水控制系统进行了探讨、研究和设计。 本系统的丰要任务是以d s p 作为控制处理核心，与前向通道和后向通道共同 构成一个稳定、可靠的负反馈系统，控制三相直流无刷电动机的状态转换和速度 调整，在需水量不断变化的情况下，使送水管道保持相对稳定的水压，以满足恒 压供水的需要。 本系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为硬件控制处理核心。该芯片是美国t i 公司推 出的适用于工业控制的c 2 0 0 0 系列产品之一，它的功耗低，执行速度快，实时控 制能力强。本文比较了d s p 与单片机的一些特点，分析了d s p 在运算速度、集成 度、嵌入功能和稳定性等方面的优势，介绍了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的c p u 、存储 器结构和片内外设等，并对它特别适合于电机控制的结构特点进行了讨论。 本文阐述了三相无刷直流电动机的p w m 控制的基本工作原理，在进行了深入 研究之后，决定采用根据电机转速和电流信号进行双闭环p i d 反馈控制的控制策 略，并给出了为实现控制而需要配置的硬件电路设计，包括d s p 基本电路、三相 无刷直流电动机的信号采集电路、电机的执行机构、d s p 的接口电路以及电源电 路等。其中，电动机的信号采集电路主要包括霍尔传感器、电阻电压传感器和预 处理电路，负责采集三相无刷直流电动机的转速和电流两个重要信号，并进行放 大和整形等处理；执行机构是d s p 对输入信号进行测算后去调整转速的电路部分。 本文在对控制策略进行研究的基础上，着重讨论了双闭环p i d 控制算法、软 件设计以及在d s p 硬件平台上的实现。本系统的软件设计采用了模块化设计，包 括初始化模块、采集处理模块、控制模块和执行模块等。本文给出了系统软件流 由索大学硕士攀位论文 程总框图和模块框图，并分别给出了各个模块的设计思路和糕序清单。本文还对 编程难点作了详细说明，介绍了珂能出现的问题及解决方案。 飚前，d s p 技术得到了迅猛发展，已经广泛应用于信息处理、通讯及工业控 制等各个领域。本系统的设计与实现为进一步降低电力系统运作成本和提高恒压 供水控制系统的可靠性作出了积极的探索。 由于时间和水平有限，还有一些其他客观原因，本课题仍存在诸多不足，如 系统没有完成全部的现场调试，没有进行将其它算法( 如模糊算法、神经网络算 法等) 使用于恒匪供水控制系统的研究等，这些都需要在今后的工作和学习中进 一步完善。 2 关键词：无刷直流电动机；p l d ；双闭环：d s p , p w m 控制 盘东大学硕士学位论文 -_一一,i,p i l l l l l li l l l i l l l l l l l 黼幂_ _ _ _ - _ _ _ _ 目目- _ - _ _ - | _ - a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r t e c h n o l o g y , t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yi s 西a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e i ns a t i s f y i n gp e o p l e sd e m a n do fd a i l yl i f ea n di m p r o v i n gl i f eq u a l i t y i ti s 勰i m p o r t a n t s u b j e c tt h a tt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e mi s b e i n gr e s e a r c h e d t h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e mw i t ha nd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) c o n t r o lc o r eh a sa l lg o o dp e f f o 潮a n c 卜越g h 掣媳g o o dr e a l - t i m e c o m p a r e dw i t ht h es i n g l e c h i p - c o n t r o l l e dw a t e rs u p p l ys y s t e m , i ti sm o l ep o w e r f u li n a s p e c t so fd y n a m i cp e r f o r m a n c e , e c o n o m ya n ds t a b i l i t y t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a c h 、 d i s c u s sa n dd e s i g no nt h i sd s p - e o n t r o l l e dc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r s u p p l ys y s t e m t h em a i n l yp u r p o s eo ft h i ss y s t e mi sc o n s t r u c t i n gas t a b l ea n dh i g hr e l i a b l e n e g a t i v e f e e d b a c k s y s t e mm a d eu po fd s pc o n t r o lc o r e , f o r w a r d - c h a n n e la n d b a c k w a r d - c h a n n e l ，w h i c hc a l lc o n t r o lt h es t a t e st r a n s i t i o na n ds p e e da d j u s t m e n to f b m s h l e s sd em o t o r w h i l et h en e e do fw a t e ri sc h a n g i n g ，t h ew a t e rs u p p l ys y s t e mc a n b s t a b l eh y d r a u l i cp r e s s u r e t h es y s t e ms e l e c t st h ep o p u l a rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 勰t h ec o n t r o lc e n t e r t h i sc h i pi so l l eo ft h ec 2 0 0 0p r o d u c t sa p tt oi n d u s t r yc o n t r o l p r o d u c e db ya m e r i c a nt ic o m p a n y i th a sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , h i g he x e c u t i v e s p e e 蠢s t r o n gr e a l - t i m ec o n t r o la b i l i t y t h i sp a p e rc o m p a r e sd s pw i t hm c u , a n a l y s e s t h ea d v a n t a g eo ft h ed s ps u c ha so p e r a t i o ns 1 9 i c i 吐i n t e g r a t i o nl e v e la n ds t a b i l i 锄, i n t r o d u c e st h ec p u , m e m o r ys t r u c t u r ea n di n t e r n a lp e r i p h e r a lo ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i n d e t a i l ，a n dd i s c u s st h es t r c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sc o m p l e t e l ya d a p tt om o t o rc o n t r 0 1 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i m a r yp r i n c i p l eo ft h ep w mc o n t r o lo ft h r e e - p h a s e b r u s h l e s sd em o t o ra n dd e c i d et ou s et h ed o u b l ec l o s e d l o o ps y s t e ma f t e rd e e pr e s e a r c h , p u t sf o r w a r da w h o l ed e s i g ni d e ao fc o n t r o lr e a l i z a t i o n i tc o n s i s t sb a s i cc i r c u i t , s i g n a l c o l l e c t i o nc i r c u i to ft h r e e - p h a s eb r u s h l e s sd em o t o r , e x e c u t i v em e c h a n i s m , i n t e r f a c e 3 山东大学硕士学位论文 c i r c u i to fd s pa n dp o w e r s u p p l yc i r c u i t a m o n gt h e m , t h es i g n a lc o l l e c t i o nc i r c u i to f t h r e e - p h a s eb r u s h l e s sd em o t o rm a i n l yc o n s i s t so fh a l ls e n s o r s ，r e s i s t a n c e $ 伽l s o ra n d p r e - p r o c e s s i n gc i r c u i t , c a nc o l l e c tt w oi m p o r t a n ts i g n a l s o ft h r e e - p h a s eb r u s h l e s sd e m o t o r , t h e na m p l i f ya n ds h a p et h e m t h ee x e c u t i v em e c h a n i s mi st h ep a r to fc i r c u i t s w h i c hm p 。a s u l ea n dc a l c u l a t et h ei n p u ts i g n a l sa n da d j u s tt h er o t a t i o n a ls p e e d b a s e do nt h er e s e a c ho fc o n t r o ls c h e m e , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o ls c h e m e i nd e t a i l ，m a k e st h ed o u b l ec l o s e d l o o pp i dc o n t r o lp l a n , c o n t r o la l g o r i t h ma n d h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no nt h ed s et h es o f t w a r eu s et h em o d u l a rd e s i g nm e t h o d ， i n c l u d e si n i tm o d u l e , s t a r t 她m o d u l e ，g a t h e r i n gm o d u l e ，c o n t r o lm o d u l ea n d m a n m a c h i n ei n t e r f a c e sm o d u l e ，e t c t h ep a p e rg i v e st h es y s t e mp r o g r a mf l o wc h a r ta n d m o d u l ec h a r t , a n dp r e s e n tt h ed e s i g nt h o u g h ta n dp r o g r a ml i s tr e s p e c f i v e l y t h ep a p e r a l s ee x p l a i nt h ep r o g r a md i f f i c u l t y , a n di n t r o d u c et h ep r o b l e m st h a tm a yo c c u ra n dt h e c o r r e s p o n d i n gw a y c u r r e n t l y , d s pt e c h n o l o g yd e v e l o p sv a r yr e p i d l y , h a sb e e na p p l i e dt om a n yf i e l d s ， s u c ha si n f o r m a t i o np r o c e s s i n g 、c o m m u n i c a t i o n sa n di n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h i ss y s t e mm a k e sap o s i t i v ee x p l o r a t i o nf o rt h ef a r t h e rd e c l i n eo fp o w e r s y s t e mo p e r a t i n gc o s t sa n dr e l i a b i l i t yo fw a t e rs u p p l y c o n t r o ls y s t e m f o rt h el i m i t e dl e v e l 、t i m ea n ds o m eo t h e ro b j e c t i v er e a s o n s ，t h e r ea l es t i l lm a n y l a c ki nt h i st o p i c t h es y s t e mh a sn o tc o m p l e t e da l lt h ef i e l dd e b u g g i n g ，a n dp u to t h e r a l g o r i t h m s ( s u c ha sf u z z ya l g o r i t h m 、n e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m , c t c ) i n t ot h er e s e a c ho f c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m f u r t h e rr e s e a r c hs h o u l db ep r o c e e d e di nt h e f u r t h e rw o r ka n ds t u d y 4 p u )d s p p w mc o n t r o ld o u b l ec l o s e d l o o ps y s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：五显 日 期： 迎缉妇翻 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：玉卫导师签名：日 期：冱逐耋丑赴丝日 山东大学硕士学位论文 1 1 变速泵供水系统 第一章绪论 随着社会的发展，人们的居住环境越来越集中，加之社会生活品质的日益提 高，使得城市供水系统的负荷变化很大。以前通常采用大型蓄水池供水的方式加 以缓解。该方法供水压力稳定，但存在浪费严重，设备使用寿命不长，灵活性差， 需派专人管理等弊端。近年来在供水系统中引入了基于恒频变压调速技术的恒压 供水系统，较好地解决了以上的问题。 本系统的主体执行部分为是由三相无刷直流电机驱动的两套水泵组成。水泵 型号为l g 5 0 - 1 6 0 a ，其工作功率为2 2 k w ，启动电压为2 2 0 v 三相交流电，工作电压 为1 5 v 该型号水泵可保证供水流量在5 - 5 0 0 0m 3 h ，水压范围在0 1 - 1 5 m p a 。本文 设计的供水系统由两套水泵组成，这样可以根据需水量的多少灵活选择应用几套 水泵，来保证既满足用户的需水要求又不至于浪费。该系统所对应的蓄水池是1 0 m 3 ， 可同时为2 0 0 户用户提供用水，因此本系统适用于小范围内的居民用水。 智能供水系统由两套水泵组成，是为达到大范围恒压供水的目的( 如果需要 更大的供水量，可继续增加水泵套数) 。这样可以避免因一台水泵故障，导致整 个供水系统瘫痪的弊端。而且能利用水泵的运行曲线和工作效率的关系，使得多 套水泵轮流处于节能高效的运行状态，既节约能源又延长水泵寿命。 在系统运行中，随着用户供水量和控制台要求的变化，需要对各套水泵的运 行套数和运行状态做出调整，并加以做记录。这样，任何一套水泵在程序的控制 下，都可以工作在全速或调速状态。进步通过控制算法设计，可以保证两套水 泵的运行时间和开启次数接近，大幅度的减少对水泵组的磨损。 为了实现恒压供水，将出水管道( 即起始于水泵组，连接至小区用户的输水 线路) 的压力值经压力传感器进行检测。并把经过处理( 幅度范围) 的标准信号， 送入d s p 控制器。经d s p 控制器内部a d 采样和程序控制确定运行水泵的套数，并 进行p i e ) 运算，控制p w m 信号波形，以调整无刷直流电机的转速，从而控制供水 5 山东大学硕士学位论文 系统的压力平衡。 1 2 直流无刷电机控制 系统设计中所采用的水泵是三相无刷直流电机水泵。无刷直流电动机既有直 流电动机优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路 等优点，又有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，所以它一经 出现就以极快的速度发展和普及。正是基于无刷直流电机这样的优点，在本系统 中针对它进行了一系列的设计。 恒压供水系统是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定。 这 样，既可满足各部位的用户对用水量的需求，又不会产生电动机空转，造成电能 的浪费。无刷直流电动机是一种能够实现调速的性能良好的电动机。它的调速特 性为线性、控制性能稳定、运转性能优越，全控型的开关功率元件进行便捷的脉 宽调制控制。在保持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压实现调速。在调 速时，保持电枢电流不变，使得电动机的输出转矩不变，得到具有恒转矩特性的 大的调速范围，并实现水泵的运行速度由实际用水的多少来进行自动调节，比水 泵在额定转速下运行，可以大大节省电能，并且可以实现供水的全面自动化。因 此，这种恒压供水的技术得到了广泛的应用。传统的直流调速恒压供水系统采用 模拟调节技术，系统的构成比较复杂，调节繁琐，成本较高，性能和价格比较差， 不利于大面积推广。本系统采用d s p 控制芯片，以占空比可变的脉宽调制输出控制 电机的转速，从而保证水量的正常供给。为了提高大范围变负荷恒压供水系统的 控制精度和可靠性，提出了采用多台水泵分级控制，轮流运作的控制策略。 1 3 选题的意义 直流恒压供水系统是现代化城市和生活小区供水的发展方向，是现代电子控 制技术在民用领域的有效应用。系统所选用的无刷直流电动机兼顾了直流电机与 交流电机的优势，目前已经得到了非常广泛的发展。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 不但具有高性 能的l f 2 4 xd s p 内核，配置有高速数字信号处理的结构，而且还具有单片电机控 6 山东大学硕士学1 立论文 制的外设功能。它将d s p 的高速运算功能与面向电机的强大控制能力结合在一起， 从而成为传统的单片机控制系统的理想替代品。本系统采用d s p 控制直流无刷电机 驱动的水泵组，工作可靠，实现容易，高效调节，性能优越且价格低廉，是非常 理想的小区智能供水系统。 1 4 本文的主要工作 在系统的设计过程中，进行了大量的资料查阅和学习研究。较为充分的了解 了国外、国内的各类智能供水系统和先进水泵机型，重点针对无刷直流电机的工 作原理和控制策略，以及在供水系统中的应用前景进行了深入的分析研究。另外， 进行了广泛的实际调研，收集到了小区供水系统的设计要求，限制因素等，认为 采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 作为整个系统的控制中枢能够很好的满足实时性、快速 调节、稳定性、易维护性等设计指标。 系统分为直流电机控制和数据采集及处理两部分，分别进行了设计，并采用 两篇论文加以描述。 作为变速泵供水系统的重要组成部分，本文着重讨论了直流无刷电机的d s p 控制技术。 主要器件的选型： 本系统的主控芯片采用的是t i 公司的c 2 0 0 0 系列d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 2 4 0 7 a 。相对于传统的单片机，此种信号的d s p 芯片具有集成度 高，速度快，专业的电机控制设计，内嵌了a d 、捕捉等模块，从而降低 了价格，增强了实用性。采用水泵的型号为l g 5 0 - 1 6 0 a ，用三相直流无刷 电机驱动。单套水泵可同时为2 0 0 户用户提供用水，适用于小区内的居民 用水。通过多套水泵的协同工作，可以扩大应用的范围。 控制策略的设计： 在本系统中，三相直流无刷电机采用全控型的开关功率元件进行p w m 脉 宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 。为了使得系统具有良好的调速性能， 构建了一个双闭环系统，即速度外环和电流内环，因此，需要电压调节器 和电流调节器。两种调节器采用的都是p i d 调节器，即比例、积分和微分 7 调节器。另外，为了使得两套水泵进行合理的协同运作，制定了相应的软、 硬件支持。 相关技术的研究： 通过对大量文献的学习后，讨论了针对智能恒压供水系统的相关技术。主 要包括t m s 3 2 0 c 2 4 0 7 a 的功能与应用，p w m 控制波形的生成，三相无刷 直流电机的定频调压控制和p i d 算法等。并且，针对特定的客观实际应用 环境，将p i d 控制算法进行了改进。 总体方案： 本文设计了直流无刷电机的d s p 控制系统的总体结构。通过对d s p 控制 器的控制波形产生、闭环控制p i d 算法、p w m 控制及信息反馈等技术确 立了总体框架。 硬件设计： 根据选定的主要硬件芯片和无刷直流电机等元器件，完成了硬件电路的设 计。围绕着d s p 核心部件，详细讨论了各部分主要电路的组成及工作原理。 软件设计： 给出了系统的总体软件框图和软件设计的思路，分模块讨论了系统的初始 化，假中断处理， d 中断程序，电流调节程序，捕捉中断程序，换相程 序，速度调节程序等，并针对具体问题加以说明。 山东大学硕士学位论文 第二章变速泵供水系统整体设计方案 2 1 变速泵供水系统的总体设计方案 2 1 1 设计框图 恒压供水系统能够保证用户端出水管道的水压恒定，不管用水量大小，总保 持管道水压，水塔或蓄水池中压力和水位基本不变。通过感知管道中水压的变化， 自动的调整水泵组的工作状态。这样，不同时间、不同地点，不同用户对用水量 的需求就能够得以满足，而且不会产生电动机空转，以节省用电。 系统总的设计框图如图2 1 所示： 1 d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 72 液位传感器3 压力传感器 图2 1 系统总体设计框图 如图2 1 所示，控制器是以t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心组成的，它 具有运算速度快、处理能力强、实时性高和抗干扰能力好的特点，并可利用它丰 富的指令集，通过软件实现系统的各种控制及检测功能，从而大大提高系统的处 9 山东大学硕士学位论文 理能力。 为了实现恒压供水，系统首先通过液压传感器周期性地采集出水管道中的水 压信息，并变送成( 幅度范围) 标准信号，输入到d s p 控制器的a d 模块中进行a d 转换、滤波和尺度变换，将该模拟量水压信息转换为数字量水压信息。d s p 控制器 通过检测实际水压信息与人为设定的水压值进行比较，形成水压偏差。然后，依 据水压偏差，通过相应的算法设定水泵组的运行模式，使各套水泵运行于全速、 变速或者停止状态。确定变速泵的运行速度，周期性的与直流无刷电机的实际转 速相比较，形成转速误差，按照双闭环p i d 控制算法规律，控制输出的p w m 波形信 号，通过改变p w m 波形的占空比来调整无刷直流电机的平均电枢电压，进而控制转 子的转速，改变变速泵的抽水速率，维持出水管道中水压的稳定。例如当出水管 道中的水压小于设定水压时，通过p i d 算法的计算，改变输出p w m 波形的占空比来 改变电机的转速，使变泵转速加快，入水量加大，使出水管道中的水压上升，以便 维持在水压设定值上；反之，水泵转速下降，入水量减小，使出水管道中水压下降。 通过这种方式就可以使水塔中的水压维持在设定值的水压上，构成了以设定水压 为基准的闭环控制系统。 2 1 2 设计要求 系统采用2 台水泵，一台作为主泵，一台作为辅助泵，并可以人工选择 哪台作为主泵，哪台作为辅助泵。控制器跟据用水量的大小自动选择 需投入运行的水泵数量。一般情况下，主泵跟据采样的实际水位值变 速运行，辅助泵停机待命。但当主泵全速运行水位仍低于设定水位值 时，则启动辅助泵运行。 系统包括人机接口，通过l e d 实时的显示当前的水压值；并可以通过 键盘输入p i d 控制参数、选择不同水泵、选择转速显示、选择水压显示 及系统复位等。 系统设置报警装置，当当前水压值高于水压上限时，水压上限报警灯 亮；当当前水压值低于水压下限时，水压下限报警灯亮。 系统设置j t a g 接口，以实现程序的下载、仿真及调试。 系统预置了与上位机的串行通信接口，以方便与p c 机的通信或作为 l o 山东大学硕士学位论文 _ _ _ l _ l _ _ _ _ i _ i llpq li , i _ l _ _ 目_ 墨_ _ _ _ i - i - 后期扩展所用。 2 2 直流无刷电机控制部分设计要求 在变速泵恒压供水系统中，三相无刷直流电机的控制部分是控制系统的核心， 其设计要求是： 1 ) 通过键盘人工选择哪台水泵作为主泵，哪台作为辅助泵；输入标准水压值， 输入p i d 控制参量，选择转速显示，选择水位显示，系统复位等。其中标准 水压值指的是出水管道中的理想水压值，是整个电机控制部分的核心参量， 水泵组运行模式的转换和速度调节都是围绕标准水压值来进行的。 2 1 通过液位传感器采集到水源的水位值，通过液压传感器获得出水管道水压实 际值，并进行转换、整形、储存。经过放大处理后，输入到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的a d 转换器进行转换，得到数字量，然后进行数字滤波，尺度变换，转 化为适宜的数字参量，用以储存和显示。 3 ) 将出水管道实际水压值与标准水压值相比较，得到用户需水量变化的有关信 息，即水压差值。 4 ) 根据水压差值设定水泵组的工作模式。调整水泵的工作套数，并确定各运行 中水泵的工作状态，在全速运行和变速运行间互相转换。根据每套水泵工作 时间，轮流调换处于工作状态的水泵，使得两套水泵的工作总量相近，损耗 相似。 5 _ ) 通过p i d 算法，改变p w m 波形，对处于变速工作状态的水泵进行调速。本 系统采用双闭环p i d 算法控制，分别对转速和电流进行闭环调节，这样可以 在获得灵敏反应的同时，使出水管道实际水压值快速达到标准水压值，并保 持稳定。三相无刷直流电机采用的是定频调压调节法，通过改变p w m 波形 的占空比，来调节电机电枢上的平均电压，从而控制转子转速，这样就使得 抽水速率得以调整。 三相无刷直流电动机的双闭环控制方式，如图2 2 所示。其中给定速度 是根据出水管道的标准水压值和实际水压值的偏差，通过相应算法而得到的 水泵的理想标准转速。 1 2 图2 2 三相无刷直流电动机的双闭环控制框图 6 ) 在水泵组的设定工作状态的情况下，调整变速水泵的转速，使出水管道实际 水压值最终保持并稳定在标准水压值上。通过人机接口，随时接受命令并且 显示状态。根据输入的命令进行水泵的控制，并把水泵、出水管道、水源的 状态显示到人机接口。 由东夭学颈学位论文 舞蔓嘲_ _ _ _ 期_ _ _ _ 皇皇皇量篁i l l l i i i l l l , ip li i ii l l l l l li i i i 一 3 1 第三章相关技术及理论 3 1 10 s p 的介绍 本文采用t l 公司推出的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为无刷直流电机全数字控 制的核心，组成的伺服系统只需要很少的系统元件。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是美国t i 公 司推出的高性能1 6 位数字信号处理器( d s p ) ，是专门为电机的数字化控制丽设计 的。这种d s p 包括一个定点d s p 内核及一系列微控制器外围电路，将数字信号处 理的运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体，可以实现用软件取代模拟器 件，方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障检测、自诊断和与上位机通 信等功能。它的主要参数见表2 一l 。 表2 一l ：l f 2 4 0 7 a 的主要参数 参数蜀鹾$ 3 2 0 睨4 0 7 m i p s ( 4 0 m h z ) 4 0 m i p s 爻度磁 d a r a m5 4 4 1 6 位s a r a m 2 k f l a s h ( 礤鼬)3 2 k 比较p w m 1 2 1 6 l o 蕴蛾 1 6 令遴遭 通用定时器 4 睾行疆 c a n 、s p l 、s c 墨 供电电压 3 3 v 3 王2d s p 的功筢 如图3 1 所示，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有以下一些特点： 山东大学硕士学位论文 图3 - 1t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 结构框图 低功耗设计核心部分电源采用3 3 v 供电，i o 部分采用3 3 v 供电；4 0 m i p s 1 4 国东大学硕士学位论文 ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ，每秒嚣万条指令) 的运行速度使得单用期指令 执行时间可达5 0 n s ，即2 0 m i p s 的处理能力。 基于t m s 3 2 0 c 2 4 xd s p 的c p u 核保证7t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的d s p 代码和 t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 片内高达3 2 k 的飘a s h 程序存储器，2 k 的单口r a m ( s 刘珏濑) 。 两个时间管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：4 个1 6 通用定时器；1 6 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它的功能单元包括：非对称对称波形发生器； 可编程的死区单元( d b u ) ；输出逻辑；空间矢量( s v ) p w m 状态机。 9 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚。 1 0 位1 6 通道a d c ，每通道转换时间为3 7 5 n s ，两个独立的最多可选择8 个模 拟转换通道的排序器，可以独立地以双排序器模式工作，或者级联之后工作在 一个最多可选择1 6 个模拟转换通道的排序模式。 外设接阴包括一个s p i 串行外设接口、一个s c i 串行通信接口、一个c a n 总线接口 增强的控制局域网络( c a n ) 模块1 6 位的外设模块，具有以下特性：完全支 持c a n 2 0 b 协议；提供6 个邮箱给对象，其数据长度为0 - - 。8 个字节；针对邮 箱0 、1 和2 、3 有局域接收屏蔽寄存器( l a m n ) ；可编程比特率；可编程汇 中断配置；可编程的c a n 总线唤醒功能；自动回复远程请求；当发送磁现错 误或仲裁丢失数据时能自动重发；总线错误诊断功能；自测试模式；两引脚通 偿 l 嗣4 看门狗定时器模块( w d t ) 。 p l l 时钟模块 电源管理包含i d l e 、h a l t 2 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功 耗模块。 3 1 3 采用d s p 的优势 4 0 m i p s 的运行速度，纂髑期指令执行时鬻5 0 n s ，邵2 0 m i p s 的处理能力。 随着对智能化电气设备的感应灵敏度的要求越来越高，运行速度就成为了 衡量系统质量优劣的关键。d s p 拥有计算速度上的很大优势，能够给系统 性能提供很大的提升空间。 山东大学硕士学位论文 以往的无刷直流电机多由单片机附加许多种接口设备构成，不仅复杂，而 且速度也受到限制，难于实现从位置环到速度、电流环的全数字控制，也不 方便扩展。而应用数字信号处理器( d s p ) 实现的电机伺服系统却可以只用 一片d s p 就可以替代单片机和各种接口。扩展方便，可以实现位置、速度 和电流环的全数字化控制。这样，d s p 的高速运算功能与面向电机的强大 控制能力结合在一起，从而成为传统的多微处理器单元m c u 和多片设计 系统的理想替代品。 采用了低功耗，新材料设计，性价比有了大幅提高。另外，集成化的提高 也节约了成本，降低了价格，提升了市场竞争力。 l f 2 4 0 7 还可用适应控制、卡尔曼滤波和状态控制等先进的控制算法，支持 多项式的高速实时计算，因而可以减少力矩波纹，增强系统性能，降低功 耗，减少振动，从而延长被控设备的使用寿命，为各种类型的电机提供了 高速、高效和全变速的先进控制技术。 3 1 4 用d s p 事件管理器产生p n 控制波形原理 事件管理器( e v ) 是专为电机控制而设计的专用模块。它能够产生可调死区 的各种p w m 波，可通过增量式光电编码器接口测量电动机的转速、转角、角位移。 通过捕捉功能模块能够测量脉宽。这里仅介绍用d s p 事件管理器产生p w m 控制 波形原理。 p w m 波是一种脉宽可调的脉冲波，用于交、直流电动机的电压控制。定频调 宽是一种最常见的脉宽调制方式，它使脉冲波的频率( 或者周期) 保持不变，只 调整脉冲宽度。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 用定时器的周期寄存器的周期值和比较器的 比较值来实现产生p w m 波的方法。周期值用于产生p w m 波的频率( 周期) ，比 较值用来缠上p w m 波的脉宽。因此，比较值小于周期值。用死区单元添加死区功 能。 每个事件管理器都有3 个比较单元、一个比较控制寄存器c o m c o n x 和1 个 比较方式控制寄存器a c t r x 。每个比较单元都有一个比较寄存器c m p r x ，和两 个p w m 输出引脚。用这些硬件可以产生6 个带有死区的输出，用于控制三相逆变 桥。 1 6 凌衰大学硕士学位论文 死区是用来防止同桥臀的上、下两个开关直通。在桥式驱动电路中，周一 桥臂的上下两个开关管工作在甄为反相状态，即在一个开关管处于“开”状态时，另 一个开关管处于“关”状态，但是由于开关管的“开”和“关”时刻所用的时间不同，就 有可能使得两个开关管都处于歼状态，造成短路事故。因此，在两个开关管开关 交替的时刻，插入一段全部关的时闻，即死区，确保一个开关管彻底关闭矮，另 一个再打开。 产生的p w m 控制波形如图3 2 ，图中所示的是t x p w m 引脚高有效输出波形。 计数值 p 撇弓| ( 高有效 比较值 周期值 ( p w m 周期) 图3 - 2d s p 产生的p w m 控制波形 将定时器设置在连续增计数方式磊产生，在技术初擅设置为0 且比较僮小于 周期值的条件下，当计数器的计数值计到等于比较值，在t x p w m 引脚上出现正 跳变；然后，计数器继续计数。当计数值等于周勰值时，在t x p w m 雩| 脚上逃现 负跳变，同时，计数器复位为0 ，完成一个p w m 周期。 占空比的计算公式为： 识= 筹= 争以哦；炉器= 型嚆挚塑 改变比较值可以改变p w m 波的占空比；改变周期值可以改变p w m 波的频率。 1 7 出家大学硕士学位论文 3 。2 闭环控制p i d 技术介绍 闭环控制系统( c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y a e m ) 的特点是系统被控对象的输出( 被控 制量) 会反送回来影响掇制器的输国，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反 馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( n e g a t i v e f e e d b a c k ) ，若极性相同，则称势正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称 负反馈控制系统。 p i d 全称比例( p r o p o r t i o n ) 一积分( i n t e g r a l ) - 微分( d e r i v a t i v e ) 控制器，是自 动控制系统设计中最经典，应用最广泛的一种控制器，实际上是一种算法。 p i d 控制器闯世至今已有近年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可 靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完 全掌握，或得不到精确的数学模型时，控翎理论的其它技术难以采用时，系统控 制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用p i g ) 控制技术最为 方便。 任何闭环控制系统都有它固有的特性，可以有很多种数学形式来描述它，如 微分方程、传递函数、状态空间方程等。镳这样的系统如果不做任何的系统改造 很难达到最佳的控制效果，比如快速性，稳定性，准确性等。为了达到最佳的控制效 果，我们在闭环系统的中赫加入p i d 控制器，改造系统的结构特性，并且调整p i d 参数来实现 3 2 1p i d 控制的原理与特点 p i d 控制，实际中也有p i 和p d 控制。p i d 控制器就是根据系统的误差，利用 比例、积分、微分计算斑控制量进行控制的。 i ：比例( p ) 控制 在比例控制中，其控制器酶输潞与输入误差信号成比铡关系。当仅有比例控制 时系统输出存在稳态误差( s t e a d y - s t a t ee r r o r ) 。 i l ：积分( i ) 控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。为了消除稳态 误差，在控制器中必须弓l 入嘲分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间 l s 山东大学硕士学位论文 的增加，积分项会增大这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加 大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+ 积分( p i ) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 ：微分( d ) 控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比 关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因 是由于存在有较大惯性组件( 环节) 或有滞后( d e l a y ) 组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化，而“微分项”能预测误差变化的趋势。具有比例+ 微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避 免了被控量的严重超调。所以，比例+ 微分( p d ) 控制器能改善系统在调节过程中的 动态特性。 以下就是模拟p i d 控制系统的原理图： 图3 3 模拟p l d 控制系统