DSP直流可逆调速系统设计终稿.docx

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY本科生毕业论文（设计）题 目： 基于DSP直流可逆调速系统的设计 学生姓名： 指导教师： 学 院： 信息科学与工程学院 专业班级： 完成时间： 2012年6月 摘 要伴随着科技的进步和工业控制数字化的到来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。为满足现代工业需求，实现精准、高效的全数字化控制使得电机的控制要求越来越高，人们开始不断寻求最为有效、集成度最高、控制最精确的控制方式。随着新型电力电子器件的不断出现和计算机控制技术的发展，一种采用全控型开关功率元器件进行脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)的控制方式逐渐成为主流。与此同时，高速数字信号处理器问世并不断发展，使得基于高速处理器（DSP）的全数字化电机控制方式成为可能，并在实际应用中发挥强大的作用，明显改善控制系统性能，提高生产效率。本文在深入分析直流脉宽可逆调速系统的工作原理和数学模型的基础上，对其全数字化控制技术及其模糊控制策略进行了系统研究。论文首先简要叙述了课题的研究背景，介绍电机拖动在国内外的发展简况以及直流调速系统的发展历史。论文立足于工程实际应用，基于设计要求，深入分析直流脉宽调速系统原理，设计相关的硬件电路和软件算法，并对PI控制算法与模糊控制算法进行研究。本方案选用德仪公司生产的电机专用数字信号处理芯片TMS320F2407A，完成了直流可逆调速系统的控制器设计与制造。并在此基础上分析了控制策略以及在传感器检测、电机驱动、主功率电路应用、人机交互和通讯接口等方面展开了讨论。完成了相关的硬件设计并在实际中加以检验。关键词：直流可逆调速系统、PWM、DSP、硬件设计、PI控制和模糊算法ABSTRACTAlong with advances in technology and the arrival of the digital industrial control, the structure and control methods of DC motor have undergone great changes. In order to meet the needs of modern industry, what achieve accurate, efficient all-digital control makes the motor control of increasingly high demand. People began to seek the most effective, the most integrated and the most accurate way to control. With continual emergence of new power electronic devices and development of computer control , a full-controlled switching power components for pulse width modulation (Pulse Width Modulation, PWM) control is becoming the mainstream. At the same time, the high-speed digital signal processors come out and continues to develop, making the all-digital high-speed processor (DSP)-based motor control as possible and play a strong role in practical applications, significantly improving the control system performance and increasing the productivity .On the base of the analysis of the working principle and the mathematical model of DC PWM reversible speed control system ,the digital control technology and the fuzzy control strategy have been systematically studied. This paper briefly describes the research background and introduces motor drag in the development history of domestic, international profiles and the DC Speed Control System. The thesis is based on the practical application of engineering-based design requirements, in-depth analysis of the principle of DC PWM speed control system, the design of hardware circuitry and software algorithms, and the PI control algorithm and fuzzy control algorithm. This paper selected the digital signal processing chip of TMS320F2407A produced by the Texas Instruments. And this paper analyzed the strategy as well as the sensor detectors,the motor drive, human-computer interaction communication interface, the main power circuit applications. Finaly I complete the hardware design and test them in practice.KEY WORDS: DC reversible speed control system ，PWM， DSPhardware design ，the PI control and fuzzy algorithmIV目录摘 要IABSTRACTII目录II第一章 绪论21.1本课题的研究背景和意义21.2 国内外电机拖动发展简况21.3直流调速系统的发展历史21.3.1 G-M系统21.3.2 静止式可控整流器21.3.3 直流脉宽调速系统21.4 本论文主要内容及设计要求2第二章 PWM直流可逆调速系统原理22.1直流调速系统的控制方法22.2 H型可逆PWM系统DSP控制分析22.2.1单极性可逆PWM变换器22.2.2双极性可逆PWM变换器2第三章 基于DSP控制系统的硬件设计23.1系统总体组成23.2 系统参数计算与器件选型23.2.1 主电路及相关参数计算23.2.2 IPM选型及介绍23.2.3 控制器选型23.3 系统功能模块电路设计23.3.1 系统电源电路设计23.3.2 正交编码脉冲电路设计23.3.3 传感器检测及保护电路设计23.3.4 通讯模块接口电路设计23.3.5 IPM驱动与保护电路设计23.3.6 外部扩展电路设计2第四章 直流可逆调速系统的软件设计24.1 DSP开发环境24.2 上位机程序设计24.2.1 触摸屏组态软件介绍24.2.2上位机界面编程24.3系统软件设计24.3.1 主程序模块24.3.2 PWM波形生成子程序24.3.3 中断服务子程序24.3.4 DSP与触摸屏通讯程序24.3.5 打印机程序设计24.4速度、电流调节器算法设计24.4.1数字增量式PI控制器的设计24.4.2模糊控制器的设计2第五章 基于MATLAB的控制系统仿真25.1直流电动机的数学模型与仿真25.2直流可逆调速系统的仿真25.2.1直流可逆调速系统的仿真模型25.2.2控制系统的仿真结果与分析2总结2参考文献2致谢2附录12附录22基于DSP直流可逆调速系统的设计 Error! No text of specified style in document.第一章 绪论1.1本课题的研究背景和意义随着电气时代的到来，电机应运而生，成为了重要的动力来源。近年来，随着电机的结构和控制方式的改变，直流电机的地位一再受到威胁，尽管交流电机具有相当的优势，但直流电动机的良好的调速性能、简便的控制方式和较高的控制精度使得其仍在许多中小型电机应用中发挥作用。然而其能源利用率较低，资源浪费较为严重，这使得寻求一种更为有效的直流电机控制方式成为必然。随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，电气传动技术正面临着一次新的改革和刷新。尤其是微型计算机控制技术及大规模集成电路的发展使得直流电机调速技术正向数字化，高频化和智能化发展。为了使直流调速系统与信息系统紧密结合，提高系统集成化智能化，提升系统的运作性能，必须实现直流调速系统的全数字化控制。单片机在数字化调速系统应用中起着十分重要的作用。例如由 Intel 公司 1983年开发生产的 MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。飞思卡尔公司生产的MC9S12XS系列单片机，其中目前应用于智能汽车比赛的XS256单片机就是一款集成度极高数字运算处理能力较强的单片机。但随着直流电动机性能的不断改进和电机调速要求不断提高，控制算法和控制策略日益复杂，此时就需要高性能，高速度的新一代处理器，于是出现了新一代的数字信号处理器DSP(Digital Signal Processing),此时DSP在电机调速的应用中发挥出惊人的优势。DSP 芯片生产商主要有：Motorola 公司、ADI公司和TI公司，本课题采用的DSP芯片是TMS320LF2407A，该芯片专为电机控制而设计研发的。本课题以双闭环控制的直流有刷电机为研究对象，设计出基于DSP的可逆直流调速控制系统的实验装置。本论文的选题不论是从理论上还是从实践上都有十分重要的意义。1.2 国内外电机拖动发展简况1820年奥斯特发现了电流在磁场中受力的物理现象，随后由安培对这种现象进行总结。在此基础上人们在实验室里制造出直流电动机的模型。1834年亚哥比制造出第一台可供使用的直流电动机，1838年人们将亚哥比直流电动机用于拖动电动轮船实验，小艇在涅瓦河上载运11人，以4km/h的速度顺流而下和逆流而上，获得成功。这是人类制造出的最早的可供实用的电动机，也是最早的电力拖动。当时还没有可供实用的发电机，为电动机供电的是化学电池。1831年法拉利发现了电磁感应定律，为生产制造各种电机提供了依据。此后制造出直流发电机，替换了昂贵的化学电池，为直流电动机的扩大应用提供了电源。可见在电机和电力拖动发展史上首先得到应用的是直流电动机。1871年凡麦尔准发明了交流电机。1878年亚布洛挈夫使用交流电动机和变压器为他发明的装置供电。1885年意大利物理学家费拉利斯发现了二相电流可以产生旋转磁场，一年后费拉利和美国的恒斯拉几乎同时制造出两相感应电动机的模型。1888年多里沃多勃罗沃尔提出三相制，并制造出三相感应电机。此后三相交流电机迅速发展起来。到20世纪初，现代各种电机均已世界制造成功。进入20世纪之后，人们在降低电机成本，减小电机尺寸，提高电机性能，选用新型电磁材料，改进电机生产工艺等方面进行大量工作。当今电机拖动技术已步入广泛应用，交流电机应用日益普及，但直流电机仍在应用中占很重要的位置，由于其线性调速性能好，控制简单，高质高效平滑运转的特性使得直流电机仍然在许多小功率应用场合处于不可替代的位置。我国的电机制造工业实际上是解放后才发展起来的，解放前由于我国长期处于半封建半殖民地的地位，工业基础十分薄弱。仅有些小电机厂，设备简陋，大多数属于修理和装配性质的，解放后我国的电机制造业得到迅速发展。50年代迅速的建成了一批如哈尔滨电机厂，上海电机厂，沈阳变压器厂等大型电机制造骨干企业。1958年浙江大学与上海电机厂等合作研制出世界第一台1.2万kW双水内冷汽轮发电机，与同年12月在上海南市发电厂并网发电，一举振动了国际工业界。现在我国已能对外出口成套大型发电设备。目前，美、俄、瑞士等电机发达国家已经制造出115123万kW汽轮发电机，美国制造出70万kW的水轮发电机。与这些国际先进水平相比，我国电机制造业尚有一定的差距，尚需我国电气科技工作者继续努力。随着各类电机的制造成功，电力拖动技术也迅速的发展起来。长期以来，直流电动机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。近年来不断受到其他各种电机(如交流变频电动机、步进电机等)的挑战，但它具有的线性调速特性、简单控制特性、高效平滑运转的特性使得其性能无人能比。在欧美国家，大型生产装置和成套生产线仍然多用直流调速。近年来，随着计算机技术的飞速发展，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使得直流电机调速有传统的模拟调速逐步转变为基于高速数字控制器的数字调速，应用最广泛的是PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制技术。1.3直流调速系统的发展历史直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。直流电动机控制技术在短时间内实现飞速发展，并得到长时间的应用，一直占据着调速控制的统治地位。然而随着电机结构的变化以及新型电机技术的发展，其地位不断受到其他传动电机的挑战，但由于其良好的调速性能、简便的控制策略和较高的控制精度使得其能在现在许多中小型电机厂得到足够的应用。随着永磁材料和工艺的发展，已将直流电动机的励磁部分用永磁材料代替，产生永磁直流电动机，这种电机结构简单，体积小，能源利用率高，在生产实践中得到充分的应用。 经过这些年的发展，直流电机控制技术目前较为成熟，考虑到经济可行调速范围和性能等问题，变压调速成为控制直流电动机的主要方法，即调节直流电动机的电枢电压，然而根据控制电机电枢电压所用的可控电源不同可以将电机调速方法分为如下三种： 1)：采用旋转变流机组调速法，即使用交流电动机和直流电动机组成变流机组，获得可调的直流电压。2)：使用静止式的可控整流器获得可调的直流电压法。3)：使用直流斩波器或脉宽调至变换器法，即利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，从而产生可变的直流电压法。1.3.1 G-M系统图1.1 变流机组直流调速系统（G-M系统）原理图图1.1为最早使用的由旋转变流机组供电的直流调速系统。该调速系统曾广泛应用于20世纪60年代以前。由上图可知，通过三相异步电动机M拖动直流发电机G发电，然后由直流电动机G给直流电动机M供电，通过调节G的励磁电流if来调节发电机G的输出电压，即直流电动机G的电枢电压，从而实现系统调速。 由于旋转变流机组的运行效率低、工作噪声大、电机维护困难以及设备安装条件苛刻，这使得旋转变流机组不久被新的调速方案所取代。1.3.2 静止式可控整流器为了克服G-M系统的上述缺点，在20世纪60年代以后人们开始采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。其中当时最为成功应用最为广泛的是离子拖动变流装置。随着电力电子技术的高速发展和新的电力电子器件的出现，尤其晶闸管的问世，使得基于可控整流器的调速系统逐步取代前面的G-M系统和离子拖动变流装置。图1.2所示为晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图。图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的移相触发脉冲的控制电压 Uc即可改变VT的输出电压，即电动机的平均电枢电压Ud，从而实现电机调速。图1.2 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）与G-M系统和离子拖动变流装置相比，V-M系统具有较好的稳定性和经济性，不仅省去了笨重的设备，其控制策略变得简单可行，设备维护成本降低。由于晶闸管的单向导电性，使得电动机的可逆运行难以实现，为了实现电动机4象限运行，实现电动机正反转，则需要采用正、反两组全控整流电路，此外，晶闸管对过电压，过电流和过高的didt和dudt都十分敏感，这使得必须要有可靠的保护电路和符合要求的散热条件，而且在选择器件时还应留有一定的余量。最后由于晶闸管可控整流装置在谐波和无功功率上造成的“电力公害”使得其很难进一步大规模的普及应用。1.3.3 直流脉宽调速系统随着新型全控型电力电子器件的出现以及高频变换器的发展，使得全控型开关变换器整流装置逐步在电机调速系统中得到应用和发展，并形成脉宽调制-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统。图1.3 桥式可逆脉宽调速系统原理图图1.3给出了一种可逆脉宽调速系统的基本原理图（略去续流二极管），由于VT1VT4共四个电力电子开关器件构成桥式（即H桥）可逆脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）变换器。VT1和VT4同时导通和关断，VT2和VT3同时通断，使得电动机两端承受电压+Us或-Us改变两组开关器件导通的时间，也就改变了电压脉冲的宽度，得到电动机两端电压波形如图1.4所示：图1.4 桥式可逆脉宽调速系统电压波形图如果用ton表示VT1和VT4的导通时间，T为开关周期，蟻为占空比，则电动机两端电枢电压平均值为：Ud=tonTUs-T-tTUs=2tonT-1Us=2蟻-1Us （1.1）与V-M系统相比，直流PWM系统具有如下优点：1)：主电路线路简单，需要的功率器件少。2)：开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热较小。3)：低速性能好，稳定度高，调速范围宽，可达1：10000左右。4)：若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5)：直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。6)：功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，在满足电动机调速需求下可以改善开关损耗，因而提高系统装置的效率。基于上述优点，直流脉宽调速系统应用日益广泛，现已经完全取代了V-M系统。1.4 本论文主要内容及设计要求88基于DSP直流可逆调速系统的设计 Error! No text of specified style in document.本论文主要对直流可逆数字调速系统的原理、结构和控制策略进行深入的分析，详细的给出系统的硬件基本功能原理图，并绘制出系统的软件程序流程图，并附上整个控制系统的控制程序，在原理设计基础上并对系统进行存储器扩展，增加部分外设接口，比如打印机接口。软件上，着重分析双闭环控制器，重点讨论PI控制器与模糊控制器在直流可逆调速系统的作用与区别，最后并给出相关的仿真设计与实验结果。本论文最后对整个系统的设计做了一个总结和展望。本论文的主要设计要求：1)：通过毕业设计，培养查阅、整理科技文献资料以及独立从事科研工作的能力。2)：查阅相关教材、论文、资料，了解实验方法并结合实地考察，消化整理有关文献资料，撰写一份15页以上的调研报告。3)：熟悉相关设备的运用，掌握嵌入式C语言的实时程序设计，能熟练使用开发工具（Autium Desinger、Matlab、Labview）设计和调试相关模块；4)：以DSP高速控制器为核心，设计具有CAN通信接口，有组网能力，高时间分辨率、高采样速率、高精度的新型直流调速系统；5)：编写相应的调速软件，检测速度、电流，并获取实验结果以及设计相关的人机接口，通信接口。6)：撰写毕业设计论文，阐述系统设计方案，并对此进行归纳总结。第二章 PWM直流可逆调速系统原理2.1直流调速系统的控制方法直流电动机的转速n的表达式： （2.1）上式中：n电动机的转速 U电动机电枢两端的电压 电动机电枢回路的电流 电动机电枢回路的总电阻由公式（2.1）式可知，直流电动机的调速方法有如下三种：1)：电枢串电阻Ra调速法。2)：降低电源电压U调速法。3)：弱磁调速法。电枢回路串电阻调速法只能实现电机的有级调速，且系统的稳定性差，调速范围受限，无法满足大部分工业需求；弱磁调速法只能实现高于电动机额定转速的速度调节，其调速范围有限，不能适应大部分的控制要求；而降低电源电压调速法不仅具有较硬的机械特性，其控制简单，系统的稳定性好，并且能实现大范围的无级调速，能满足现代工业控制要求。经过对上述调速控制方法的对比分析，我们得出采用调节电源电压的方式控制电动机的转速。 由于电动机是感性负载，电动机电流不能突变，为了使电动机具备较好的稳定性又具有良好的动态性能，我们采用双闭环直流调速控制系统，此控制策略能实现在允许条件下的最快起动，在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，当电动机转速达到预期稳定后，只有转速负反馈调节，此时不再让电流负反馈发挥作用。为了获得良好的静、动态性能，我们选择PI控制器作为转速、电流调节器，并实现转速调节和电流调节嵌套联接，其系统原理方框图如图2.1所示：图2.1 双闭环直流调速系统原理方框图由图可知为给定电压，转速反馈电压为Un，ASR的输出电压作为ACR的输入给定电压，而电流调节器ACR的输出Ui控制电力电子变换器的平均输出电压Ud。此外调节器ASR、ACR应添加限幅环节，以防止数据溢出。2.2 H型可逆PWM系统DSP控制分析由于调节电枢电压时，保持电枢电流不变，即保持电动机的输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的大调速范围，因此大多数应用场合采用电枢电压控制方法，我们研究课题将采用DSP控制电机电枢电压。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式，即是半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机的电枢电压，实现调速。为了使电动机满足大多数应用场合，应使电动机既能工作在正转也能工作在反转状态，且相互间可以安全稳定切换，为了实现这中要求，我们采用可逆PWM变换器，可逆PWM可逆变换器主电路有多种形式，最常用的是H型桥式电路。2.2.1单极性可逆PWM变换器根据电动机电枢两端电压在一个PWM周期内的极性是否改变，可以将可逆PWM变换器的控制方式分为双极式，单极式。图2.2是H型单极性可逆PWM变换器。图中VT1VT4是IGBT功率开关管，D1D4为续流二极管，此外含有4个RC吸收电路主要其缓冲保护作用。图2.2 H型单极性可逆PWM变换器单极性制可逆变换器的4个驱动电压满足如下关系：Ug1=-Ug2， Ug3=-Ug4根据图2.2可知，当电动机正转时，H桥导通回路为1、2，此状态下VT4保持常闭，VT3保持常开状态，VT1开关管的导通与关闭由PWM控制信号决定，而VT2则受PWM的反向控制信号控制；当电动机反转时，H桥导通回路为3、4，此状态下VT1保持常闭，VT2保持常开状态，VT3开关管的导通与关闭由PWM控制信号决定，而VT4则受PWM的反向控制信号控制。其工作原理如下：当电动机正转时，且回路中串有一定大小的电感，使得电枢回路中电流连续时，此时电动机电枢两端平均电压Ua大于电动机的感应电动势Ea，相对VT1而言，在每个PWM周期的导通时间区内，VT1导通，电流回路为1，电动机两端电压为电源电压；在PWM周期的关闭时间内，由于VT1关闭，电机回路中存在电感，使得电枢回路电流不能突变，且回路电流经过二极管D2续流，电流回路为3，电动机两端电压为0，由于D2的钳位作用，使得VT2关断。当电动机由正转切换到反转时，电动机首先完成制动动作，制动过程中，电机电枢平均电压Ua小于感应电动势Ea。对VT1而言，在每个PWM周期的导通时间区内，由于电机本身的感性特性，使得电机电流流经二极管D4、D1，电动机处于再生制动状态，其电流回路如图中曲线4所示；在每个PWM周期的关闭时间内，VT2导通，电流通过VT2、D4续流，此时电动机处于能耗制动状态。电动机的制动液可以采取电机反转制动，提高制动速率，此时电动机两端加上反向电源电压，使得电机电流在短时间内发生方向改变，从而进入电动机的反转运行状态，其工作原理与电机正转同理。通过上述原理分析可知，单极性可逆PWM变换器具有电流连续且驱动电流的波动小，可以实现4象限运行的优点，是一种应用非常广泛的驱动方式。由于开关功率器件存在开通关断延时，在工作切换时可能发生上、下桥臂直通的故障，为防止直通，应设置逻辑延时，在使用DSP控制时，可以直接设置该芯片中自带的EVA，EVB模块中的PWM输出死区时间控制。2.2.2双极性可逆PWM变换器图2.3是H型双极性可逆PWM变换器。由图可知，图中共有4个功率驱动开关器件即VT1、VT2、VT3、VT4，其中VT1与VT4共同一路PWM控制信号，而VT2、VT3共另一路PWM控制信号，且此两路PWM控制信号互为反向关系。由于功率开关器件本身存在关断延时，故程序中必须设置带一定死区控制时间的PWM控制信号。图2.3 H型双极可逆PWM变换器针对VT1、VT4而言，在每个PWM波的导通时间内，VT2、VT3截止，电动机电枢两端承受正向电源电压；而在每个PWM波的关闭时间内，VT2、VT3导通，电动机电枢两端承受反向的电源电压，由于在每个PWM周期内电枢电压经历正反两次变化，故将此变换器称作为双极性变换器。在一个PWM周期内的电枢平均电压的表达式如下：Ua=t1T-T-t1TUs=2t1T-1Us=2伪-1Us （2.2）由上式可知，双极性可逆PWM驱动时，电枢绕组所受的平均电压取决于占空比伪的大小，当伪=1/2时，Ua=0电动机两端平均电压为0，电机停止运转，但其回路中产生交变电流，使电动机产生高频振荡，这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦，提高系统的动态性能。图2.4 电动机正向运行时的电压电流波形图 图2.5 直流电机反向运行时的电压电流波形图双极性驱动时，电动机可在4个象限上工作，低速时的高频振荡有利于消除负载的静摩擦，低速平稳性好，但由于在工作过程中，4个开关管都处在开关状态，故其功率损耗大。为了提高系统可靠性，减少开关次数和开关损耗，我们可以选择单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，但系统的静、动态性能会略有降低。在使用双极性驱动时，同样要设置PWM输出死区控制时间，防止开关管直通，以免损坏器件。第三章 基于DSP控制系统的硬件设计3.1系统总体组成就控制规律而言，我们采用微机数字控制的双闭环直流调速系统，其原理和我们所学的运控中的控制规律完全一致，只是数字控制系统中用算法取代原来复杂的模拟器件，使得系统更具有实时性可靠性，操作更为简便智能化。如图3.1为微机数字控制的双闭环直流调速系统原理图。图3.1 微机数字控制的双闭环直流调速系统原理图数字控制系统中的变换器UPE可以是晶闸管可控整流器，也可以是直流PWM功率变换器，我们采用前面分析讨论的双极性PWM可逆驱动器。根据题目要求，以DSP高速控制器为核心，设计具有CAN通信接口，有组网能力，高时间分辨率，高采样速度，高精度的新型直流调速系统，并具有实时数据的检测，打印以及上传，人机接口，通讯接口的功能。我们可以利用DSP内部强大的乘法器功能对数据进行高速处理，充分利用其内部集成的功能模块，例如用于通讯的CAN,SPI,SCI和模数转换AD/DA模块，并通过设计外围电路实现完整的可逆直流调速系统，系统总体硬件结构框图如图3.2所示。由图3.2可知，系统主要包括以下三部分：1）：控制单元对来自传感器的反馈信号按一定的算法处理，输出相应的PWM波，送给功率驱动单元，进而控制直流电机电枢两端电压。2）：功率驱动单元根据PWM控制信号控制功率开关管的导通和关闭从而控制电动机电枢两端的输入电压，实现电动机转速控制。3）：检测单元采集回路中的电流电压实时控制PWM的输出，同时检测系统故障，保证系统安全运行；实时检测电机速度以便跟中控制电机转速。图3.2 微机数字控制器系统整体硬件结构图3.2 系统参数计算与器件选型3.2.1 主电路及相关参数计算本部分电路主要完成系统的PWM调速，包括PWM交流调速，PWM直流调速。在运行直流PWM系统时，PWM交流调速系统自动封锁；同样在运行PWM交流调速系统时，PWM直流调速系统自动封锁，保证系统的安全可靠运行。其主电路原理图如图3.3所示。图3.3 数字调速系统主电路原理图1.二极管整流电路参数计算本设计采用三相桥式不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的斩波器使用。整流桥的输入电压是经整流变压器（附录1图）变压后得到的三相电压，该变压器副边相电压为130V。把电动机当做一个阻感性负载，为使得负载电流连续，一般在电路中串入一较大电感，该电感值计算公式如下： L=0.693U2Idmin （3.1）L包括整流变压器的漏感、电枢电感和平波电抗器的电感，前者数值都可以忽略，一般取电动机的额定电流的；由公式3.1计算得出L=300mh。由于电动机额定电流为3A，其最大电流不超过5A，故整流桥直流侧回路电流大概为4A，电动机空载时，输出电压平均值最大为 （3.2） 由于整流桥交流侧相电压值为130V，二极管两端最大输出电压为： 当负载加重，输出电压平均值减小，至电流连续时，其平均值为: （3.3）为了是选用的二极管留有一定裕量，我们选择反向击穿电压为600V,额定电流为6A的二极管。针对低频整流电路，我们可以直接采用符合参数的耐高压普通二极管。2.主回路滤波电容计算整流电路的输出电压仍有较大的脉动成分，为此还需要进行滤波处理，减少输出电压的脉动，使最后的输出电压平滑的接近直流。直流电源中滤波电路的显著特点为：均采用无源电路，即采用电容、电感等储能元件完成滤波。整流桥交流侧为三相交流电，是经过整流变压器而来，其额定工作时相电压为130V，由公式（3.3）计算可知，直流侧平均输出电压为：经过滤波电路，输出的电压平均值可以根据如下公式计算： （3.4）经计算的出，即主电路中电容MC1两端需要承受的电压为365V。我们在设计时，在整流桥直流侧两端并联一个2个电解电容，利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。根据上述计算可知，利用2个电解电容的分压，则每个电解电容需要承受的电压值为182V。电容充电时，回路电阻为整流电路的内阻，即变压器内阻和二极管的导通内阻，其数值很小，因而时间常数很小，充电很快。电容放电时，回路电阻为导线电阻与电机绕组电阻，其中为导线绕组，可近似约为，电机绕组电阻包括转子绕组和定子等效绕组，电容放电时间常数为,远大于充电时间常数。一般，在桥式全波整流的情况下，根据下式选择滤波电容的容量： （3.5）此处计算选取5倍。由于采用三相全波整流电路，每个正弦波周期有6个对称整流波，故T为0.02/6s。C=5T(2*Rloop)=3703uF （3.6）根据电容串联，我们选用2个电容为10000uF，耐压值为400V的电解电容。3.限流电阻计算由上图3.3可知MR1为限流电阻，其作用为防止电机突加给定启动时，产生的大电流造成对启动瞬间回路中器件的损坏，尤其是整流桥与变压器。因为突加给定瞬间，滤波电容等效短路，此时整流桥与电容构成一个短路回路，回路中瞬间电流很大，合上电源后，延时开关将MR1短路，以免在运行中造成附加损耗。根据本系统设计，电机额定工作电流为3A，启动时整流桥直流侧输出电压加在限流电阻MR1两端，根据欧姆定律： （3.7）根据功率计算公式： （3.8）根据计算，我们选取电阻值为300，功率为2kw散热性能好的绕线电阻。4.卸流电阻计算对于PWM变换器的滤波电容MC1，不仅具有滤波作用，还有当电机制动时吸收系统的动能的作用。由于调速系统直流电源靠整流二极管供电，不可能回馈电能，这是因为二极管的单向导电性决定的，电机能耗制动时只好对滤波电容充电，这将使得电容两端的电压升高，称作为“泵升电压”，根据能量守恒关系式： （3.9）式（3.4）中为电机制动前电容MC1电压，为电机制动后最终停止电容MC1两端电压，为电动机的线速度。根据上式可知，在大容量或负载较大的惯性系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，因此我们采用图3.3中的卸流电阻MR2来消耗掉部分动能。MR2的分流电路靠开关器件的开通与关断，从而实现卸流处理。在实际应用过程当中，当主回路电流过大时，也可以开通，实现卸流处理。假设IGBT导通压降为0则： （3.10） （3.11）根据上述计算，选择阻值为欧姆的大功率陶瓷电阻。3.2.2 IPM选型及介绍根据前面计算得出，整流电路整流后输出直流电压为314V，出于安全考虑，我们选用日本三菱公司推出的50 A/1200 V智能功率模块PM50RSA120，其基本参数：峰值电流100A，直流侧额定输入电压1200V，内部自带卸流管，开关频率20 kHz，其内部电路图如图3.4所示。图3.4 智能功率模块原理图由图3.4可知：该模块共包含7个IGBT子模块，其中4路用于本系统构成H桥实现脉宽调速，剩余3路任选一路用于控制主电路中的卸流电阻MR2的接入与断开。P、N为模块输入端子，直接接入整流电路直流侧的输出，其输入电压安全范围为0800V；U、V、W为功率驱动模块的输出端子；B-P间接入卸流电阻，在能耗制动过程为制动能量的消耗提供回路；VUP1-VUPC，VVP1-VVPC，VWP1- VWPC，VN1-VNC间接入15V直流电源，为功率驱动模块提供电源；UP-VUPC，VP-VVPC，WP-VWPC，UN-VNC，VN-VNC，WN-VNC，Br-VNC间接入用于控制IGBT的放大的PWM控制信号。该IPM智能驱动模块在控制端电压低于0.8V电压时IGBT导通，当其两端电压高于4V时IGBT截止，该IPM模块具有过压、欠压、过流、过温等故障检测电路，并具有功率驱动保护中断，通过输入DSP故障信号。控制器通过检测来判断是否发生了过温、过流、欠压或短路故障，并确定故障类型，作出相应的处理，保护IPM模块。正常情况下，IPM使用单一的15V供电，当供电电压低于12.5V，并持续时间达到10ms后，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。同理当发生过流（流过IGBT的电流过大）、过温、短路故障时，IPM内部的保护电路保护IGBT不受损害，输出故障信号。 区别以上故障的依据是检测错误指示信号维持时间。短路和过电流故障信号的维持时间的典型值是1.5 ms。 在使用PM50RSA120模块过程中，W、V、U的三相上桥臂驱动电源必须由3个相互隔离的独立电源供电，W、V、U的三相下桥臂可以共用1个驱动电源。驱动电源电压均为+15V。直流母线电压即P、N间的电压推荐不高于800V。3.2.3 控制器选型根据本设计要求，本系统采用高速数字处理器完成直流可逆调速系统的调速，实现如下基本功能：1）：具有高精度、高采样速率的A/D转换功能。2）：以控制器为核心设计具有CAN通讯组网能力的电路。3）：设计具有SCI、SPI串行通信能力的通讯电路。4）：扩展外围接口电路，实现存储器扩展、打印机接口、上位机通讯接口电路的设计。根据上述基本设计要求，本系统采用TI公司专用于电动机控制的高速数字处理器TMS320LF2407A。由于该芯片集成度极高，运算速度快，大大简化外围电路设计，功能强大，其功能特点如下。TMS32LF2407A采用了高性能静态CMOS制造技术，内部集成了一个3.3V供电的处理器内核，具有4种低功耗工作方式，降低了处理器的功耗。该处理器体系结构上采用了哈佛结构，具有四级指令执行流水线，片内部具有六条16位总线，其程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，具有最高40MIPS的执行速度，从而为各种复杂控制算法的实现提供坚实的基础。 TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定点低功耗内核。体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行，可在一个处理周期内完成乘法、加法和移位运算；其具有较高的指令执行速率，单周期指令执行时间为50ns、33ns或25ns，即CPU时钟为20MIPS、30MIPS或40MIPS。TMS320LF2407A片内集成了丰富的外设，大大的减少了系统外围电路的设计，提高系统的集成度，缩短产品的开发周期。其内部集成的外设模块包括：2个事件管理器EVA和EVB、A/D转换电路（2个带保持/采样的8路10位A/D转换器）、一个异步串行通讯外设模块SCI、一个同步串行外设模块SPI、CAN控制器模块、数字I/O口、外部存储器接口、锁相环电路、看门狗定时器以及中断模块。3.3 系统功能模块电路设计3.3.1 系统电源电路设计 图3.5 电源模块电路图3.5为电源模块电路原理图，由上图可知该模块主要包括三个模块，即滤波电路、稳压电路和电源工作指示电路。系统电源模块输入电压分为为+12V、-12V、+5V三个等级，经滤波稳压变换后得到的输出电压分为模拟电压+12VA、-12VA、3VA、3.3VA和数字电压+12VD、VCC(+5V)、3.3VD。主要用于给系统模拟电路、数字电路、通讯模块以及DSP控制器供电。该模块中3.3V稳压电路所采用的稳压芯片为TPS7333,其功耗小、稳定性强、经济实惠。由稳压芯片REF5030组成的稳压电路主要为系统A/D模块提供偏置电压。3.3.2 正交编码脉冲电路设计图3.6 正交编码脉冲检测电路 系统测速装置选择光电编码器，采用DSP内部EV模块的正交编码脉冲模块进行速度采样。通过编码器测速输出两路相互正交的编码脉冲，其电路原理图如上图3.6所示。由上图可知，经编码器输出的A、B两路正交脉冲经过光耦隔离和脉冲整形后，得到合适的脉冲信号，输入DSP的QEP1端口，产生4倍于输入脉冲的的时钟频率，并把这个时钟作为定时器2的输入时钟。正交编码脉冲电路的方向检测逻辑决定了两个脉冲序列中哪一个是先导系列。 此电路中的芯片6N137为光电隔离芯片，主要起隔离作用；电路右半部分为转速方向检测和指示电路。当电动机轴上的光电编码脉冲产生时，电机的旋转方向可以通过检测两个脉冲序列的哪一列先到来确定，而脉冲频率决定电机转速大小。3.3.3 传感器检测及保护电路设计图3.7 系统采样和检测电路图3.7为系统采样和检测电路，其上半部分为过压报警检测电路，输入电压为回路中电压、电流、温度检测信号，然后输出过压报警信号。由图可知，二极管DM6和UM4A构成的反相器构成逻辑或，使得过压报警输出信号始终为一个非负的电压信号。图中下半部分为信号调制电路，由于DSP引脚输入电压需为正，因此，传感器信号经过一级反向放大器之后，需经过升压电路将负的电压信号转换为正的电压信号，然后经过限幅电路限幅，最后经过电压跟随器进行功率放大之后，输入DSP的AD转换接口。图3.8为故障报警综合处理保护电路。其电路原理如下：当电路发生故障时，比如短路、过温、程序跑飞等故障造成系统发热、电流急剧升高时，传感器信号经图3.7中的故障放大电路得到正的故障信号，然后经过光耦的光电隔离和功率放大后输出低电平信号，低电平信号经过与非门输出高电平，置位D触发器，输出高电平。此时XINT处电位为4V，即TTL电平中的高电平，此电平输入DSP的XINT引脚引起外部中断，启动保护程序，保护系统。于此同时ERROR处输出低电平，正常情况下QM1不能导通，ERROR处电平即为VCC电平。图3.8 故障综合处理保护电路由于系统中有4路检测信号，其中两路为电流传感器检测信号，一路为电压传感器检测信号，另一路为温度检测信号，故上述原理图中需设置4路检测电路和故障综合处理保护电路。3.3.4 通讯模块接口电路设计图3.10为DSP通讯接口电路图，包括RS485和RS232通讯接口电路。本设计采用台湾维纶公司生产的型号为MT506触摸屏设计人机交互界面。设计应用中采用RS485通讯接口电路利用Modbus ASCII通讯协议进行通讯。图中芯片SN75176为RS485差分双向通讯芯片。SN75176的功能表如下：表3.9 SN75176功能表(发送、接收)(a).发送输入(D)