直流电机控制系统设计综述

1、湖南工程学院课程设计DSP 原理及应用题 目： 直流电机控制系统设计专 业：班 级：姓 名：学 号：指导教师：2015年 5 月 19 日摘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

2、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;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，

3、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

4、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

5、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。输入模块TMS320LF2407单片机驱动模块图 1 系统原理图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（

6、 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：n U 0 IRK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

7、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。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

8、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/IOPE

9、5，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

10、， 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 0x1387void gpt3_init(void);void interrupt gptimer3();voi

11、d Delay(unsigned int nTime);unsigned int datacnt.data20xfa,0x9c4;main()asm(“setc INTM ”);WDCR=0x6f;SCSR1=0x83fe;MCRC|=0x0020;MCRC&=0xfeff;CMPR6=0xfa0;COMCONB|=0xa600;COMCONB&=0xa7ff;gpt3_int();IMR=2;IFR=0xffff;WSGR&=0xfef3;PEDATDIR|=0x1000;PEDATDIR&=0xffef; asm(“CLRC INTM ”); Delay(128);cnt=1;datacn

12、t=0;for( ; ; );viod interrupt gptimer3(void)switch(PIVR) case 0x2f;EVBIFRA=0x80;cnt+;if(cnt10000)cnt=0; datacnt+;if(datacnt1) datacnt=0;CMPR6=datadatacnt; Break;asm(“CLRC INTM ”);void gpt3_int(void)EVBIMRA=0x80;EVBIFRA=0xffff;GPTCONB=0x0000;T3PR=T1MS;T3CNT=0;void Delay(unsigned in nDelay)int i,j,k;for(i=0;inDelay;i+)for(j=0;j16;j+) k+;Void interrupt n