直流电机DSP调速控制系统

1、编号本科生毕业设计直流电动机的DSP调速控制系统的设计The design of the DSP of dc motor speed control systemtb5E2RGbCAP学 生 姓 名王雷专 业电气工程及其自动化学 号指 导 教 师孟庆东分 院电子工程分院2018年6月摘 要直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，可以独立控制，因此具备良好的调速性能，出力大、调速范围宽和易于控制，广泛应用于电力拖动系统中,而随着对电机控制要求的不断提高，普通的单片机越来越不能满足对电机控制的要求，DSP技术的发展正好为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持。p1EanqFDPw由于对

2、电机转速的稳定性要求高，即要求转速不随负载等外界扰动而变化，并能始终精确地保持在所需要的数值上，因此本设计采用闭环反馈控制。这样，不仅可以把来自外界的干扰消灭在萌芽之中，而且即使电机受到了干扰，也会通过反馈系统，很快地使电机趋于稳定。同时本设计采用的调速系统是脉冲宽度 system as the speed adjustment systematic, use DSP to control the motor. We choose Hall Effect sensor as speed feedback component. Hall Effect sensor and motor are c

3、oaxial. The principle of speed adjustment is that we detect the rotational speed of the DC pivot in every sampling period using Hall Effect sensor. The outputting pulse of certain period sends into DSP comparing with set-point. Then we adjust pulse width automatically By DSP which exports pulse. We

4、control motor rotational speed by the pulse which has been enlarging by driving circuit.5PCzVD7HxAKeywords: Opto-electric Coupler，Hall Effect sensor，TMS320LF2407jLBHrnAILg目 录录第一章绪论2xHAQX74J0X第二章系统总体设计42.1 系统的组成42.2 DSP芯片选择52.3 TMS320LF2407 DSP控制器介绍6第三章 直流电机的PWM控制原理73.1直流电动机的调速公式及原理63.2直流电机的PWM控制原理8第

5、四章系统硬件电路设计114.1 总线隔离器114.2 键盘的设计124.3显示电路的设计134.4直流电机驱动电路144.5直流电机速度测量电路14第五章系统软件设计175.1 键盘程序设计175.2 显示程序设计175.3系统程序设计18结 论20致 谢21参考文献22第一章 绪论近年来，随着电子技术的发展及其应用技术的进步，单片机微型机的高速发展，外围电路元件专用集成器件的不断出现，使得直流电动机控制技术有了显著进步。直流电动机的控制与调速技术的发展是与控制器件的发展紧密相连的。数字技术的飞速发展，将计算机与直流电动机的控制系统相结合，使得直流电动机应用在各个领域。LDAYtRyKfE电动

6、机是进行电能与机械能交换的机器。在工业、农业、运输和国防上广泛应用它来拖动机械。较先进的机械和生产工艺普遍要求对电动机的转速实行自动控制，直流电动机一直以来，以其调速性能为：起动转矩大，能获得较宽的调速范围的优点。被广泛应用在要求调速指标高的各种机械上。Zzz6ZB2Ltk目前，国内的小功率直流电动机调速中采用的脉冲宽度调速技术已日益成熟，在中小型功率范围内，他已快速取代可控硅直流调速系统，使得控制装置做到与电机一体化，节省了专用的控制矩，从而使设备可靠性大大提高，并且维护简单。dvzfvkwMI1直流调速系统的优劣，直接影响成品的质量、产量、成本和劳动条件。因此，很早就为人们所重视，它的发展

7、迅速，经历了多次重大改革。rqyn14ZNXI在本世纪20-30年代，电动机的调速系统是由接触器和继电器所组成的断续控制系统，它可以实现电机的起动、制动、正反转以及调速等。但调速精度不高、快速性差，而且多为手动，所以在要求不高的场合至今还在大量应用。到了40年代出现了有电机放大机发电机电动机组成的连续控制系统。它是一种具有反馈环节的闭环控制系统，是无级调速，在要求高的场合获得广泛的应用。50年代又出现了磁放大器和水银整流控制系统，但是水银整流控制器的可靠性差，维护工作量大，所以刚兴起十几年就被淘汰了。50年代末期，晶闸管自动调速系统具有效率高、体积小、寿命长、反应快、控制特性好、消耗钢铁材料少

8、等显著特点。因而，获得了强大的生命力，迅速取代了其他调速系统。70年代以后随着数控技术的发展，还出现了高精度的数控调速系统。80年代，随着电子计算机和微处理机的推广应用，又出现了用计算机或微处理机控制并使自动调速系统的性能达到了一个新的高度。EmxvxOtOco直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用。随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展，两者的有机结合使电力拖动控制技术产 生了新的变化。电力电子技术、计算机技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉，具有广泛的应用前景。有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究。直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、

9、集成电路式的、单片机式的发展过程。随着数字信号处理器DSP的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中，在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法，为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作。用计算机技术实现直流调速控制系统，计算机的选型很多。经过选择，选取DSP芯片作为控制器。直流调速系统的内容十分丰富，有开环控制系统，有闭环控制系统；有单闭环控制系统，有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统，有不可逆调速系统等13。SixE2yXPq5伴随着电子技术的发展，以及现代控制理论的应用，自动调速系统的发展方向将是：不断采用先进的电机

10、电器，交流装置和控制器件向微型化、集成化和电机控制装置一体化发展。提高系统的动态和静态精度、效率、功率因素、可靠性、经济性，以及自动化程度，大力运用现代化的控制理论，实际运用电子计算机特别是微处理机）实现速度、位置等多参量的数字控制以及综合自动控制系统。6ewMyirQFL正是基于对小功率直流电动机调速系统的优越性的认识，本设计的直流电动机的控制系统，利用DSP实现对直流电动机进行脉冲宽度调速，这种调速方式正是适应了自动调速系统向微型化、集成化和电动机控制装置一体化的发展方向，具有较高的实际应用价值1。kavU42VRUs第二章 系统总体设计2.1 系统的组成由图2-1可知，该设计包含DSP控

11、制单元、功率驱动单元、检测单元、显示单元、通信单元五个部分。DSP控制单元：对来自上位机的给定信号和来自传感器的反馈信号按一定的算法进行处理，输出相应的PWM波，经过光电隔离部分，送给功率驱动单元； y6v3ALoS89功率驱动单元：对来自DSP控制器的PWM信号进行功率放大后送给直流电动机的电枢两端，驱动电机与负载； 速度检测单元：采集电机的速度信息，并送给主控制器； 显示单元：将采集到的电机转速信息予以显示；通信单元：负责主控制器与上位机及外设的信息交换。图2-1 系统总体框图2.2 DSP芯片选择直流电机的调速控制系统一般采用电机专用微处理器，其种类主要包括复杂指令集CISC处理器如工N

12、TEL196MX系列单片微控制器，精简指令集RISC如日立公司SH704x系列单片微控制器，哈佛结构DSP处理器如TI公司TF24X系列DSP。一般用于直流电机控制的徽处理器性能要满足以下几个方面：M2ub6vSTnP（1） 指令执行速度；（2） 片上程序存储器、数据存储器的容量及程序存储器的类型；（3） 乘除法、积和运算和坐标变换、向量计算等控制计算功能；（4） 中断功能和中断通道的数目；（5） 用于PWM生成硬件单元和可实现的调制范围以及死区调节单元；（6） 用于输入模拟信号的A/D转换器；2.3 TMS320LF2407 DSP 控制器介绍TMS320LF2407 DSP是专为数字电机控

13、制和其它控制系统而设计的。是当前集成度最高、性能最强的运动控制芯片。不但有高性能的C2XX CPU内核，配置有高速数字信号处理的结构，且有控制电机的外设。它将数字信号处理的高速运算功能，与面向电机的强大控制功能结合在一起，成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品12。 TMS320LF2407的片内外设模块包括：事件管理模块EV）、数字输入/输出模块I/O）、模数转换模块ADC）、串行外设模块SPI）、串行通信模块SCI）、局域网控制器模块CAN）。0YujCfmUCw第三章 直流电机的PWM控制原理3.1直流电动机的调速公式及原理由直流电机的转速公式：式中：电枢电压电枢电流电枢电阻转子

14、转速每极总磁通常数 改变励磁电流来改变磁通(2 改变加于电枢回路的端电压(3 改变电枢回路的电阻这三种调速方案的特点如下：(1改变励磁电流来改变磁通的调速系统为调磁调速系统。增加激磁绕组电压以使增大。由上式可知，转速将降低，但电动机的工作磁通一般都接近饱和的状态。所以增加磁通量的余地不大。若减小使减弱，则可使转速升高。由此可知，减弱n0与n都将增加,这表明转速升高,机械特性将变软,其调速系统特性见图3-1.eUts8ZQVRd图3-1 调速系统特性(2改变电枢电压,由上式可知即相当改变机械特性的起点 n0的大小,而不受影响.在一定负载下,增大即可增加转速特性可见图3-2 。sQsAEJkW5T

15、图3-2转速特性采用改变电枢电压调速的系统称为调压调速系统,它是最常用的调速方式。(3变电枢回路电阻的调速方案实际上是在电枢回路中串接一附加可变电阻R。利用电枢电流In在R上的压降，使转速降低。由上式可知，亦即以增加n方法，使转速降低，其调速特性见下图3-3。GMsIasNXkA图3-3调速特性 这种方案的机械特性软，而且耗能多，一般较少应用。但由于他无需很多设备，在调速系统中调速比不大的小功率调速系统仍有应用。TIrRGchYzg以上是最基本的调速方式，这些调速系统已广泛应用于各种工业装置的控制系统中。在实际生产中应用还有晶体管控制直流电机调速，脉冲宽度调速，数字调速等三种特殊的调速方式。在

16、这里我们着重介绍一下直流电动机的脉冲宽度调速方式。实现脉冲放大器调速的方式主要有以下几种：7EqZcWLZNX（a） 脉冲宽度调制PWM）（b） 脉冲频率（c） 混合调制（d） 可控硅调制在上述几种方式中脉冲宽度调制/Ce (r/min (3-4式中：Ua电枢端电压U）； Ia电枢电流 A）。Ra电枢电路总电阻）；每极磁通量wb）； Ce与电机结构有关的常数。由式可知，直流电动机转速n的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火化和换向器结构强度的限制。而且由于励磁线圈较大，动态响应较差，所以常用的控制方法是

17、改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。zvpgeqJ1hk设直流电源电压为Ud，将电枢串联一个电阻R，接到电源Ud，则 Ua=UdIaR显然，调节电阻R即可改变端电压，达到调速的目的。但这种传统的调压调速方法，其效率甚低，因此，随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法。如：由交流电源供电，一是用晶闸管整流器相控调压；二是用硅整流器将交流电整流成直流电或由蓄电池等直流电源供电，再由PWM斩波器进行斩波调压等。NrpoJac3v1晶闸管相控调压或PWM斩波器调压比串联电阻调压损耗小，功率高，而斩波器比相控调压又有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装

18、置，电动机的损耗和发热较小，动态响应快等。1nowfTG4KI图3-4为PWM斩波器的原理电路及输出电压波形。在图3-4中假定晶体管V1先导通T1秒忽略V1管的压降，这期间电源电压Ud全部加到电枢上），然后关断T2秒=T1Ud/T=Ud 3-6）式=T1/T 3-7）为一个周期T中，晶体管U1导通时间比率，称为负载率或占空比。使用下面三种方法中任何一种，都可以改变的值，从而达到调压的目的。tfnNhnE6e5.定宽调频法：T1保持一定，使T2在0范围内变化；.调宽调频法：T2保持一定，使T1在0范围内变化；.定频调宽法：T1+T2=T保持一定，使T1在0T范围内变化.不管哪种方法，的变化范围均

19、为01，因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0Ud，均为正值，即电机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。当需要电机在正反两个方向调速运转，称为可逆调速，就要使用图3-6所示的桥式或称H式）斩波电路。HbmVN777sL图3-6 原理图在图3-6中，晶体管V1、V4是同时导通同时关断的，V2、V3也是同时导通同时关断的，但V1与V2，V3与V4都不允许同时导通，否则电源Ud直通短路。设V1、V4先同时导通T1秒后，同时关断，间隔一定时间Ud/(T1+T2= (2T1/T Ud=(2-1 Ud (3-883lcPA59W9由于01，Ua值的范围是-Ud+Ud，因而电机可以在正反两个方向调速运转。图3

20、-8给出了两种PWM斩波器电路的电枢电压平均值的特性曲线Ua=f(。图3-8 两种斩波器的输出电压特性第四章 系统硬件电路设计本设计采用了TMS320LF2407作为控制系统的主要器件，利用四位动态数码管显示转速，由DSP软件编程输出脉宽可调的方波信号，对电机进行定频调宽法调速，用霍尔传感器产生反馈脉冲直接输入到DSP与给定的值比较，然后自动调整脉宽，达到自动调速的目的3mZkklkzaaP4.1总线隔离器由于TMS320LF2407是+3.3V电源供电器件，与+5V电源供电器件进行混合设计时，TMS320LF2407的数据总线需要应用总线隔离器将总线隔离开来，系统采用SN74LVTH245作

21、为总线隔离器。AVktR43bpwSN74LVTH245的引脚图如图4-1所示图4-1 SN74LVTH245的引脚图由DSP与SN74LVTH245的接口电路如图4-2所示。通过SN74LVTH245将+5V电平转换为+3.3V电平输入到DSP内部。其中DATA0DATA15与TMS320LF2407的数据线D0D15相连接，RW与TMS320LF2407的读写控制信号R/W端相连接。ORjBnOwcEd图4-2 TMS320LF2407与SN74LVTH245的接口电路4.2 键盘的设计键盘实质上是一组按键开关的集合,它是最简单的DSP输入设备,可以通过按键控制来实现简单的人机对话。本系统

22、采用独立式键盘电路，如图4-3所示。2MiJTy0dTT在以上电路中,74LS138译码后和读信号通过74LS32共同来选择键盘地址,键盘一端接入74LS244的输入端，另一端接地。74LS244的输出端与DSP的数据总线相接，通过软件查询的方式判断是否有按键按下。图中D0、D1D14、D15为总线隔离器数据线。KEY0功能为设置电机转速，KEY1功能为修改电机转速；KEY2功能为启动电机运转，KEY3功能为停止电机运转。gIiSpiue7A图4-3 独立式键盘电路4.3 显示电路的设计目前比较常用的显示器有数码管显示器LED）和液晶显示器LCD）两种。本系统选择数码管显示器LED），显示电路

23、如图4-4所示，LED显示器采用两片74LS273动态扫描方式驱动，其中U2作为段码驱动，U3作为位码驱动，DSP通过动态扫描的方式使数码管显示需要的字母或数字。图中D0、D1D14、D15为总线隔离器数据线。数码管缺省时，显示设置的电机转速；电机运行时，显示电机的实际转速。uEh0U1Yfmh图4-4 显示电路4.4 直流电机驱动电路直流电机驱动电路如图4-5所示。系统采用四个2N5551 NPN管构成桥式驱动电路驱动直流电机的运行，其中ZH0，ZH1，ZH2，ZH3分别于DSP的引脚相连。当ZH0和ZH2为高电平而ZH1和ZH3为低电平时，Q1、Q4导通而Q2、Q3截止，此时，直流电机正向

24、旋转；当ZH0和ZH2为低电平而ZH1和ZH3为高电平时，Q1、Q4截止而Q2、Q3导通，此时，直流电机反向旋转。DSP通过PWM对直流电机进行调速。IAg9qLsgBX图4-5 直流电机驱动电路4.5直流电机速度测量电路1、速度的测量方法有光电法、磁电法等。光电法测速优点是电路实现简单、易用；但是，其抗外界光线干扰能力差，而且易受外界灰尘污染，使得测量的准确性大幅度降低。磁电法测速不但不怕污染，而且器件的寿命长，对外界环境要求低，电路实现简单，体积小，易于将磁电式传感器与外围器件封装在一起，使得速度传感器的体积大为减小。WwghWvVhPE由于磁电式传感器以上的优点，我们选用霍尔集成传感器磁

25、电式传感器的一种）构成速度传感器测量电机转速。2、霍尔传感器的选择 由于霍尔集成式传感器具有可靠性高、体积小、重量轻、功耗低等优点，因此，在速度传感器中我们选用开关型霍尔集成式传感器。霍尔传感器是本系统的重要组成部分，在选择霍尔传感器时，一定要选择工作温度范围宽，寿命长，稳定性好的霍尔集成式传感器。asfpsfpi4k在本系统中我们选用了UGS3040T霍尔集成式传感器。UGS3040T的特性 电源电压4.5V24V； 工作温度范围-40125； 阈值工作点）磁通典型值150G； 释放点磁通典型值100G； 最大输出电流25mA。环境温度对工作点和释放点的影响的特性曲线如图4-6所示。图4-6

26、 环境温度对工作点和释放点的影响UGS3040T的输出特性曲线如图4-7所示。图4-7 UGS3040T的输出特性3、电机测速原理速度传感器是由霍尔集成式传感器、一个磁屏蔽叶轮、一个永久磁铁或磁极组成。当磁屏蔽叶轮的一个叶片转到磁铁和霍尔集成式传感器之间的空隙时，磁场就中断了；当磁屏蔽叶轮的一个窗口转到磁铁和霍尔集成式传感器之间的空隙时，允许磁场通过，并不受阻碍的传到霍尔集成式传感器上。磁屏蔽叶轮的窗口开和闭遮断磁场，导致霍尔集成式传感像开关一样接通和关断。其原理图如图4-8所示。ooeyYZTjj1图4-8 电机转度传感器的原理图4、电路实现电机测速电路原理图如图4-9所示，由于UGS304

27、0T为集电极开路输出，因此集电极需加上拉电阻R1。为增强霍尔集成式传感器输出级的带负载能力及保护传感器，电路中增加小功率管Q1。整个电路采用车载+5V电源供电，为配合与DSP接口电路，采用稳压管D1将信号限制在03.3V之间。BkeGuInkxI4-9电机测速电路第五章 系统软件设计5.1 键盘程序设计设计键盘程序流程图如图5-1所示：图5-1 键盘程序流程图5.2 显示程序设计点亮显示器有静态和动态两种方法。显示器位数较少时，采用静态显示的方法是合适的。当位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示方法。本系统采用动态显示。显示流程图如图5-2所示：PgdO0sRlMo图5-2

28、显示程序流程图5.3 系统程序设计根据设计要求，结合系统硬件电路的设计，系统主要控制器件为TMS320LF2407，由它控制电机转速，通过对TMS320LF2407的软件编程可实现脉冲宽度可调方波的输出、反馈转速的测量以及调整，转速档位的显示和上升，下降，停止命令的输入功能，系统程序主流程图如图5-3所示。3cdXwckm15图5-3 系统程序主流程图结 论紧张的毕业设计生活结束了,通过这次设计学习,我感到收获很大,从中学到了很多东西。首先，拓宽了我的知识面，在设计过程中查阅了许多资料，也向许多人请教了有关电机以及DSP方面的知识，使我对我所学知识的不足和肤浅，对自己的能力有了新的认识和了解，

29、我想我会在我以后的工作学习中克服这些缺点，更好的学习知识。h8c52WOngM其次，增强了我的动手能力，学会了把理论知识联系到实践中去。又能从实践中认识中自己的理论知识的不足，从而加强学习理论知识。v4bdyGious然后，锻炼了我的查找能力，运用参考资料的能力，由于设计需要，查阅了有关资料，得到了许多新的知识，从中也体会到了，查阅资料的有用性。J0bm4qMpJ9本设计是对小型直流电机转速进行脉冲调制，实现数字化，利用DSP产生输出单极性调宽方波，通过硬件电路的设计，软件编程及系统调试，结果表明，该设计方案行之有效。使用方便灵活，通用性强，具有一定推广价值。XVauA9grYP致谢本课题全部设计都是在导师孟庆东老师的指导下完成的。从设计课题的开题报告到最终论文的完成，导师都给予我极大的帮助，他严肃的科学态度，严谨的治学精神