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DZ188DSP在PWM调速系统的应用,毕业设计

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Title : Servo tracking system that controls on the basis of DSP Abstract First,the paper introduces according to the DSP of servo tracking the hardware of the system to constitute the principle, and to three the segments of frequency carried on the analysis. Secondly, it constitutes system, establishes mathematical simulate model to evaluate the dynamic and static tracking error. Then, by introducing the equivalent compound control to improve the tracking ability. By using Lay-lead compensation, the tracking capability of the system is promoted to track fast moving targets at maximal s060 angular-velocity and maximal 20100 s angular-acceleration, while the maximal tracking error is less than 6 . In the end, Matlab/Simulink verifies the proposed methods. The results are much more like the theoretical analysis. The lag-lead compensation of speed and position can indeed improve the static and dynamic state properties of system. Keyword: DSP Frequency channel analysis Lay-lead compensation Digital simulation nts 摘 要 论文首先介绍了基于 DSP 的伺服跟踪系统的硬件组成原理，并对三频段进行了分析。通过对伺服跟踪器系统的研究，对其 建立了数学仿真模型。由系统 跟踪精度动态误差的评价方法，引出速度、位置滞后补偿的控制方法，使系统在目标以最大加速度 s060 ，最大角加速度 20100 s 运行的条件下，稳态跟踪误差小于6 。 以上控制方法的实现是通过 MATLAB/SIMULINK 仿真实现的，仿真结果表明，本设计采用速度滞后 超前补偿、位置回路滞后 超前补偿方法是有效可行的，可以达到系统的动态和静态性能指标。 关键词 ： DSP 频段分析 滞后 超前补偿 数字仿真 nts目录 第一章 绪论 . 2 1.1引言 . 2 1.2技术指标及要求 . 2 1.3主要设计内容 . 3 1.4方案论证 . 3 第二章 伺服跟踪系统结构与硬件设计 . 5 2.1 DSP简介 . 5 2.1.1 TMS320X240 的结构与特点 . 5 2.1.2 事件管理器 . 6 2.1.3 PWM 输出和功率驱动 . 6 2.2接口电路 . 7 2.2.1键盘显示 HD7279A的原理与应用 . 7 2.3功率驱动电路 . 10 2.3.1前置驱动电路 . 10 2.3.2功率放大电路 . 10 2.3.3 SHKI22 驱动芯片原理及外部特性 . 11 2.4编码器 . 15 2.5力矩电机 . 15 2.5.1直流力矩电机的驱动形式 . 15 2.5.2直流电动机的转速与其它参数的关系 . 16 2.5.3 力矩电机驱动的随动系统数学模型及传递函数 . 17 第三章 伺服跟踪系统三频段控制方法 . 18 3.1三、频段分析及预期开环频率特性曲线的绘制 . 18 3.1.1低频段 . 19 3.1.2 中频段 . 26 3.1.3高频段 . 33 3.2频域法串联校正 . 33 第四章 系统控制器设计及仿真 . 34 4.1滞后 超前校正装置介绍 . 34 4.2速度环控制器设计 . 36 4.2.1速度环仿真验证优化 . 38 4.3位置环控制器设计 . 40 4.3.1位置环仿真验证优化 . 41 nts 1 4.4伺服系统复合控制 . 42 4.5基于 MATLAB/SIMULINK仿真及结果验证 . 44 第五章 软件设计 . 48 5.1 软件设计步骤及思想 . 48 5.2 软件流程图 . 49 致谢 . 52 参考文献 . 53 附录 1 . 54 附录 2 . 64 nts 2 第一章 绪论 1.1 引言 伺服系统 (Servo system)亦称随动系统是自动化学科中与产业部门联系最紧密，服务最广泛的一个分支。世界上第一个伺服系统由美国麻省理工学院辐射实验室（林肯实验室的前身）于 1944 年研制成功，这就是火炮自动跟踪目标的伺服系统。它属于自动控制的一种，它用来控制被控对象的转角 (或位移 )，使其能自动的、连续的、精确的复现输入指令的变化规律。传统的伺服系统通常 在精度、系统稳定性、系统抗干扰性等方面差强人意。而数字化是技术发展的必然趋势，现代伺服系统朝着高精度、快速的方向发展，朝着功能强和更复杂的方向发展。数字伺服系统的设计是基于连续伺服系统设计的基础，进一步解决实用数字控制器设计问题和解决数字伺服系统中的特殊问题。例如轴 角编码、轴角 数字转换、数 模转换、数字 轴角转换、采样周期选择、控制规律选择、控制软件设计等问题。目前一般的数字伺服控制系统都是采用工控机或者是单片机来做控制、位置和速度运算。应用工控机的系统虽然在大多数的场合下都能够稳定工作，但由于工控机高 昂的价格和需要另配各种接口卡使得系统的造价很高，从而限制了数字式伺服系统的广泛应用。而采用单片机的系统则只能应用在慢速和数据量小的系统中。数字信号处理器 (DSP)是专门为数字信号处理而设计的可编程微处理器，它具有灵活的指令集、内在操作的灵活性、高速的运算能力、改进的并行结构、有效的成本及 DSP 处理器集成了许多常用的芯片等优点。研究基于 DSP的伺服跟踪系统将会使得这种新型的伺服系统的体积将会更小、重量将更轻、功耗将更低、价格将更便宜、可靠性将更高，而且这种新型的基于 DSP 的伺服跟踪 系统已经完全可以应用于各种工 业场合，以替代传统的 伺服机构，并且还能够扩展到许多新的领域中去，具有非常好的应用前景。 1.2 技术指标及要求 以 DSP 为主控制器，通过对转台运动加以控制，实现对飞行状态模拟。转台电控系统主要实现对转台的运动方式控制，使整个转台安预定的工作方式进行运动，从而实现包括正弦摇摆运动在内的一些特定的工作。 保 精 度 : 0.05 s 40 s； 最 大 角 速 度： 60 s； 保精度角加速度： 60 s2 ； nts 3 最大角加速度： 100 s2 ； 控 制 精 度： 4 （最大误差） 1.3 主要设计 内容 根据系统所提出的性能指标的要求，本文将主要在以下几个方面进行讨论： 1 结合 DSP和其它相关硬件，设计伺服控制系统的硬件。 2 根据课题要求和已有的硬件在 DSP 仿真环境下使用汇编和 C 语言编程，实现转台的伺服控制，并满足系统要求的控制精度。 3 对系统开环频率设计作了探讨。 4 应用 MATLAB 中 Simulink 对转台的设计相关内容进行仿真。 1.4 方案论证 一 DSP 的选取 在研制基于 DSP 的伺服跟踪系统的过程中，我们将先进的数字信号处理技术、高速的数字信号处理器 (DSP)应用于伺服系统中，设计一种新型的基于 DSP的伺服跟踪系统。这种基于 DSP 的伺服跟踪系统相比于目前普遍应用的基于工控机的或者基于单片机的伺服系统不但在性能上有了很大的提高，有效地降低了系统的功耗、体积，使该系统的应用领域和应用环境更为广泛，而且该系统的成本比采用工控机的方式也大为降低。 且 以高速数字信号处理器（ DSP） TMS320F240 为中央处理单元，配以极少的外围电路构成了检测器的核心控制部 件 等优点简介如下： TMS320F240是美国 TI公司专为数字电机控制应用而推出的一种低价格，高性能 16 位定点运算 DSP。 TMS320F240 系列将高性能的 DSP 内核和丰富的微控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。 TMS320F240的主要性能如下： 1.指令周期为 50s且大多数指令为单周期； 2.面向电机控制的“事件管理器”模块： （ 1） 3个通用定时器，可输出 3路比较 /PWM脉冲； （ 2） 3个全比较单元，可输出 3对带死区控制的比较 /PWM脉冲； （ 3） 3个单比较单元，可输出 3路比较 /PWM脉冲； （ 4） 4个捕获引脚，用于高速 I/O 管理； （ 5）正交编码脉冲单元，可直接连接光电编码器； 3.两组各 8路 10位 10s的 A/D转换器； nts 4 4.串行通信接口（ SCI）和串行外设接口（ SPI）； 5.看门狗定时器和实时中断定时器； 6.片内 ROM或 Flash存储器。 本方案的主要优点： 1.速度快，执行速度达到 20MIPS，几乎所有的指令可以在 50s 的单周期内完成，如此高的性能非常适合实时数据采集。 2.硬件结构简单， DSP片内具有十位 A/D转换器，不需要外接 A/D转换器，并且还具有丰富的可编程多路复用 I/O引脚。 3.软件编程灵活，可采用 C语言与汇编语言混合编程 二 力矩电机的选取 从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、伺服跟踪系统、多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因为本系统是伺服跟踪系统，且 根据伺服跟踪系统的转动惯量和负载所需要的最大速度，最大加速度的要求。本系统采用直接驱动转台，因为该电机具有力矩大，体积小，重量轻，响应速度快，不需要冲磁等特点，并能在长期 堵转或低速运行时产生足够大的转矩， 因此采用直流力矩电机来控制实现的。 三 键盘显示的设计 在键盘显示中选用 HD7279A 作为键盘显示接口电路由于 HD7279A 是一种管理键盘和 LED 显示器的专用智能控制芯片。它能对 8 位共阴极 LED 显示器或64 个 LED 发光管进行管理和驱动，同时能对多达 8 又 8 的键盘矩阵的按键情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高 CPU 工作的效率。 HD7279A 和微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，加之它具有较高的性能价格比。 nts 5 第二章 伺服跟踪系统结构与硬件设计 2.1 DSP 简介 2.1.1 TMS320X240 的结构与特点 TMS320X240 的结构如图 1 所示，主要由 CPU、片内 RAM 和可编程 ROM或 FLASHEEP-ROM、事件管理器、片内周边接口等部部分组成 数 据 R A M 5 4 4字R O M /F L A S H 1 6 K程 序 / 数 据 / I / O 总 线C 2 x L P 内 核3 2 位 A L U移 位 积 存 器映 像 寄 存 器2 个 状 态 寄 存 器8 层 硬 件 堆 栈8 个 辅 助 寄 存 器1 6 位 乘 1 6 位 乘3 2 位 累 加 器外设总线事 件 管 理 器3 定 时 器死 区 控 制 逻 辑1 2 个 P W M 输 出9 个 比 较 单 元4 个 输 入 捕 获正 交 编 码 脉 冲4 个 8 位 I / O 口2 个 8 路 1 0 位 A / D 转 换S C I 串 口 和 S P I看 门 狗 定 时 器 和 R T I图 1 DSP 内部结构框图 CPU:具有 16 位定点 DSP 内核，指令集源码向下兼容 TMS320C2X 系列、向上兼 TMS320C5X 系列，具有良好 的可移植性。运算能力 20MIPS(指令周期50ns)，具有独立的数据总线和地址总线，支持并行的程序和操作数寻址，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波等复杂控制算法得以实现。 nts 6 2.1.2 事件管理器 提供了下列对运动控制非常有用的一系列功能。 (1)通用定时器 :共有 3 个 16 位通用定时器 Tl、 T2、 T3，可用于产生采样周期，作为单元 (2)比较单元与 CMP/PWM 输出 :共有 3 个全比较单元和 3 个单比较单元。每个全比较单元以 T1 为时基，可输出 2 路带可编程死区的 CMP/PWM 信号。通过设置 T1 为不 同工作方式，可选择输出非对称 PWM 波、对称 PWM 波或空间矢量 PWM 波。 (3)正交编码脉冲 (QEP)接口单元 :对光电编码器输出的相位差 90 护的 A、 B两路脉冲信号可进行鉴相和 4 倍频。 周边接口单元 :提供方便的输人输出控制。 (1)双 10 位 A/D 转换器 :包含两个有内部采保电路的 10 位 A/D 转换器，共16 个 A/D 通道，每个通道的最大转换时间仅 6.6 那。 (2)SPI 和 SCI:同步串行外设接口 (SPI)可用于同步数据通讯，典型应用包括 部I/O 扩展，如显示驱动等 ;SCI 口即通用异步收发器 (UART)，用于与 PC 机等通讯。 (3)看门狗 (WD)与实时中断定时器 (RTI):监控系统软件及硬件工作，在 CPU工作混乱时产生系统复位。 2.1.3 PWM 输出和功率驱动 TMS320X24O的 PWM发生电路可产生 6路具有可编程死区和可变输出极性的 PWM 信号 PWMI 一 PWM6， PWM 输出及功率驱动电路框图如图 2 所示。 对 称 / 非 P W M 波 发生 器空 间 矢 量 P W M 波 发生 器M U X输 出 控制 逻 辑死 区 发生 单 元T L P 2 5 0M O S 1 驱 动信 号T L P 2 5 0T L P 2 5 0T L P 2 5 0M O S 3 驱 动信 号M O S 2 驱 动信 号M O S 4 驱 动信 号全 比 较 单 元 匹 配 信 号图 2 当 Tl 计数值与全比较单元的比较单元值相同时，产生的状态匹配信号进人波形发生单元。在该系统中， 我们使用非对称 PWM 波发生器，由其产生的 PWM 信号进人死区发生单元，死区宽度从 0102 4 娜可调。系统中考虑到所用功率器nts 7 件 MOSFET 的开通和关断时间，设定 PWM 波的死区时间为 3.2 邵 ;输出逻辑控制单元控制 PWM 信号的极性，可设置 PWM 信号为强制高电平、强制低电平、激活高电平、激活低电平等 4 种状态。系统中使用与全比较器 1 相对应的 PWMI、PWMZ 两路 PWM 信号作为功率驱动电路的输人。 由变压器 4 组抽头引出的电压经整流、滤波、稳压后，产生 4 组相互独立的24V 直流信号给 MOS-FET 驱动单元 TLP25O 供电， TLP250 将 DSP 输出的 0 一5V的 PWM信号转换为一 8V+1 V 的 MOSFET驱动信号。该驱动信号完全浮地，与主电路 30V 电源电压相隔离 ;且 TLP25O 本身的隔离作用又将 DSP 与控制电源和主电路电源相隔离， 2.2 接口电路 2.2.1 键盘显示 HD7279A 的原理与应用 HD7279A 是一种管理键盘和 LED 显示器的专用智能控制芯片。它能对 8 位共阴极 LED 显示器或 64 个 LED 发光管进行管理和驱动，同时能对多达 8 又 8的键盘矩阵的按键情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高 CPU 工作的效率。 HD7279A 和微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域中日益获得广泛的应用。 一、引脚说明与接口电路 HD7279A 的它共有 28 个引脚。 RC 引脚用于连接 HD7279A 的外接振荡元件，其典型值为 R=1.5k ，C=15pF。 RESET 为复位端。该端由低电平变成高平并保持 25ms 即复位结束。通常，该端接 +5V 即可。 DIGODIG7 分别为 8 个 LED 管的位驱动输出端。 SASG分别为 LED 数码管的 A 段 G 段的输出端。 DP 为小数点的驱动出端。 HD7279A片内具有驱动电路，它可以直接驱动 l 英时及以下的 LED 数码管，使外围电路变得简单可靠。 DIGODIG7 和 SASG 同时还分别是 64 键盘的列线和行线端口，完成对键盘的监视、译码和键码的识别。在 8 8 数组中每个键的键码是用十六进制表示的，可用读键盘数据指令读出，其范围是 00H3FH。 HD7279 与微处理器仅需 4 条接口线，其中 CS 为片选信号 (低电平有效 )。当微处理器访问 HD7279A(读键号或写指令 )时，应将片选端置为低电平。 DATA为串行数据端，当向 HD7279A 发送数据时， DATA 为输人端 ;当 HD7279A 输出nts 8 键盘代码时， DATA 为输出端。 CLK 为数据串行传送的同步时钟输人端，时钟的上升沿表示数据有效。 KEY 为按键信号输出端，在无键按下时为高电平 ;而有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持到键释放为止。 二、电特性 下 表所列为 HD7279A 的电特性。 参数 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 电源电压 VCC/V 4.5 5.0 5.5 工作电流 ICC/mA 不接 LED 3 5 工作电流 ICC/mA LED 全亮， ISEG=10mA 60 100 逻辑输入高电平 VIH /V 2.0 5.5 逻辑输入低电平 VIL /V 0 0.8 按键响应时间 TKEY /ms 含去抖时间 10 18 40 KEY 引脚输入电流 IKI /mA 10 KEY 引脚输出电流 IKO/mA 7 三、控制指令 1.HD7279A 指令系统由 6 条纯指令、 7 条带数据指令和 l 条读键盘指令组成。6 条纯指令为 : (l)复位指令。指令代码为 A4H，其功能为清除所有显示，包括字符消隐属性和闪烁属性。 (2)测试指令。指令代码为 BFH，其功能为将所有的 LED 点亮并闪烁，可用于自检 。 (3)左移指令。指令代码为 A1H，其功能为将所有的显示左移 1 位，移位后，最右位空 (无显示 )，不改变消隐和闪烁属性。 (4)右移指令。指令代码为 A0H，其功能与左多指令相似，只是方向相反。 (5)循环左移指令。指令代码为 A3H，其功能是将所有的显示循环左移 1 位。移位后，最左位内容移至最右位，不改变消隐和闪烁属性。 (6)循环右移指令。指令代码为 A2H，其功能与循环左移指令相似，只是方nts 9 向相反。 四 、几点说明 1.保证正确的时序是 HD7279A 正常工作的前提条件。当选定了 HD7279A的振荡元件 RC 和晶振之后，应 调节延时时间，使时序中的 T1T8 满足表 2 所列要求。 由表 2 所列的数值可知， HD7279A 序规定的时间范围很宽，达 1050 倍，很容易满足，但为了提高微处理器访问 HD7279A 的速度，在要求系统运行速度较快时，应仔细调试 HD7279A 的读写程序，使其运行时间接近最短。 表 2 单位： s 2.微处理器通过 KEY 引脚电平来判断是否有键按下，在使用查询方式管理键盘时，该引脚接至微处理器的 l 位 I/O 端口 ;如果使用中断方式，该引脚应接至微处理器的外部中断输入端。同时应将该中断触发控制位设置成下降沿有效的边沿触发方式。若置成电平触发方式，则应注意在按键时间较长时可能引起的多次中断问题。 3.HD7279A 没有提供组合键功能。如果某些场合确需双键组合使用，可在微处理器某位 I/O 引脚接入一键，与 HD7279A 所连键盘共同组成双键功 能。 4.该 电路中有 3 种电阻 :阻值为 200 的电阻是限流电阻，用来限制 LED 数码管的电流。在使用中不应为了过分追求数码管的亮度而任意减小其电阻值，以防 HD7279A 芯片过热烧坏。阻值为 100 k 和 10 k 的电阻分别称为下拉电阻和位选电阻，如果 HD7279A 仅用于显示器管理，则这两种电阻都可以去掉。 5.HD7279A 的 3， 5， 26 脚均为空闲引脚，一律悬空。 符号 最小值 典型值 最大值 T1 25 50 250 T2 5 8 250 T3 5 8 250 T4 15 25 250 T5 15 25 250 T6 5 8 - T7 5 8 250 T8 5 nts 10 2.3 功率驱动电 路 2.3.1 前置驱动电路 IGBT 要正常工作，其门极不能由 TTL 电平直接驱动，必须加前置驱动电路。 IGBT 的门极驱动电路对它的静态和动态性有很大的影响。门极电路的正门源偏压 VGS、 负门源偏压 - VGS和门极电阻的大小对 IGBT 的通态电压 VDS、开关时间、开关损耗、承受短路电压能力以及 d VDS/dt 电流有不同程度的影响。VGS的增加将使通态电压 VDS下降，使开通时间缩短而使开通损耗减小，但 VGS增加一定程度会使负载短路能力降低并使 d VDS/dt 电流增加，对电路产生不利影响。负门源偏压 - VGS的 增加对关断特性略有影响，但会使 d VDS/dt 电流减小，因此负偏压应大一些。门极电阻增加时会使 IGBT 的开通和关断时间增加，进而使开通损耗和关断损耗增加，但如果门极电阻过小，会使门极电阻的漏源电流上升率增加这又会使 IGBT 误导通，同时电阻的自身损耗也会增加。因此，门极电阻应在开关损耗不大的情况下，选用较大的电阻。 综合上述并结合实际条件， IGBT 的驱动电路应满足以下要求： 门极电路的正偏压应为 +12+15V，负偏压应为 -2V-10V。 门极电阻根据不同类型的 IGBT 选取不同的阻值。 在 IGBT 用于电机驱动等高压场合，驱动电路应与功率电路相隔离，本系统中，驱动电路是由具有互锁功能的 SKHI 22 模块 和光电隔离器构成的，实现对功率转换电路的驱动。其中， SKHI 22 内部带有变压器，能起到隔离的作用。 2.3.2 功率放大电路 近年来出现了许多新型复合式的功率器件，其中绝缘栅双极晶体管 IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor）在各个领域的应用最为广泛，它将单极型器件（如功率 MOSFET）和双极型器件（如 GTR）的各自优点集于一身，使其特性更加优越具有输入阻抗高、工作速度快、通态饱和电压低、阻断电压高、承受电流大等优点。 本系统功率放大电路由四只 IGBT 组成受限单极式单电源 桥式电路形式。四个 IGBT 的门极分别受前置驱动电路的四个输出端控制，根据电机的旋转方向的要求，在某一时刻某一对桥臂两个门极之一加控制脉冲，另一个处于饱和导通状态，为电机提供电流通路，使电机按一个方向旋转。经过长期使用证明，该电路nts 11 工作可靠。为满足系统驱动能力的要求，功率电源供电电压为 140V，功率器件选用了 2MBI300N-120 型号的 IGBT。 2.3.3 SHKI22 驱动芯片原理及外部特性 SKHI21/SKHI22 混合双路 IGBT、 MOSFET 驱动器是 （ SEMIKRON）公司生产的专用新型 IGBT和 MOSFET混合驱动器。它有 2路驱动电路，可以直接驱动 IGBT半桥模块，典型工作频率为 17kHz。输入为 CMOS 兼容器，内部有 VCE 监控和自动关断电路，可提供有效的短路保护。采用变压器隔离技术，驱动多路信号只需一路电源，是 UPS、电焊机及逆变器中理想的 IGBT和 MOSFET驱动用集成电路。在驱动半桥模块时，驱动器自动双路互锁，防止发生直通，并向用户提供 “ 错误（ Error） ” 锁存信号。 SKHI21 和 SKHI22 的内部电路结构基本相同，两者的区别在于电路应用对象不同， SKHI21 用于驱动西门康公司自己生 产的 IGBT，而SKHI22可用于驱动各种 IGBT模块，但这两者都只能驱动 200A以下的 IGBT模块。 1 各引脚的排列、名称、功能和用法 SKHI21/SKHI22 采用模块式封装，它的封装形式如图 1 所示，对外引出16个引脚。 图 1 SKHI22 的引脚排列 2 输入引脚 nts 12 引脚 P7（ GND）， P14（ GND） 控制脉冲输入部分参考地端。使用中与用户脉冲形成部分的地相连。 引脚 P8（ VIN2）， P12（ VIN1） 两路互补驱动脉冲输入端。使用中接用户脉冲形成电路的输出，两路输入脉冲间应有一定的互锁时间，以防止同桥臂的 IGBT或 MOSFET 直通。 引脚 P9（ RTD2）、引脚 P11（ RTD1） 封锁延迟时间设置电阻的连接端1和 2。使用中分别通过一个电阻接工作电源端（引脚 P13），设置输出两路驱动信号的封锁延迟时间，以防止在驱动同桥臂上、下两个 IGBT或 MOSFET 时 发生直通。 引脚 P13（ VS） 输入级电源端。接用户驱动脉冲形成级电源端。 引脚 P10（ ERROR）脉冲封锁信号输入端。低电平有效，该端低电平可封锁输出驱动脉冲，使用中接用户保护电路的输出。 图 2 SKHI22 的内部结构及工作原理框图 3 输出引脚 引脚 S1（ VCE2）和引脚 S20（ VCE1） 被驱动 IGBT集 -射极间压降或被驱动 MOSFET 漏 源极间压降监视电压输入端。使用中分别接被驱动半桥 IGBTnts 13 的集电极或 MOSFET 漏极。由于 SKHI21/22 内部已有高压快恢复二极管，所以使用中不需再串高压快恢复二极管。 引脚 S6（ CCE2）和引脚 S15（ CCE1） 2个被驱动功率开关器件欠饱和保护门槛设置端。使用中分别通过一个电阻与电容的并联网络接被驱动 IGBT 的发射极或功率 MOSFET 的源极。 引脚 S9（ E2）和引脚 S12（ E1） 输出驱动信号参考地端 。使用中分别接被驱动的 2个 IGBT的发射极或功率 MOSFET 的源极。 引脚 S7（ GON2）和引脚 S14（ GON1） 2 驱动脉冲信号输出端。使用中分别通过一个适当的电阻接被驱动的 IGBT 或功率 MOSFET的栅极。 引脚 S8（ GOFF2）和引脚 S13（ GOFF1） 被驱动功率开关器件关断速度设置端。使用中，分别通过一个电阻接被驱动的 IGBT或 MOSFET的栅极。 4 空引脚 输入引脚中的 P1， P2， P3， P4， P5， P6与输出引脚中的 S2， S3， S4， S5及 S16，S17， S18， S19均为空脚，使用中悬空。 5 内部结构和工作原理 SKHI21/SKHI22 的内部结构和工作原理框图如图 2 所示。它们的内部集成有 2个施密特触发器、 2个与门、 2个隔离环节、 2个电平匹配器、 2个功率驱动级、 2 个过电流检测比较器、 1 个输入电源电压监视及 1 个误差监视网络，共有 8个单元电路。 1）脉冲隔离驱动功能 作为驱动器，隔离驱动是它的基本功能。当信号经 VIN1、 VIN2进入驱动器后，先经过输入施密特触发器对脉冲进行整形，此触发器有较大的阈值电压回差（ VIN =12.9V， VIN =2.1V），因此具有较强的抗干扰能力。整形后的脉冲经一与门后进入隔离变压器一次侧，在其二次侧得到与输入脉冲同相的驱动信号，具体传输特性如图 3所示。 2）内锁电路 内部具有双 IGBT 互锁电路，以防止两路信号同时为开态， 1 路 IGBT 的关信号与另 1 路 IGBT 的开信号互锁的典型时间 tTD=2.7s ，可避免 IGBT半桥直通，如图 3所示。 nts 14 脉 冲 传 输 特 性 3）窄脉冲抑制 如果开关脉冲过窄，脉冲变压器不能被充分励磁，且其输出端的耦合电容也不能被充分充电，这样，驱动器输出端触发器将保持原状态。窄脉冲抑制功能可以确保仅传送有效触发脉冲。 4）错误监控与存储 SKHI21/SKHI22 的电路监控器主要有 VS监控和 VCE监控。当 VS低于某一门限值或 VCE高于某一门限值时，则 SKHI21/SKHI22封锁输出驱动脉冲，防止被驱动功率开关器件损坏。 （ 1）电 源监控 驱动器电源电压 VS最小值为 13V，如果低于该值，即产生错误信号，从而封锁驱动脉冲，电源达到其正常值（ 15V）且延时 4s以后，才允许输出脉冲。 （ 2） VCE监控 VCE监控主要用于监视 IGBT 开态时集电极和发射极间的电压 VCE， VCE的门限为 10V。如果 IGBT 的 C、 E 间电压超出参考电压 VCEREF，输出信号会立即为零， VCEREF 是可变的。 IGBT 开启的瞬间高电压是允许的。 VCEREF则用外接电阻 RCE（连接在引脚 CCE和 E之间）设置，但不能超过 10V。并联在 RCE两端的电容 CCE可用来增加 VCEREF的延迟时间常数，此时间即为控制 IGBT 开通到VCE监控激活的最小时间。当 IGBT的 C、 E间电压超过 VCEREF的 tmin时间后， VCE监控才起作用。 （ 3） Error 存储错误存储单元可对错误监控电路提供的信号进行存储，一旦有 “ 错误存储 ” 将同时阻止对两个 IGBT 的开脉冲，当错误监控电路无脉冲nts 15 输出且双路输出均为零时，错误存储才能被清除。错误存储信号送至 “ ERROR”端子，并可连接至控制电路。 6 实践证明 ， SKHI21/SKHI22 确实是一款性能优良的混合双路 IGBT 或MOSFET 驱动器集成电路。 2.4 编码器 本系统采用 24 位绝对式光电编码器完成实时测量，绝对式光电编码器与增量式光电编码器相比较，具有固定零点，输出代码是轴的单值函数，抗干扰能力强，断电后再工作不用从新定标等优点。 24 位绝对式编码器主要技术指标为： 位 数： 24 位。 分 辨 率： 0.077 精 度： 10 输出形式： 并行 24 位自然二进制代码， TTL 电平 采样频率： 400Hz 编码器数据处理 系统以并行方式将编码器的值存到 74LS245 中， DSP 以并行的方式读入数据。 2.5 力矩电机 直流电机具有良好的起、制动能力，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。 2.5.1 直流力矩电机的驱动形式 直流力矩电机的驱动是通过改变直流电压来实现的 5 ，而获得直流力矩电机的驱动电压有以下几种方式 nts 16 u n ( ) ( ) 可正转 可反转 且可变 *晶闸管整流 *脉冲宽度调制 PWM 周期一定，导通时间变化 本论文采用第二种，即通过 PWM脉宽调制的方法来改变电机的驱动电压（ u）。 2.5.2 直流电动机的转速与其它参数的关系 eaaeaaCRIunnCRIu 式中： n 转速，单位为 minr ； U 电枢电压，单位为 V； I 电枢电流，单位为 A； R 电枢回路总电阻，单位为 ； 励磁磁通，单位为 Wb； eK 由电机结构决定的电动势常数。 由上公式可知：有三种方法调节电动机的转速； a 调节电枢供电电压 U。 b 减弱励磁磁通 。 C 改变电枢回路电阻 R. 堆于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，一调节电枢供电电压 的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电动机额定转速）以上作小范围的升速。因此，自动控制 的直流调速往往以变压调速为主。 电机型号及参数的选择 数据项目 力矩电机型号 堵转力矩 Kgf.m 400 电气时间常数 Te (秒 ) 0.025 nts 17 机械时间常数 Tm (秒 ) 1.2 最大空载速度 n (转 /分 ) 14 电机重量 G (公斤 ) 410 堵转 电压 Vp (伏 ) 135 堵转 电流 Ip (安 ) 30 反电动势 Ke 伏 /(转 /分 ) 3.8 2.5.3 力矩电机驱动的随动系统数学模型及传递函数 等效电 路图 数学模型（微分方程） dtdnJMikMnkEEdtdiLiRumea对上式进行拉氏变换 , 则 : ）1)(1(111)()()()(11)()()()()()()()()()()()(2STSTkSTSTTkSGSUSnSISTRSnkSUSSnJSMksISMsnkSESELSSIRSISUememmeemeaemeants 18 第三章 伺服跟踪系统 三频段 控制方法 3.1 三、频段分析及预期开环频率特性曲线的绘制 伺服控制系统开环对数幅频一般形式如图 3.0 所示。对于最小相位系统，只需研究幅频特性。 系统的对数幅频特性可分为三段：低频段、中频段、高频段。在 +20+30dB处为低频段和中频段的分段线； -15-20dB 处为中频段和高频段的分段线。图 5.12中字母 a 表示 0 型系统； b 表示 型系统； c 表示型系统。各个不同频段曲线形状对控制系统性能影响是不同的。由下面的分析可看出，低频段特性和系统稳态精度关系密切。中频段特性基本决定了系统的动态性能；高频段特性过渡过程的起始形状，并和系统抗的性能有关。 CbaW c w低 频 段 中 频 段 高 频 段图 3.0开环对数幅频特性 这里通过分析动态性能指标与典型系统频率特性的关系，进而分析了根据系统性能指标的要求绘制期望频率特性曲线的方法。 nts 19 3.1.1 低频段 图 3.0 分 别画出了 0 型、 型、型系统的波特图。它反映了系统误差系数的大小。低频段越高，误差品质系数越大，系统稳态误差就越小，若系统的开环传递函数的一般表达示为 )(sG = )1()1(111111 sasasassbsbsbKnnnnvmmmm （ 3.1.0） 开环对数幅频特性低频渐进线或它的延长线与 =1 交点的高度等于lg20 K，其中 K 表示系统的开环 增益。它是衡量系统稳态性能优劣的重要参数下面 将找出动态误差品质因 数与对数幅 频特性中几个特征频率之间的关系。在复合控制系统时，这将有助于恰当 的绘制希望对数幅频特性。以 型系统 为例，所得的结果很容易推广到其它类型的系统。为保证较好的稳态性和 动态性能，通常它的对数幅频特性形状如图 3.1 所示，即中频段以 -20Db/10 倍频的斜线过零分贝线。由图 3.1 并根据对数幅频特性的性质可以推出 lg20 DCCBABCDBCABADK = 1lg20 + lg4012+ lg202c = lg20 1 212)(2c = lg20 c12 （ 3.1.1） 对于 型系统有vK=K 从而得 vK= c12（ 3.1.2）nts 20 ABCD- 2 0B - 4 0C D C D - 2 0- 4 0W = 1WW 1 W 2W cW 2 W 3图 3.1 1 型系统对数幅频特性 式（ 3.1.1）建立了系统稳态批 品质指标vK与开环频率特性之间的关系。可以看出，vK只决定于c12与3无关。因为vK只取决于低频段的形状，即数值上为 =1 时对数幅频特性及其延长线的高度。因此当c越大时 ，低频段延伸就越远，则 =1 时的幅频特性曲线的高度越高，即vK越大。而12的比值越大，说明低频段的形状被抬得越高，vK越大。3大小不影响低频段的曲线，从而与vK无关。 型系统的 动态加速度误差系数!22C与幅频特性几 个主要特征量又有什么关系呢？如图 3.1 所示，系统的开环频率特征的特征向量为 K