专业设计报告格式1.docx
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专业设计报告格式1
天津理工大学
自动化系专业设计报告
题目：
用DSP设计实现直流电机速度与方向控制
班级：
指导教师：
学生：
自动化学院
2012年11月30日
一．专业设计意义
1．课题的意义及应用领域
DSP已从军事、航空航天等尖端领域进入民用产品各领域，该芯片为压缩机、洗衣机、风扇、泵机和高压交流驱动中的无传感器控制直流无刷电机提供了一个理想性价比方案。
在电机控制系统中采用电机专用DSP，强大的处理能力不但可以使面向电机控制的控制算法，如矢量控制、直接转矩控制数字化实现，而且也有条件完成现代控制理论或智能控制理论的一些复杂算法，如自适应控制、神经网络等。
同时增加面向电机控制的外设，使硬件结构和控制得到简化。
在中国，手机、DVD等数字消费产品是应用DSP的主要方向。
2．本设计对于提高能力、专业能力等方面的帮助
对直流电机驱动的原理、PWM对直流电机的驱动原理、T1PWM-T1CMP控制直流电机的实现过程有了更深的理解，提高了对DSP在现代工业电子应用领域的认识，加深了DSP在直流电机速度与方向控制上的理论认识。
二．专业设计任务书
掌握DSP系统设计步骤及其实现方法；掌握直流电机控制系统的设计方法；掌握Protel99SE设计系统硬件电路方法；掌握CCS程序开发调试方法；用DSP设计实现直流电机速度与方向控制；
具体设计内容及要求如下：
1）直流电机控制的检测电路、驱动电路、保护电路设计。
2）Dsp的主控电路设计。
3）基于数字PID的Pwm模块实现直流转速环与电流环控制。
4）Pwm模块实现方向与转速控制。
课程设计要求如下：
1）直流电机控制计总体方案。
2）设计直流电机控制计硬件并绘制电路原理图。
3）设计直流电机控制计软件。
4）调试系统硬件、软件。
5）撰写专业设计报告。
指导教师：
倪建云吴东月日期：
2012.11.2
三、专业设计进度计划及检查情况记录表
序号
日期
计划完成内容
实际完成内容
1
2012.10.26
选择课题，查阅资料,了解设计要求
2
2012.11.2
总体方案设计，熟悉DSP
3
2012.11.9
查阅资料、熟悉实验平台，进行系统硬件设计
4
2012.11.16
软件设计，系统调试
5
2012.11.23
系统调试，撰写课程设计报告
四、成绩评定与评语
指导教师：
日期：
专业设计的主动性与平时表现（20%）
独立思考能力与动手能力（40%）
专业设计完成情况（40%）
专业设计成绩
第一章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
第二章系统总体设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.4
第三章系统设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
3.1系统的硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
3.2系统的软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
3.3系统调试过程及结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
第四章总结及体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
第一章、绪论
随着电力电子技术，新的永磁材料以及具有快速运算能力的DSP（数字信号处理器）的发展，直流无刷电机应用日益普及。
直流无刷电机具有和直流电机相似的优良调速性能，又克服了直流电机采用机械式换向装置所引起的换向火花、可靠性低等缺点，且具有体积小、重量轻、效率高、电机的形状和尺寸灵活等优点，因此广泛应用在伺服系统、数控机床、电动车辆和家用电器各领域，成为现代伺服技术的主方向。
直流无刷电动机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机，它是现代化工业设备，，现代科学技术和军事装备中重要的几点元件之一，直流无刷电机的最大特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构，以往的直流电机均采用电刷以机械方法进行换向，因此带来了噪声，火花，无限电干扰，寿命短等弱点，而直流无刷电机具有交流电机结构简单，运行可靠，维护方便等一系列特点，又具备直流电机的运行效率高，无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，因此直流无刷电机在航空航天，机器人控制，医疗器械，仪器仪表，化工以及家用电器中都得到了广泛的应用，传统的无刷直流电机大多以霍尔元件或其他位置检测元件为位置传感器，以广电码盘为速度检测元件安装的电机内部，它的存在给滞留无刷电机的应用带来很多缺陷与不便，首先，位置传感器会增加点击的体积和成本，其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性，再次，在某些恶劣的工作环境中，如密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器根本就无法使用，此外，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加生产的工艺难度，位置传感器所带来的种种不利影响促使人们对滞留无刷电动机的无位置传感器控制进行研究，无刷直流电动机作为一种新型的无级变速电动机，不仅具有交流电机的体积小，重量轻，惯性小等特点，而且拥有直流电动机优良的调速性能，但又没有机械换向器的缺点，因此得到了广泛的应用，无论在数控机床，机器人等制造加工领域，还是家用电器如洗衣机，电脑硬盘等场合都日益受到重视，以往的无刷直流电机多由单片机附加许多种接口设备构成，不仅复杂，而且速度也受到限制，难于实现从位置环道速度电流环的全数字控制，也不方便扩展，而应用数字信号处理器（DSP）实现的电机伺服系统却可以只用一片DSP就可以替代单片机和各种接口，且由于DSP芯片的快速运算能力，可以实现更复杂更智能化的算法，可以通过高速网络接口进行系统升级和扩展，可以实现位置速度和电流环的全数字化控制，在基于一般的单片机的无刷直流电机控制系统无论是处理速度及精度上都难以和高性能的数字信号处理器相比，DSP的快速运算能力能够使数字控制系统实时地进行运算，而不是用查表的方法得到近似的结果，其内部结构使控制系统能实现更复杂的控制算法，可以将速度环和电流环以数字方式实现，形成以全数字方式实现的无刷直流电机控制系统，随着科技的高速发展，各类用于电机控制的高性能单片机及DSP的功能越来越丰富，运算速度也有了质的飞跃，而且价格越来越低廉。
第2章系统总体设计
众所周期，无刷直流电机既具有交流电机简单，运行可靠，维护方便等优点，又具有直流电机运行效率高，不受机械换向限制，调速性能好，易于做到大容量、高转速等特点。
TI公司的TMS320F2812数字信号处理器（DSP）既具有高速信号处理和数字功能所需的体系结构。
还具有专为电机控制应用提供单片解决方案所需的外围设备。
以TMS320F2812为核心的全数字电机控制系统极大地简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，降低了成本，并对无刷直流电机的普及应用具有良好的前景。
为此，提出了一种基于TMS320F2812的全数字永磁无刷直流电机控制方案。
2.1硬件设计
由无刷直流电机的数学模型可知，其转速基本上跟电压成正比，转矩基本上和相电流成正比。
为了达到控制精度和动态性能，本系统选用了转速、电流双闭坏调速系统。
电流环采用PI调节器，速度环采用遇限削弱积分的积分分离PI控制算法。
它具有良好的起动和抗干扰性能，可以满足本系统的需要。
在此控制方案中，霍尔传感器的信号加到TMS320F2812的捕获单元端。
将捕获端设置为I/O口，然后采集捕获单元的电位情况。
根据捕获单元的电位情况可以判断电机处于那个区间。
根据两次捕获的时间可以计算出电机运行速度。
此速度作为速度参考值的反馈量，然后经过速度PI调节后可以得到参考电流Iref。
另外通过电流检测电路可以得到相电流Iphase信号,此信号通过A/D转换后作为参考电流Iref的反馈量，经过电流PI调节后，得到的输出量调节输出的PWM信号的占空比,用此PWM信号接到驱动端.这样可以根据电机运行的情况而调节MOSFET管的导通时间达到控制电机转速的目的。
2.2、软件设计
软件采用模块化设计。
在主程序中，执行初始化模块，主要完成系统时钟、看门狗、GPIO、T3中断、事件管理器的各个控制寄存器及其中断等的设置，以及软件中个变量的初始化。
执行完初始化后，系统经入循环等待T3中断。
在INT3中断服务程序中，主要执行以下几个模块：
（1）A/D转换模块：
利用DSP内部的A/D转换单元完成相电流的A/D转换。
（2）换相控制模块：
利用捕获的三个霍尔传感器的状态，根据换相逻辑控制功率MOSFET管的换相。
（3）PWM波形发生模块：
主要是通过设置DSP内部事件管理器模块的PWM波形发生器，将通用定时器T1设置成连续升序计数模式，对应20kHz的PWM频率，计数周期设成50μs。
然后根据电流环输出的占空比对三个全比较单元的比较寄存器值进行刷新。
同时，通过查表法，获得当前换相指针所对应的ACTR（全比较动作控制寄存器）值，并送到ACTR寄存器，完成对PWM1～PWM6引脚状态的定义。
（4）数字PID模块：
改模块实现数字PID算法，对转速误差和电流误差进行调节计算，控制PWM信号的占空比。
第3章、系统设计
3.1系统硬件设计
3.1.1控制部分硬件设计
控制板部分以TMS320F2812为核心，加上一部分外围电路及接口构成。
实现的主要功能是控制指令的接收和执行，速度信号的接收和计算处理，电流采样信号接收和转换，速度闭环和电流闭环控制算法的执行等。
对电机的控制主要使用F2812片上的两个电机控制专用外设——EVA和EVB。
利用通用定时器T1配合PWM发生器来产生驱动功率器件所需的六路PWM信号，通过GPIO接口将三路电机霍尔传感器信号输入捕获单元，从而获取三个转子的位置，进而控制电机的换相和进行电机转速的计算。
两个12位AD模块对相电流信号Iphase和输入的速度调节电压信号Vref进行转换和存储，分别作为电流环的反馈信号和速度环的参考信号。
通过片上的通用输入输出接口（GPIO），实现与功率驱动部分的连接，输出启动停止信号，正反转信号，紧急制动信号等，同时接收输入的保护信号，故障信号等。
通过片上的SCI模块实现与计算机的通信，接收上位机的控制指令。
3．1.2转子位置检测电路
图1、电路原理图
随着电机转子的旋转，光电管间歇接收从光源发出的光，不断导通和截止，从而产生一系列“0”和“l”的信号。
这些脉冲信号通过I／0端口传输给DSP，DSP读取霍尔元件的状态值，以确定转子的当前位置。
再通过改变PWM信号的占空比控制驱动电路，改变IGBT的导通顺序，实现电机的换相控制．并调节电机的转速。
电机驱动电路控制桥臂上的功率管导通顺序为VQ1，VQ2→VQ2，VQ3→VQ3，VQ4→VQ4，VQ5→VQ5，VQ6→VQ6，VQ1（两两通电）。
电机转子每转一圈，H1，H2，H3将出现10l→100→110→010→011→00l的6种状态，DSP对每一种状态发送相应的控制字。
改变电机的通电相序，实现电机的连续运行。
图1给出电机驱动电路控制原理图。
3．1.3驱动电路
功率驱动部分的硬件电路，主要由前置驱动芯片和六个功率MOSEFET管组成，实现对控制部分传送过来的换相信息的处理和PWM信号的隔离放大，控制功率MOSFET管的导通和关断，以此来控制电机的工作状态和速度。
除此之外，还有电源电路，电流检测电路，过流保护和紧急制动电路等辅助电路，以及与电机和控制板的接口电路。
前置驱动芯片采用的是IR公司的MOSFET驱动芯片IR2131，具有集成度高、可靠性好、速度快、过流欠压保护、调试方便等特点。
IR2131内部设计有过流、过压及欠压保护。
功率驱动电路采用24V供电，驱动电路与电机的连接采用三相全桥方式，电机工作在三相六状态模式下。
以任一时刻电机只有两相导通的方式来控制换流元件。
PWM调制的方式是软斩波方式，即导通时下桥臂功率管始终保持开状态，上桥臂功率管的开关由PWM信号决定。
功率开关管采用HITACHI公司的集成功率开关器件6AM15，其内部集成3个N型MOSFET管和P型MOSFET管，构成三相全桥功率开关电路。
与采用六个分立MOSFET管相比，有利于提高集成度，减少电路板面积，增加可靠性。
每个MOSFET管自带超快恢复二极管，在MOSFET管关闭期间起反向续流作用。
图2驱动电路
电机控制器驱动电路采用IR2131（见图2）。
IR2131／IR2132是一种采用高压、高速功率MOSFlET和IGBT的驱动器。
IR2131可同时控制6个功率管的导通和关断。
通过输出端口H01，H02，H03分别控制三相全桥驱动电路中上半桥VQ1、VQ5、VQ5的导通和关断，通过输出端口L0l、L02、L03分别控制三相全桥驱动电路中下半桥VQ4、VQ6、VQ2的导通和关断，从而实现控制电机转速和正反转。
3．1.5系统保护电路
在无刷直流电机控制系统中，保护电路具有重要作用，可保护控制系统的核心器件DSP免受高压、过电流的冲击，同时也保护电机的驱动电路免遭损坏。
整个系统的保护电路主要由电路隔离、信号隔离和驱动保护3部分组成。
3．1.6隔离电路
图3信号隔离电路
信号隔离电路是把控制电路与驱动电路之间的控制信号和驱动信号通过光电隔离器进行信号隔离，实现不同电压之间的信号传输，该隔离电路可实现对DSP的6路PWM输出信号与IGBT的光电隔离，并实现驱动和电平转换功能。
3.2系统控制策略及软件设计
3.2.1系统控制策略
由无刷直流电机的数学模型可知，其转速基本上跟电压成正比，转矩基本上和相电流成正比。
为了达到控制精度和动态性能，本系统选用了转速、电流双闭坏调速系统。
电流环采用PI调节器，速度环采用遇限削弱积分的积分分离PI控制算法。
它具有良好的起动和抗干扰性能，可以满足本系统的需要。
控制系统框图如图4所示。
图4无刷直流电机转速、电流闭环控制系统
在此控制方案中，霍尔传感器的信号加到TMS320F2812的捕获单元端。
将捕获端设置为I/O口，然后采集捕获单元的电位情况。
根据捕获单元的电位情况可以判断电机处于那个区间。
根据两次捕获的时间可以计算出电机运行速度。
此速度作为速度参考值的反馈量，然后经过速度PI调节后可以得到参考电流Iref。
另外通过电流检测电路可以得到相电流Iphase信号,此信号通过A/D转换后作为参考电流Iref的反馈量，经过电流PI调节后，得到的输出量调节输出的PWM信号的占空比,用此PWM信号接到驱动端.这样可以根据电机运行的情况而调节MOSFET管的导通时间达到控制电机转速的目的。
3.2.2软件设计
根据系统的控制策略，可以得出整个控制系统软件由主程序和INT3中断服务子程序所组成。
流程图如图5所示。
图5系统软件流程图
软件采用模块化设计。
在主程序中，执行初始化模块，主要完成系统时钟、看门狗、GPIO、T3中断、事件管理器的各个控制寄存器及其中断等的设置，以及软件中个变量的初始化。
执行完初始化后，系统经入循环等待T3中断。
在INT3中断服务程序中，主要执行以下几个模块：
（1）A/D转换模块：
利用DSP内部的A/D转换单元完成相电流的A/D转换。
（2）换相控制模块：
利用捕获的三个霍尔传感器的状态，根据换相逻辑控制功率MOSFET管的换相。
（3）PWM波形发生模块：
主要是通过设置DSP内部事件管理器模块的PWM波形发生器，将通用定时器T1设置成连续升序计数模式，对应20kHz的PWM频率，计数周期设成50μs。
然后根据电流环输出的占空比对三个全比较单元的比较寄存器值进行刷新。
同时，通过查表法，获得当前换相指针所对应的ACTR（全比较动作控制寄存器）值，并送到ACTR寄存器，完成对PWM1～PWM6引脚状态的定义。
（4）数字PID模块：
改模块实现数字PID算法，对转速误差和电流误差进行调节计算，控制PWM信号的占空比。
由直流电动机的运动方程可知:
加速度与电动机的转矩成正比,而转矩又与电动机的电流成正比,因此,要实现电机的高精度高动态性能控制,就需要同时对电机的速度、电流及位置进行检测和控制。
图1是无刷直流电机控制系统框图,在系统中设置了速度调节器和电流调节器,分别调节电机的转速和电流,两者之间实行串级连接,把速度调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制PWM装置。
如图1所示,整个系统控制单元可分为两大部分:
虚线框内的功能由TMS320F2812ADSP组成的最小系统实现,他包括DSP和片外存储器,另一部分则为反馈信号采集部分。
电流反馈信号由霍尔元件测得,通过F2812的A/D模块转化为数字量,转子位置信号则用于产生正确的转子换向,光电编码器检测电机的转动方向及转角并反馈回DSP系统,形成闭环控制。
系统位置给定由上位机发出。
三相交流输入经整流、稳压后为逆变电路提供直流电源,逆变电路的触发信号由上位机提供,其目的是输出占空比可调的PWM信号,通过调整PWM信号宽度以控制功率管的开、关时间,从而实现对无刷电机的控制。
3.2.3系统调试过程及结果．
转速
方向
T1PR
T1CMP
T2PR
T2CMP
低
逆
0fcc
500
0005
050
高
逆
0005
500
0005
050
中
逆
0a00
500
0005
050
低
顺
0a00
500
0fff
050
中
顺
0fff
500
0a00
000
低
顺
0fff
500
0fcc
500
中高
顺
0fff
500
0fcc
005
采用TMS320F2812为核心设计的数字伺服系统，解决了伺服系统中PWM信号的生成、电机速度反馈及电机电流反馈问题，方便地实现了保护功能，极大地简化了系统硬件设计，提高了系统的可靠性，减小了伺服系统的体积。
降低了成本（降低约20％）。
实验结果验证了该方法的有效性。
第四章总结及体会
首先感觉的是和传统单片机有很大的区别：
DSP功能比普通单片机高出很多，当然价格也比较高。
所以直接用DSP和单片机比较是不合适的。
我们这里比较不是从他的应用领域来比较，我们是从开发的角度来比较，为了是使那些熟练使用单片机的朋友可以很快上手。
当然我的主要目的的大家可以比较学习，达到熟悉一种CPU其他就可以很快上手。
下面从几个方面比较一下
1,硬件上比较
从硬件上比较DSP和传统的单片机主要有几个方面不一样，很多DSP电源系统比传统的复杂，但是这个并不影响我们因为如TI的DSP都提供相关的测试电路。
开始的时候大家可以完全按照他来设计。
调试方式上有很大不同，DSP一般通过JTAG来进行仿真和烧写的，而单片机是通过直接仿真器来仿真的（这里讲的单片机是比较早的，现在的单片机也有很多采用JTAG调试方式）。
其他设计比如重要的时序设计所以CPU系统是一样的只要满足时序就可以达到目标。
2,软件上比较
相比硬件软件应该是DSP差别比较大的DSP的软件需要CMD文件，一般的单片机编译器编译以后就可以了不需要。
并且CMD也是DSP学习过程中比较困难的一个方面。
通过这次实验，我熟悉了CCS开发环境以及设计运行调试过程，对直流电机驱动的原理、PWM对直流电机的驱动原理、T1PWM-T1CMP控制直流电机的实现过程有了更深的理解，提高了对DSP在现代工业电子应用领域的认识，加深了DSP在直流电机速度与方向控制上的理论认识，学会对模块的初始化怎么定义和编写的流程。
使我对DSP产生了浓厚的兴趣，激发了我学习DSP的积极性，从这次实验结果上来说，清晰的结果使我对书本上的知识应用到了实验中，很满足。
最后，感谢老师的耐心指导
参考文献：
1.姚嘉,刘刚,房建成.控制力矩陀螺用高速高精度无刷直流电机控制系统.微计算机信息2005,9-1：
3-5
1.张琛.直流无刷电动机原理及应用北京：
机械工业出版社，1996
2.苏奎峰,吕强.TMS320F2812原理与开发.北京：
电子工业出版社，2006
3.BLDC3-1systemdocumentation:
sensoredcontrolof3phasebrushlessDCmotor.Houston,Tex,2005
4、徐科军，陈志辉，傅大丰TMS320F2812DSP应用技术：
科学出版社，2010
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