直流电机控制系统设计

湖南工程学院湖南工程学院 课程设计课程设计 DSP 原理及应用原理及应用 题题 目 目 直流电机控制系统设计直流电机控制系统设计 专专 业 业 班班 级 级 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师 20152015 年年 5 5 月月 1919 日日 摘摘 要要 直流电动机具有优良的调速特性 调速平滑 方便 调速范围 广 过载能力大 能承受频繁的冲击负载 可实现频繁的无级快速 起动 制动和反转 能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊 运行要求 电动机调速系统采用微机实现自动控制 是电气传动发 展的主要方向之一 采用微机控制后 整个调速系统体积小 结构 简单 可靠性高 操作维护方便 电动机稳态运转时转速精度可达 到较高水平 静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电 气传动的要求 本篇论文介绍了基于单片机的直流电机 PWN 调速的基本办法 直流电机调速的相关知识以及 PWM 调速的基本原理和实现方法 重点介绍了基于 TMS320LF2407 单片机的用软件产生 PWM 信号以 及信号占空比调节的方法 对于直流电机速度控制系统的实现提供 了一种有效的途径 关键词 单片机最小系统 PWM 直流电机调速 TMS320LF2407 前前 言言 电动机作为最主要的机电能量转换装置 其应用范围已遍及国 民经济的各个领域和人们的日常生活 无论是在工农业生产 交通 运输 国防 航空航天 医疗卫生 商务和办公设备中 还是在日 常生活的家用电器和消费电子产品 如电冰箱 空调 DVD 等 中 都大量使用着各种各样的电动机 据资料显示 在 所有动力资源中 百分之九十以上来自电动机 同样 我国生产的电能中有百分之六 十是用于电动机的 电动机与人的生活息息相关 密不可分 电气 时代 电动机的调速控制一般采用模拟法 对电动机的简单控制应 用比较多 简单控制是指对电动机进行启动 制动 正反转控制和 顺序控制 然而近年来 随着技术的发展和进步 以及市场对产品 功能和性能的要求不断提高 直流电动机的应用更加广泛 尤其是 在智能机器人中的应用 直流电动机的起动和调速性能 过载能力 强等特点显得十分重要 为了能够适应发展的要求 单闭环直流电 动机的调速控制系统得到了很大的发展 而作为单片嵌入式系统的 核心 单片机 正朝着多功能 多选择 高速度 低功耗 低价格 大存储容量和强 I O 功能等方向发展 随着计算机档次的不断提高 功能的不断完善 单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制 自动化 智能化等方面 特别是在直流电动机的调速控制系统中 这是因为单片机具有很多优点 体积小 功能全 抗干扰能力强 可靠性高 结构合理 指令丰富 控制功能强 造价低等 所以选 用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性 目 录 一 系统方案设计 二 硬件电路系统设计 三 软件系统设计 四 结语 一 一 系统方案设计系统方案设计 1 1 系统方案 依据本课题的设计任务 进行分析得到 本次课程设计以 TMS320LF2407 单片机为核心 以 3 个弹跳按钮作为输入端 达到 控制直流电机的正转 反转 停止 在设计中 采用 PWM 技术对 电机进行控制 1 2 系统构成 该直流电机控制系统的设计 在总体上大致可分为以下 4 个部 分组成 输入模块 TMS320LF2407 单片机 驱动模块 直流电机 系统原理框图如图 1 所示 图 1 系统原理图 输入模块 TMS320LF2407 单片机 驱动模块 直流电机 1 3 直流电动机的 PWM 调压调速原理 直流电动机是最早实现方便调速的电动机 随着计算机进入控 制领域 新型的功率电子器件的不断出现 使用全控型开关功率器 件进行脉宽 PWM 的控制方式已成为主流 直流电动机的控制方式 发生了很大变化 直流电动机的转速 n 的表达式如下 K IRU n 0 式中 U0 为电枢端电压 I 为电枢电流 R 为电枢电路总电阻 为每极磁通量 K 为电动机结构常数 直流电动机转速控制方法可分为两类 对励磁磁通进行控制的励 磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法 目前多数场合采用 电枢控制法 直流电动机多采用开关驱动方式 即使功率器件工作 在开关状态 通过脉冲调制 PWM 来 控制电机的电枢电压 实现 调速 1 4 方案选择 方案一 采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压 从而 达到调速的目的 但是电阻网络智能实现有级调速 而数字电阻的 元器件价格比较昂贵 更主要的问题在于一般电动机的电阻很小 但电流很大 分压不仅会降低效率 而且实现起来很困难 方案二 采用继电器对电动机的开或关进行控制 通过开关的 切换对电机的速度进行调整 这个方案的优点是电路较为简单 缺 点是继电器的响应时间慢 机械结构容易损坏 寿命较短 可靠性 不高 方案三 选用大功率的三极管作为驱动电路 具有驱动能力强 外围电路简单等优点 综合考虑各方面因素 选择方案三作为本次论文的电路设计 二 二 硬件电路系统设计硬件电路系统设计 2 1 芯片介绍 74HC00 是 4 路双输入与非门 可用于组成与门 非门等 TMS320LF2407 是 TI 公司主推的一种高性能 低价格 DSP 处 理器 其处理速度达到 30 MIPS 片内处理集成 RAM Flash 及定 时器外 还集成了 A D 转换器 PWM 控制器及 CAN 总线控制器等 模块 特别适合于电机 电源变换等实时要求高的控制系统 但是 通常设计 DSP 程序的方法是 在 DSP 的集成开发环境 CCS 中用 C 语言设计 需要花费大量的时间用来编写和输入程序代码 在 Matlab 中用图形化的方式设计 DSP 的程序 能够缩短产品的开发时 间 2 2 直流电机驱动电路设计 直流电机控制电路原理如图 2 所示 图中 PWM 输入对应 2407DSP 的 DSP 的 PWM11 IOPE5 DSP 将在此引脚给 PWM 信号 用于控制直流电动机的转速 图中的 IOPE4 将在此引脚给出高电平 或低电平用于控制直流电机的转向 从 DSP 输出的 PWM 信号先经 过两个与门在与各个开关管的栅极相连 当电动机要求正转时 IOPE4 给出高电平信号 该信号分成 3 路 第一路接与门 Y1 的输入 使与门 Y1 的输出由 PWM 决定 所 以开关管 T1 栅极受 PWM 控制 第二路直接与开关 T3 的栅极相连 使 T3 导通 第三路经非门 F1 连接到与门 Y2 的输入端 使与门 Y2 输出为 0 这样使开关管 T4 截止 从非门 F1 输出的另一路与开关 管 T2 的栅极相连 其低电平信号也使 T2 截止 此时电枢绕组承受 正向电压 同样 当电动机要求反转时 IOPE4 给出低电平信号 经过两 个与门和 1 个非门组成的逻辑电路后 使开关管 T4 受 PWM 信号控 制 T2 导通 T1 T3 全部截止 此时电枢绕组承受反向电压 图 2 PWM 调速直流电机原理图 三 三 软件系统设计软件系统设计 3 1 流程图 依据设计要求可以设计出以下流程图 图 3 程序流程图 3 2 主体程序如下 include f2407 c h define T1MS 0 x1387 void gpt3 init void void interrupt gptimer3 void Delay unsigned int nTime unsigned int datacnt data 2 0 xfa 0 x9c4 main asm setc INTM WDCR 0 x6f SCSR1 0 x83fe MCRC 0 x0020 MCRC CMPR6 0 xfa0 COMCONB 0 xa600 COMCONB gpt3 int IMR 2 IFR 0 xffff WSGR PEDATDIR 0 x1000 PEDATDIR asm CLRC INTM Delay 128 cnt 1 datacnt 0 for viod interrupt gptimer3 void switch PIVR case 0 x2f EVBIFRA 0 x80 cnt if cnt 10000 cnt 0 datacnt if datacnt 1 datacnt 0 CMPR6 data datacnt Break asm CLRC INTM void gpt3 int void EVBIMRA 0 x80 EVBIFRA 0 xffff GPTCONB 0 x0000 T3PR T1MS T3CNT 0 void Delay unsigned in nDelay int i j k for i 0 i nDelay i for j 0 j 16 j k Void interr