主电路工作原理部分

1、摘要本文分别介绍了基于SG3525的双闭环直流电机调速系统的设计和基于DSP TMS320LF2407A 芯片的双极性可逆PWM直流调速系统数字控制的设计。选用H型双极可逆PWM驱动系统对电机进行控制，在一个PWM周期内，电动机电枢的电压极性呈正负变化。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。结合两片IR2110构成H全桥功率MOSFET管可逆PWM他励直流控制系统主控制回路。数字控制系统中，驱动电路采用M5

2、7215BL芯片，通过DSP的PWM输出引脚PWM1-PWM4输出的控制信号进行控制。用霍尔电流传感器检测电流变化，并通过ADCIN00引脚输入给DSP，经A/D转换产生电流反馈信号。采用增量式光电编码器监测电动机的速度变化，经QEP1和QEP2脚输入给DSP,获得速度反馈信号。通过PDPINIA引脚对电动机提供过电压和过电流保护。调速系统采用转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。1. 主电路工作原理部分在PWM-M系统中，用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲

3、电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，考虑到精密加工对性能要求很高，采用双极式控制的桥式可逆PWM变换器.双极式控制的桥式可逆PWM变换器具有电流一定连续；可使电机在四象限运行；电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通1变压器左侧施加交流电，右侧输出电压U2（根号2U2=US直流电源电压）占空比取0.7输出电机额定电压UD54V，由UD

4、=US（2肉-1）肉取0.7，从而确定MOS管型号。直接选用二极管不控整流桥 1.1主电路拓扑整流选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。直流220V的电源可通过单相桥式整流电路产生，但是由于整流电路的输出电压具有较大的交流部分，不能适合大多数电子电路及设备的要求。因此，一般在整流后，还需要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。 电源电路如图所示，与用于信号处理的滤波电路相比，直流电源中滤波电路的显著特点是：均采用无源电路；理想情况下，滤去所有交流成分，只保留直流成分； 能够输出较大电流。系统的保护包括过压，过流和短路保护。该模块用于电枢电流的检测与过流保护，至于电枢回路

5、和直流母线侧。 限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻r0（图1-22）（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响整流电路的正常工作，并产生附加损耗。 泵升限制电路：当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机和负载转动部分的动能将会变成电能，并通过双极式可逆 PWM 变换器回送给直流电源。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回送电能，电机制动时只好给滤波电容充电，从而使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电压会损坏元器件，所以必须采取预防措

6、施，防止过高的泵升电压出现。可以采用由分流电阻R和开关元件（电力电子器件）VT组成的泵升电压限制电路。当滤波电容器C两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时，VT导通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻R上。目前，可逆H桥PWM直流电机控制系统主要采用功率MOSFET、IGBT管作为开关管。H桥4片MOSFET管直流电机典型驱动电路如图所示。当VT1、VT4导通时电机正转；当VT2、VT3导通时，电机反转；当VT2、VT4导通时，电机两极与地短接，电机刹车能耗制动。使电动机M的电枢两端承受电压+US或-US，通过改变占空比，改变电压脉冲的宽度。功率场效应管IRFv460的栅源极电压容限为+-20V

7、，MOSFET漏极产生的浪涌电压会通过漏栅极之间的米勒电容耦合到栅极上击穿栅极的氧化层，所以在MOS管栅源极之间加分压电阻和稳压二极管来钳位栅源极电压，同时保护IR2110不被MOS管短路高压窜入损坏。1.2 主电路工作过程2. 系统的控制原理3. 主电路参数设计二极管不控整流、MOS上的吸收电路、过电流保护电路（张小明）4. 双闭环调速系统设计*电流环和转速环图*4.1在电机最大允许电流和转矩的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，时转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

8、直流调速系统起动过程的电流和转速波形图2-1.为使在启动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。为实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中分别引入转速负反馈和电流负反馈，实行嵌套联接。如图2-2把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再由电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE（3525、2110）如图2-3.按照电力电子变换器的控制电压UC为正电压标出两个调节器输入输出电压的实际极性。为实现电流无静差，使转速调节器饱和。此时ASR输出达到限幅值UIM*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无

9、静差的单电流闭环调节系统。稳态时式（2-2）最大电流取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。对应图（2-5）AB段·········ASR将退出饱和状态。按典型一型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，采用PI型电流调节器。由于测量仪表不方便直接串入电路且电流检测电路与被测电路的直流工作点。反馈电压Ui由闭环霍尔传感器从电机侧引入。为使空载起动到额定转速时的转速超调量=10%ASR采用PI调节器，设计成典型二型系统。转速给定电压UN*为正负给定电压由LM7915提供。4.2双闭环调

10、速系统的参数设计4.3转速和电流两个调节器的作用P59 2.2.45. 控制电路与驱动电路设计5.1用SG352以控制N沟道频率MOSFET。SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，内部含有欠电压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器、有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。性能特点如下：SG3525的结构框图VT1、VT2即11、14引脚。画出3525连接图（考虑到SG3525为单电源供电型器件，控制电压UC由偏置电路设置晶体管基射结正偏、集基结反偏，使晶体管工作在放大状态的电路，简称为偏置电路）对输入信号进行电位平移，抬高成为正电压再送运放。5.2驱

11、动电路设计可逆H桥PWM直流电机控制系统采用MOSFET作为开关管，开关管的驱动电路通常采用集成驱动电路，将PWM控制信号转换成同步高压驱动信号。2片IR2110能构成H桥全桥功率MOSFET管可逆PWM他励直流控制系统主控回路。IR2110芯片高端悬浮通道采用外部自举电容产生悬浮电压源为基于2110的H桥直流电机典型驱动电路5.3控制电路及驱动电路的参数设计：MOS管型号参数按自己选的算6. 保护电路设计：本系统设计脉冲 编码器在每个 PWM 周期( 50s )都对直流调速系统进行一次电流采样和电流 PI调节, 因此电流采样周期与 PWM采用定时器1周期中断标志来启动 A /D 转换, 转换

12、结束后申请 ADC中断。图 10是 ADC中断处理子程序框图。全部控制功能都通过中断处理子程序来完成由于速度时间常数较大, 在本程序中设计每 90个 PWM周期 (即 4 5m s)对速度进行一次 P I调节。速度反馈量是按以下方法计算的: 在每个 PWM周期都通过读编码器求一次编码脉冲增量, 并累计。设电动机的最高转速是 200 r/m in即 10/3 r/ s。采用1 024线的编码器, 经 DSP4倍频后每转发出 4096个引言随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制（PWM）技术得到了飞速的发展。传统的模拟和数字电路PWM已被大规模集成电路所取代，这就使得数字调制技术成为可能

13、。目前，在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制器与微处理器集为一体的专用控制芯片, 如TI公司生产的TMS320C24X系列芯片。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，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。随着DSP技术现在也发展迅猛，并在很多方面取得显著成果。两者的结合，将大大提高电机控制在高精度控制领域的发展。用DSP控制电机，用户就不必在外围再设置模/数转换器，硬件结构和控制大为简化，体积减小，成本也就降低，处理能力和可靠性

14、性能都大大提高。由此可知，基于DSP的双闭环直流调速系统的设计不论在理论上还是在工程中都是可行的。 电机控制是DSP应用的主要领域，随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高，DSP将在电机控制领域中将发挥越来越重要的作用。5. 系统的工作原理电机的正反转切换由数字逻辑切换单元来完成。采用了H型驱动电路，通过DSP的PWM输出引脚PWM1-PWM4输出的控制信号进行控制。用霍尔电流传感器检测电流变化，并通过ADCIN00引脚输入给DSP，经A/D转换产生电流反馈信号。采用用DSP读取与电动机联轴的增量式光电编码器检测电动机的速度变化，由DSP计算后得出转速值。经QEP1、QEP2脚输入给DSP

15、，获得速度反馈信号3。它还可以很容易地实现位置控制。系统利用故障保护引脚产生的信号，及时封锁4路PWM信号。6. 双闭环调速系统的离散化控制6.1采用微处理器后的双闭环直流调速系统框图运用了微处理器的系统，在结构上得到了很大的简化，这样可以使制作成本降低。微机控制系统不受器件温度漂移的影响、稳定性好、可靠性高，提高了控制性能。通过软件编程，进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，更改起来灵活方便。计控书上的式子电流检测电路设计由霍尔电流传感器CS50-P和I/V变换电路组成。用霍尔器件进行检测电流，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良

16、好的线性关系，因此可以利用霍尔器件测得的输出信号，直接反应出导线中的电流强度。CS50-P是闭环电流传感器。额定电流±3.7A，额定输出电流50Ma，正好满足设计要求，故选用该件。输入给DSP引脚ADCIN00，形成电流环。写速度测量部分7. 控制电路和驱动电路设计采用TMS320LF2407控制设计双闭环直流调速控制系统的原理框图如图1.7所示。由图中可看出，DSP处理器的集成程度较高，在这里用到了PWM、ADC、SPI和正交编码脉冲电路，省去了很多外设。PWM直接输出到H型PWM变换器，得以控制电机的转速和转向；通过光电编码器检测电机的转速，测得的数据直接送到DSP处理器的正交编

17、码器进行处理；利用霍尔传感器主电路的电流，送到DSP处理器上集成的ADC，A/D转换后得到数字量，由DSP处理器进行处理；可以用带SPI技术的接口键盘和数码管显示芯片与DSP处理器的SPI外设接口相接，进而可以通过键盘给定速度，也可以进行调速等操作，数码管用来显示当前的电机转速。这样的设计方案在硬件结构上得到了很大的简化，而且在软件编程方面也带来很大的方便，只须对一处理器内部的一些寄存器进行编程即可，大大缩短了开发流程。7.1控制电路设计TMS329LF2407A DSP属于TI公司TMS329C2000系列定点DSP中的C24xx产品系列。TMS320LF2407A DSP有如下特点：（1）

18、 由于采用了高性能的静态CMOS制造技术，因此给DSP具有低功耗和高速度的特点。工作电压3.3V，有4种低功耗工作方式。单指令周期最短为25ns(40MHz),最高运算速度可达40MIPS，四级指令执行流水线。低功耗有利于电池的应用场合；而高速度非常使用于电动机的实时控制。（2）由于采用了TMS320C2xx DSP CPU内核，因此保证了与TMS320C24x系列DSP的代码兼容性。（3）片内继承了32K字的Flash程序存储器、2K字的单口RAM、544字的双口RAM。因而使该芯片可用于产品开发。可编程的密码保护能够充分的维护拥护的知识产权。（4）提供外扩展64K字程序存储器、64K字数据

19、存储器、64字I/O的能力。（5）两个专用于电动机控制的时间管理器（EV），每一个都包含：2个16位通用定时器；8个16位脉宽调制（PWM）输出通道；1个能够快速封锁输出的外部引脚PDPINTx(其状态可从COMCONx寄存器获得)；可防止上下桥臂直通的可编程死区功能；3个捕捉单元；1个增量式光电位置编码器接口。（6）可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。（7）16通道10为A/D转换器，具有可编程自动排序功能，4个启动A/D转换的触发源，最快A/D转换时间为375ns。（8）32位累加器和32位中央算术逻辑单元（CALU）；16位×16位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算；

20、5个外部中断。（9）串行接口SPI和SCI模块。（10）很宽的工作温度范围，普通级：-4085；特殊级：-40125。这些性能对于本次设计来说，具有非常重要的意义。TMS320LF2407引脚介绍，此处只介绍与本设计相关的引脚。CAP1/QEP1/IOPA3捕捉输入#1/正交编码脉冲输入#1（EVA）或通用I/OCAP2/QEP2/IOPA4捕捉输入#2/正交编码脉冲输入#2（EVA）或通用I/OCAP3/IOPA5捕捉输入#3（EVA）或通用I/OADCIN00ADC的模拟输入#0PWM1/IOPA6比较/PWM输出引脚#1（EVA）或通用I/OPWM2/IOPA7比较/PWM输出引脚#2（

21、EVA）或通用I/OPWM3/IOPA0比较/PWM输出引脚#3（EVA）或通用I/OPWM4/IOPB1比较/PWM输出引脚#4（EVA）或通用I/OPWM7/IOPE1比较/PWM输出引脚#7（EVA）或通用I/OPDPINTA功率驱动保护中断输入引脚TMS329LF2407A DSP的结构才用了改进的哈佛结构，该结构支持分离的程序和数据总线。这样的结构使取指令、执行指令、数据传送和外设控制可以并行进行，因此可以极大的提高工作速度。2407A DSP 可以分成三部分：DSP内核、存储器和外围设备。其功能结构图如图DSP内核是DSP的核心，它担负着数据运算、信号处理的任务。它包括了累器、状态

22、寄存器S0和S1、中央算术逻辑单元CALU、辅助寄存器、乘法器、移位器临时寄存器T和乘积寄存器P。存储器包括了32K字的Flash程序存储器、2K字的单口RAM和544字的双口RAM（DAAM）。外围设备指的是DSP芯片中集成的除内核以外的功能模块，习惯上称之为外设。它包括了事件管理器、ADC转换器、SPI和SCI串行接口、 CAN接口等。 其中，在这里特别说明一下事件管理器，TMS320LF2407A中的事件管理器（EV）是专门为电动机控制而设计的专用模块。下面具体介绍事件管理器的结构功能：TMS320LF2407A DSP有两个相互独立的事件管理器EVA和EVB，结构功能完全相同，每个都有

23、 16位通用定时器、8个16位的PWM 图4.10TMS320LF2407A 模块结构通道，三个比较单元，三个捕获单元，两路正交编码脉冲电路QEP及计数方向和外部时钟输入，16通道的10位的最小转换时间375ns的A/D转换器。由于事件管理器EVA和EVB，结构功能一样，下面就只介绍一下管理器模块A（EVA）的结构功能。事件管理器A有Timer1和Timer2两个通用定时器，它们有如下功能：（1）作为常规的定时/计数器使用；（2）用于在TxPWM引脚上输出频率和脉宽可调的PWM波；（3）与捕捉模块结合测量CAPx引脚上的脉宽；（4）定时器1与比较模块配合产生死区可调的6个PWM控制信号；（5）

24、定时器2可服务于增量式光电编码器接口，测量电动机的转向、角位移和转速；（6）启动A/D转速。每个通用定时器包括：一个可读写的16位定时器增/减计数器TxCNT；一个可读写的16位定时器比较寄存器TxCMPR；一个可读写的16位定时器周期寄存器TxPR；一个可读写16位的定时器控制寄存器TxCR；可选择的内部或外部时钟；4可屏蔽中断下溢、上溢、定时器比较和周期中断。每个通用定时器有四种可选择的操作模式：停止/保持模式；连续递增记数模式；定向增减记数模式；连续增减记数模式。利用这些操作模式可以产生周期可变和固定的各种锯齿波及三角波。定时器比较寄存器和这些波形进行比较就可以产生各种PWM输出，称之为

25、波形发生器。通过配置GPTCONA/B寄存器中的相应位来规定高有效、低有效、强制高、强制低，这样就可以控制波形发生器的输出，以生成不同类型功率设备所需的PWM波形，每个通用定时器都提供一个独立的PWM输出通道。事件管理器A有3个比较单元，1个比较单元、1个比较控制寄存器COMCONx和一个比较方式控制寄存器ACTRx。每个比较单元都有一个比较寄存器CMPRx，以及2个PWM输出引脚。这一套组合可以使事件管理器产生6个带死区的PWM输出，用于控制三相逆变桥。比较单元的操作功能与定时器比较积存器的操作功能相似。当定时器的计数值与比较单元的比较寄存器相等时，就会在该比较单元的两个PWM引脚上产生跳变

26、（两个引脚的跳变与比较方式寄存器ACTRx的设置有关），并经过1个CPU时钟后发出比较中断申请。比较单元受比较控制寄存器和比较方式寄存器控制，通过这些寄存器可以设置比较输出是否允许、比较值和方式寄存器的重载条件、PWM引脚输出方式等。增量式光电编码器是电动机控制中的常用传感器，用于测量电动机输出的角位移和转速等信息，作为闭环控制的反馈量。TMS320LF2407A DSP提供了与这种编码器的接口电路。在事件管理器A中，它的编码器接口电路使用了定时器2作为可逆计数器，来计数编码脉冲的个数。编码脉冲通过2个引脚QEP1/CAP1和QEP2/CAP2输入到芯片内部。这两个引脚是与捕捉单元1、2复用的

27、引脚，因此在使用编码器接口电路时，要禁止捕捉功能。编码器接口电路利用输入编码脉冲的4个边沿加工成4倍频的计数脉冲信号和计数方向信号。4倍频的计数脉冲信号有利于提高电动机角位置和角位移信号的分辨率。计数方向信号自动地控制定时器2的计数方向，而计数方向引脚TDIRA这时不起作用。在事件管理器A模块中，对增量式编码器脉冲电路寄存器的设置如下：将所需的值装载到定时器2的计数器、周期和比较寄存器中；设置T2CON为定向增/减计数方式，编码脉冲电路作为时钟源，并允许定时器2。7.2驱动电源设计7.3 供电电路设计7.4复位电路设计书上7.5晶振电路设计书上7. 驱动电路设计 IR2136a手机上的图8. 键盘和显示9.777部分 手机照片10. 软件设计调速系统的软件设计由三部分组成：主程序、初始化程序和中断服务子程序。下面将介绍各部分程序的流程图。（1）主程序主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新处理与上位计算机和其他外设通信等功能。其流程图如图4.1所示。图6.1主程序框图 图6.2初始化子程序框图（2）初始化子程序初始化程序主要完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。其流程图如图4.2所示。（3