基于DSP技术直流电机控制系统的研究

II基于DSP技术直流电机控制系统的研究摘要电机在各种电气传动和位置伺服系统中占有极其重要的位置，电机控制的目标主要是速度控制和位置控制。近年来，随着电力电子技术、微电子技术、材料技术的飞速发展，电机控制的研究也越来越重要，高性能电机控制系统也在不断地更新。尤其是将DSP技术运用到电机控制之后，硬件的统一性与软件的灵活性可以有机结合，电机的全数字化及集成化控制成了电机控制的发展方向。论文首先分析了电机控制系统的发展现状，基本介绍了DSP。阐述了系统中所用到的直流电机的基本构成、工作原理，并研究了电机的数学模型、控制系统的构成及其基本控制策略，给出了基于DSP的电机控制系统的设计方案。以TI公司的32位定点DSPTMS320F2812为核心设计了硬件系统。硬件系统包括DSP控制板、电机驱动板和电源板，在设计上实现了系统硬件电路小型化及模块化。软件采用C语言和汇编语言混合编程的方式，根据系统设计的硬件电路及采用的控制策略。关键词DSP/调速控制/电机控制系统

researchonthedcmotorcontrolsystemBasedonDSPtechnologyABSTRACTInavarietyofelectricmotordriveandservosystemplaysanextremelyimportantposition,motorcontrol,themaingoalistospeedcontrolandpositioncontrol.Inrecentyears,withthepowerelectronicstechnology,microelectronictechnology,materialstechnology,therapiddevelopmentofmotorcontrolofmoreandmoreimportant,high-performancemotorcontrolsystemiscontinuallyupdated.Inparticular,willbeappliedtothemotorcontrolDSPtechnology,thehardwareandsoftwareflexibilitytotheunityoftheorganicintegrationofalldigitalmotorcontrolandintegratedintothedevelopmentdirectionofmotorcontrol.Paperanalyzesthemotorcontrolsystemdevelopment,thebasicintroduceddsp.thesystemusedbythebasicform,adirectmotorworks,andthemotorofthemathematicalmodelandcontrolsystemsofcontrolanditsbasicpolicytogiveupthemotorcontrolsystembasedondspthedesign.Tocorporate32-bitdesignateddspTMS320F2812thedesignofhardware,systemsoftwareandhardwaresystem.HardwaresystemsincludingDSPcontrolpanel,motordrivenplateandpowerinthedesign,realizationinminiaturizationandhardwarecircuitmodule.SoftwareusingClanguageandassemblylanguage,accordingtothemixingprogrammingsystemdesignofthehardwarecircuitandcontrolstrategy.KEYWORDSDSP,speedcontrol,motorcontrolsystem

目录引言 11直流电机的驱动控制 11.1直流电机的介绍 11.1.1PWM调速控制原理 11.1.2直流电机的调速控制 31.2直流电机的驱动 51.2.1直流电机的驱动系统 51.2.2单极性驱动系统 51.2.3双极性驱动系统 62DSP技术 72.1TMS320F2812介绍 82.2DSP的应用 93基于DSP技术直流电机控制系统 113.1DSP控制电路的设计 113.2电源变换模块 113.3电机驱动控制电路研究 133.3.1功率主电路设计 133.3.2驱动电路设计 14结论 16参考文献 17致谢 18第1页，共18页引言电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统。根据电动机的不同，工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类。纵观电气传动的发展过程，交、直流两大电气传动并存于各个时期的工业领域内，虽然它们所处的地位和作用不同，但是它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子和微电子学的发展，在相互竞争、相互促进中完善着自身。发生着变更。由于直流电动机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，因而在工业场合应用广泛。1直流电机的驱动控制1.1直流电机的介绍直流电机的基本工作原理：将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过；电机内部有磁场存在；载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力的作用（左手定则）；所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n旋转，以便拖动机械负载。直流电动机的构造：分为两部分：定子与转子。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。1.1.1PWM调速控制原理对电机的控制离不开半导体功率器件。半导体功率器件的使用又分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原理简单、输出波动小、线性好、对邻近电路干扰小。但是功率器件在线性区会将大部分电功率用于产生热量，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率的电机的驱动。绝大部分的直流电机都采用开关驱动方式。开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。利用开关管对直流电机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形如图1.1所示。(a)原理图(b)输入∕输出电压波形图1.1PWM调速控制原理和电压波形图在图1.1(a)中，当开关管MOSFET栅极输入高电平电压时，开关管导通，直流电机电枢绕组两端有电压。时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电机电枢两端电压为零。时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电机电枢绕组两端的电压波形如图1.1(b)所示，电动机电枢绕组两端的电压平均值：(1.1)(1.2)式中—占空比。占空比表示了在一个周期T里，开关管导通的时间长短与周期的比值。的变化范围为0≦<1。由式(1.1)可知，当电源电压不变时，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小。改变的值极可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速时，改变占空比值的方法有以下三种：1)定宽调频法：这种方法是保持不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。2)调宽调频法：这种方法是保持不变，只改变这样使周期(或频率)也随之改变。3)定频调宽法：这种方法是保持周期T(或频率)保持不变，而同时改变和。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法使用比较少。目前在直流电机控制系统中，主要是使用定频调宽法。1.1.2直流电机的调速控制1.1.2.1直流电动机的数学模型直流电动机的等效电路如图1.2所示。图1.2直流电动机等效电路电压平衡方程如下：(1.3)式中为电枢电压，为电枢电流，为电枢电路总电阻，为感应电动势，为电枢电路总电感。电流通过电枢绕组产生电磁力以及电磁转矩，这只是电磁现象的一个方面，另一方面，当电枢在电磁转矩作用下一旦转动后，电枢导体还要切割磁力线，从而产生感应电动势，其中感应电动势与电枢电流方向相反，它有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此，电动机中的感应电动势是一种反电动势。感应电动势为：(1.4)式中为感应电动势计算常数，为每极磁通，为电动机转速。因为，所以，故感应电动势在磁通不变时与电机的转速成正比。将式(2-4)代入到(2-3)可以得到：(1.5)直流电动机的电磁转矩为：(1.6)式中一电机的转矩常数，，P为电机的极对数，N为电枢绕组的有效导体数，为电枢绕组支路对数，为电机的转动常数，为电机连续堵转转矩与电流之比。转矩平衡方程为：(1.7)式中J—折算到电动机轴上的转动惯量；—电动机的电磁转矩；—负载转矩；—电动机角速度；—电动机转矩常数。1.1.2.2直流电机的调速控制方法由上节中式(1.5)可知，直流电动机的转速控制方法有三种：对励磁磁通进行控制的励磁控制法、改变电枢回路电阻的方法以及对电机进行控制的电枢电压控制法。1)励磁控制法这种方法是在电动机的电枢电压保持不变时，通过调整励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速的，属恒功率调速方法。但是这种调速方法的调速范围比较小，在低速的时候受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制。并且励磁线圈电感比较大，动态响应较差，所以这种控制方法在实际中应用的比较少。2)改变电枢回路电阻这种方法是在电动机电枢回路外串电阻进行调速的，设备简单，操作方便。但只能是有级调速，调速平滑性差，机械特性较软，空载时几乎没有什么调速作用，同时也在调速电阻上消耗了大量电能。3)电枢电压控制法这种方法是在保持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压来实现调速的，属恒转矩调速方法。在调速时，保持电枢电流不变，即保持电动机的输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的宽调速范围。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转事件不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此在直流电机的调速系统中通常以调压调速为主。1.2直流电机的驱动1.2.1直流电机的驱动系统直流电机通常要工作在正反转场合，这时就需要可逆PWM系统，可逆PWM系统分为单极性和双极性驱动。直流电机的H型可逆PWM驱动系统如图2-3所示。图1.3H型可逆PWM驱动系统1.2.2单极性驱动系统单极性驱动是指在一个PWM周期中，电机电枢的电压极性呈单一(或者正、或者负)变化。双极性驱动是指在一个PWM周期中，电枢电压极性呈正负变化。单极性驱动有两种，一种为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆系统的组合，由于形状像横放的“T”字，所以称为T型。T型单极性驱动由于电流不能反向，并且两个开关管动态切换(正反转切换)的工作条件是电枢电流等于零，因此动态性能比较差，用的也比较少。另一种称为“H”型，也称桥式电路。这种方式驱动的电流波动较小，可以实现四个象限运行，在使用中要注意的是“死区问题”，避免同一桥臂的开关管发生直通短路现象。由上图可知桥式驱动电路由4个开关管和4个续流二极管组成，单电源供电。当电动机正转时，开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而开关管则受PWM反相控制信号控制，保持常闭，保持常开。当电动机反转时，开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而开关管则受PWM反相控制信号控制，保持常闭，保持常开。单极性驱动时系统的PWM占空比仍用上节中的式(1.2)计算。下面以电机在大负载情况下正转时为例说明电枢绕组电流的波形情况。当电动机在较大负载情况下正转工作时，平均电压大于感应电动势。在每个PWM周期的0~区间，导通，截至，电流经过、由A到B流过绕组。在每个PWM周期的~区间，导通，截至，电源断开，在自感应电动势作用下，电流由二极管和开关管进行续流，使电枢中仍有电流流过。方向同样是从A到B，这时由于二极管，实际不能导通，电流波形如图1.4所示。图1.4H型单极可逆PWM驱动电流波形1.2.3双极性驱动系统双极性驱动也有T型和H型两种。T型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，在实际中应用的较少。H型双极性驱动系统的硬件结构与上图2—3一样，4个开关管分成两组，、为一组，、为一组。同一组的开关管是同步导通和关断的，不同组的开关管的导通与关断正好相反。在每个PWM周期中，当的控制信号为高电平(当然的控制信号也为高电平)时，、导通，此时，开关管、截至，电枢绕组的电流从A到B正向流动，当的控制信号为低电平时，则的控制信号为高电平(的控制信号也必为高电平)时，、导通，开关管、截至，此时，电枢绕组承受从B到A的反向电压，这即称为“双极”。由于在一个PWM周期中，电枢电压经历了两次正反两次变化，因此其平均电压计算公式如下：(1.8)根据上面的式子我们可以看出，双极性驱动时，电枢绕组所承受的平均电压取决于占空比的大小。=0时，=-，电机反转，且转速最大。当=1时，=，电机正转且转速最大。当=1∕2时，=0，电机不转。虽然此时电机不转，但是电枢绕组中仍然有交变电流流过，使电机产生高频振荡，这种振荡有利于克服电机负载的静摩擦，提高动态性能。同样以电机在较大负载情况下正转时为例说明电枢电流的波动情况。在这种情况下，平均电压大于感应电动势。在每个PWM周期的0~区间，开关管、导通，、截至，电枢电流的方向是从A到B，在~区间，、导通，、截至，虽然电枢绕组加反向电压，但是由于绕组的负载电流较大，电流的方向仍然不变，只不过电流幅值的下降速率比在单极性驱动系统中大，因此电流的波动较大。其电流波形如图1.5所示。图1.5H型双极可逆PWM驱动电流波形双极性驱动时，电动机可在4个象限工作，低速时的高频振荡有利于消除负载的静摩擦，低速平稳性好。但在工作的过程中，由于4个开关都处在开关状态，功率损耗比较大，因此双极性驱动主要用在较小功率的电机驱动中。相对于单极性驱动而言，双极性驱动系统的散热问题更难解决。2DSP技术2.1TMS320F2812介绍TMS320F2812是由美国TI(TexasInstruments)公司生产的TMS320系列中的一个型号，是目前控制领域最先进的处理器之一。TMS320系列DSP的体系结构专为实时信号处理而设计，该系列DSP控制器将实时处理能力和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。下列特性使得TMS320系列成为很多处理应用的理想选择。1)灵活的指令集；2)内在的操作灵活性；3)高速的运算能力；4)改进的并行结构；5)有效的成本。TMS320F2812就是属于TMS320系列的定点32位芯片，在TMS320系列DSP的基础上，TMS320F2812有以下一些特点：(1)低功耗设计，核心部分电源采用1.8V供电，I/O部分采用3.3V供电；150MIPS的执行速度使得指令周期缩短到6.7ns(150MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。(2)基于TMS320C28XDSP的CPU核保证了TMS320F2812的DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。(3)片内高达128K字的FLASH程序存储器，高达18K字节的单口RAM(SARAM)。(4)两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括:4个16位通用定时器；16个16位的脉宽调制(PWM)通道。它们能够实现：PWM的对称和非对称波形；当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM通道；编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路。事件管理器模块适用于控制直流电机、交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和逆变器等。(5)可扩展的外部存储器总共1056K字;3位外部地址总线XZCSOANDIn,XZCS2n.,XZCS6AND7n作为片选信号用来选择外部存储器的五个区：0区8K字、1区8K字；2区512K字；6区512K字；7区16K字。(6)看门狗定时器模块(WDT)。(7)增强的控制局域网络(eCAN)模块。(8)丰富的外设接口包括一个SPI串行外设接口、两个SCI串行通信接口、一个DART标准通用异步收发接口、一个CAN总线接口、一个MCBSP多通道缓冲串行接口。(8)基于锁相环的时钟发生器。(9)高达56个可单独编程或复用的通用输入输出引脚(GPIO)。(10)3个外部中断，另有外围中断扩展(PIE)模块可支持45个外围中断。(11)电源管理包含IDLE,STANDBY,HALT3种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模块。由于该系列处理器集成了很多内核可以访问和控制的外设，C28x内核需要通过某种方式来读/写外设。为此，处理器将所有的外设都映射到了数据存储器空间。每个外设被分配一段相应的地址空间，主要包括配置寄存器、输入寄存器、输出寄存器和状态寄存器。每个外设只要通过简单的访问存储器中的寄存器就可以使用该设备。外设通过外设总线(PBUS)连接到CPU的内部存储器接口上，其结构如下图2.1所示。所有的外设包括看门狗和CPU时钟在内，在使用之前必须配置相应的控制寄存器。图2.1TMS320F281x的功能框图2.2DSP的应用DSP的开发环境CCS(CodeComposerStudio)采用TI公司最新推出的CCS2.0。该软件集编辑、调试、仿真、监控等功能于一体，便于实时、嵌入式信号处理程序的编制和测试，能够加速开发过程，提高工作效率。对项目的管理采用常用的工程管理方式，支持C语言和汇编语言的编译或C语言与汇编语言的混合编译，编程比较方便。CCS支持如下图2.2所示的开发周期的所有阶段。图2.2DSP系统开发过程的四个阶段CCS的关键组件包括以下几个部分：1)带有技术的编译环境；2)C/C++编译器、封装优化器和连接器；3)实时操作系统(DSP∕)；4)主机和目标器件的实时数据交换(RTD)；5)指令模拟器。CCS的开发界面如下图2.3所示。图2.3CCS开发界面3基于DSP技术直流电机控制系统3.1DSP控制电路的设计基于DSP技术直流电机控制属于数字控制，硬件电路主要由供电电路、功率电力电子电路、DSP控制器电路等组成，每部分电路在一块电路板上。图3.1系统框图供电电路(电源板)主要负责给其它各个电路模块提供工作电源，其输出电压有+27V、15V、5V，且在设计中考虑了带负载能力。功率电力电子电路(电机驱动板)完成对电机的驱动控制，包括功率桥及其驱动电路、桥臂的制动控制电路等。此模块上带有三相全控桥式逆变电路，三个桥臂的驱动电路也相互独立。DSP主控制电路(控制板)以TMS320F2812为核心，完成对各种信号的处理以及系统的闭环控制。该控制器带有各种调试电路接口，且可以输出多达的12路PWM信号，即可以同时控制两块电机驱动板。3.2电源变换模块电源是系统能够正常运行的最基本条件，需要系统供电的地方不仅有电机及其驱动部分，也有DSP控制部分，尤其是后者，其供电需要比较高的稳定性与精度，所以电源设计的好坏在很大程度上决定了系统的性能。将系统所需电源单独作为一部分来设计，这样做可以使系统在硬件电路上实现模块化，便于安装，同时在系统调试阶段，可以及时发现问题，也便于调试，以从根本上满足系统要求。系统输入输出电源统计：输入：外部给电机控制系统供电只有+27V直流电源；输出(指电源变换部分给其他模块的输出电压，包括电机及其驱动模块、DSP控制部分等)。1)电机电源+27V；2)电机驱动电路板电源15V、+5V；3)DSP控制板电源15V、+5V,DSP芯片所需的电源3.3V及1.9V电源在控制器板上由专用电源变换芯片产生。电源板总体结构如图3.2所示。图3.2电源板总体结构滤波电路用于滤除输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容器、电感组合而成的各种复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用;与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加(由电源电压增加引起)时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。在本系统中，模块电源的输入部分采用RC滤波电路，而模块电源的输出级采用二型滤波电路。实验证明，滤波效果比较好，输出纹波小。系统供电电路如图4-3所示。图3.3系统供电电路系统中15V以及5V电源是由两个模块电源提供。两个电源模块采用宽隔离系列DC/DC模块电源，隔离电压可达1000VDC，开关频率可达300KHz，它们的电压输入范围较宽，均是双路输出，输出电流最大可达2A。都具有限流、短路保护功能，采用自然散热方式，可以直接安装在PCB板上。3.3电机驱动控制电路研究3.3.1功率主电路设计系统采用桥式驱动电路。三相全控桥电路如图3.4所示。图3.4三相全控桥电路上图中，Q1~Q6为六个功率管，PWM1~PWM6分别为六个功率管的基极驱动信号。A,B,C分别为三个桥臂的输出信号。当该系统用来控制直流电机时，通过配置，将功率管Q5及Q6的保持常闭状态，而将Q1、Q2、Q3及Q4四个功率管组成一个H型可逆PWM驱动系统，只控制上面四个功率管的PWM信号就可以实现对直流电机的控制。3.3.2驱动电路设计对于由功率开关器件组成的逆变器，一个特别重要的问题就是门极驱动和保护系统，它的好坏将直接影响功率器件的能力的实际发挥程度。一个优化的门极驱动装置，除了提供合适的开关信号。还应该保证器件以尽可能最高的安全程度工作，避免出现危险的开关状态。本文选用IR公司的集成驱动芯片IR2110作为开关功率管的驱动级，IR2110是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT驱动器，工作电压为10~20V，每一个IR2110可以驱动一个桥臂，其逻辑输入与CMOS或LSTTL输出兼容，最小可以达到2.5V逻辑电压。且芯片本身具有死区逻辑控制，从而可以防止同一桥臂的直接导通现象，同时它也有一个制动输入信号SD，当此信号为高电平时芯片将锁定PWM输出信号以实现保护功能。一个桥臂的驱动电路如图3.5所示。图3.5单桥臂功率管驱动电路其它两个桥臂的驱动电路也和上图一样，同时每个桥臂都设计了一个制动控制信号，在系统正常运行的时候，该信号为低电平，当出现故障时，就立即使该控制信号发生跳变，用以防止同一桥臂发生直通现象。其电路原理图如下图3.6所示。图中U4为一光耦，用以实现DSP控制级与制动级之间的隔离。图3.6制动控制隔离电路

结论经过一段时间的不懈努力，直流电机控制系统的研