基于TMS320LF2407A的直流电机调速系统的设计.doc

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北京联合大学毕业设计

引言

现代化建设离不开机械，而机械运转的动力很多是由电机提供的，这主要

包括了直流电机和交流电机两种，虽然交流电机的发展将最终取代直流电机，

但直流电机还将在很长一段时间里一直占据重要地位。

直流电动机具有良好的

启动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的

电力拖动领域中得到了广泛地应用。

特别是如轧钢机、龙门刨床和高精度机床

等传动中，直流电机都占主要地位。

1、直流电机概述

1.1直流电机调速方法

定子励磁绕组通过直流电流I时产生励磁磁势F和主磁通。

电枢绕组通过电枢电流

I，则产生电枢反应磁势F。

由于直流屯机的电刷在几何中线AB上，因此励磁磁势F与电枢反应磁势F。

正交。

通常直流电机在其主磁极上加有补偿绕组，电枢反应磁势对主磁通没有影响。

直流电机电枢绕组中的电流I。

与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。

这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。

因此，调速方法三种：

（1）调节电枢供电电压u改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法．对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。

I变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

（2）改变电动机主磁通西改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。

I变化时遇到的时问常数同I变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

（3）改变电枢回路电阻R在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便．但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软：

空载时几乎没什么调速作用；在调速电阻上消耗大量电能。

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时间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，自动控制的直流调速系统往往以调压凋速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。

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时间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，自动控制

的直流调速系统往往以调压凋速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配

合起来使用。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的

方式为最好。

改变电阻只能有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范

围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的

弱磁升速。

因此，现实中直流调速系统往往以调压调速为主。

1.2直流调速系统发展

因为直流电机调速主要采用调压调速，调节电枢电压需要有专门的可控直流电源，所以，以可控直流电源的发展可把直流电机调速分为三个阶段:

旋转变流机组;静止式可控制整流器;直流斩波器或脉宽调制变换器。

20世纪60年代以前广泛使用的是旋转变流机组，由交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流i，即可改变输出电压U，从而调节电动机的转速刀。

这样的调速系统简称G一M系统。

系统设备多，体积大，费用高，效率低，安装需打地基，运行有噪声，维护不方便。

此后，开始采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。

静止式变流装置供电的直流调速系统最开始时采用的是闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统。

它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还大大缩短了响应时间，但闸流管容量小，汞弧整流器造价高，维护麻烦，万一水银泄露，将会污染环境，危害人身健康。

1957年，晶闸管的问世使变流技术产生了根本性变革。

通过调节GT的控制电压姚来控制触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压价，从而实现平滑调速。

与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也有较大优势。

但是晶闸管属于半控型器件，使得其在V-M系统中的应用受到一定限制。

到了20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，出现了全控型器件一GTO、MOSFET、IGBT等。

采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成各种脉冲宽度调制的开关电路，简称脉宽调制变换器（PWM）。

80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调压调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广。

但晶闸管斩波调速器不足之处是:

晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，增加了装置的成本和换流损耗;电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低;此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在30OHz以下），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重。

随着现代电力电子技术的发展，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件（IGBT等功率器件）作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案，使直流电动机系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。

1.3直流调速系统国内外发展现状

我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速地发展和广泛地应用。

目前，用于中、小功率的0.4一20OKW晶闸管直流调速装置己作为标准化、系列化通用产品批量生产，用于大功率的200OKW系列产品也开始在某些大型轧机上试用。

晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛地应用。

随着各种新型控制器件的发展，直流电动机晶闸管调速系统除向大功率（单机容量已达数千瓦）发展以外，正在实现控制单元标准化、集成化、小型化、积木式组合化。

对某些中小功率装置，正在做到使电动机和控制设备组和一体化。

尤其是近年来，国外各厂家竟相推出全数字化直流调速装置，使得直流调速系统在理论和实践方面都迈上了一个新台阶。

国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均己开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。

我国关于数字直流调速系统的研究主要有:

综合性最优控制、补偿PID控制、PID算法优化，很少将模糊控制等智能技术应用于其中。

随着新型电力半导体器件MOSFET、IGBT等的发展，开关器件具有了开关速度快、驱动简单和可自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。

我国直流速正向着脉宽调制方式发展。

数字控制可由通用的DSP来实现，DSP除完成数字运算外，还可以实现PID以及其它各种特殊的控制算法，可以存储和计算不同条件下的速度设定值及变化规律。

此外还可以对各种工艺参数进行检测、显示、越限报警和打印报表等，通过总线控制还可以用一台计算机控制多台调速装置，这些技术特点为直流调速控制器装置迅速由模拟向数字化转化。

连续控制系统中由模拟电子电路构成的调节器，由于校正参数不容易调整，对控制对象适用能力差，难于实现各种新型的控制方法。

此外，模拟电路对状态量的检测精度不高，模拟式元件集成度不高，这些制约了电气传动的发展。

随着DSP技术、超大规模集成电路、新型电力开关器件和传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置不断向前发展。

DSP技术的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。

近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以DSP为核心的多种交、直流电气传动装置。

1.4本文研究的主要内容

直流调速系统采用DSP实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向。

采用DSP控制后，整个调速系统可以实现全数字化，结构简单，可靠性提高，操作维护方便，电机稳态运行时的精度可达到较高水平，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。

TMS320LF2407A自身带有高精度A/D转换器以及PWM脉宽调制电路，还嵌入了许多外围设备，这些都使其非常适合于直流PWM调速控制，从而能够成功解决以往同类产品实现调速控制时软件开销大，实时性不强的问题。

在通过DSP控制速度的同时，也结合了PID数字调节器，这样可以精确控制速度，以此消除以往其它控制方式所产生的稳态误差及更有效地消除电路的干扰。

2基于DSP控制电机的工作原理

2.1连续控制与数字控制的特点

连续控制系统是以反馈控制理论为基础，由模拟电子电路构成控制器，因而存在如下主要弱点：

（1）由运算放大器构成的PID调节器，其参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象的变化自适应能力差；

（2）模拟控制器很难实现高级的控制策略和控制方法，难以实现对交流电机这样复杂对象的控制；

（3）受成本的限制，对反馈量的模拟电路检测精度不高，因而控制精度也不易提高；

（4）用模拟器件构成的控制电路集成度不高，硬件复杂，可靠性低，可重复性差。

因而，连续控制已经不能适应运动控制系统的发展需要。

以微处理器为核心的数字控制系统，不仅克服了上述连续控制的弱点，而且可以实现原连续控制不可想象的高复杂程度、高精度的控制，为运动控制注入了新的活力，并将其推向更高的发展阶段。

数字控制的主要特点如下：

（1）控制系统集成度高，硬件电路简单而且统一，可靠性高，可重复性好，对于不同的控制对象和控制要求，只需改变控制算法软件即可，可以实现同一控制器既可控制直流电机又可控制交流电机。

（2）数字控制器的输入输出通道可以实现控制量的模拟输出、反馈量的数字输入，具有数据采集速度快、值域范围宽、分辨率高、精度高等特点，为实现高性能的运动控制系统打下了基础。

（3）采用高速数字信号处理器为控制器，可以实现复杂的高性

2.2基于DSP控制电机的主要特点

电动机的DSP控制系统大都是数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统则是当前发展的方向。

在电动机的DSP控制系统中，通常存在模拟信号和数字信号，既有连续信号，又有离散信号。

例如：

电动机的电流和电压为连续模拟信号，它们经过采样保持后成为离散模拟信号；利用键盘输入的给定信号是数字信号，绝对编码器检测的位置信号也是数字信号。

虽然DSP有模／数转换接口，但是模／数转换需要花费芯片的计算时间，而且DSP操作运算时只能识别和处理数字量，只能依次处理，所以DSP与外界信息传递和处理总是一个采样过程，电动机的DSP控制系统也必然是一种离散系统。

传统的数字控制系统一般以单片机作为其控制核心，采用DSP作为直流电机的控制核心则有单片机无法比拟的优势：

运算速度快、精确度高、存储量大，并且具有逻辑控制功能以及各种中断处理能力，丰富的数字输入输出端口，以及电机专用的PWM输出口。

DSP将这种控制硬件集成在一个芯片之中，芯片的功能也会随着集成电路技术的不断进步而变得越来越强大。

基于DSP的电机控制主要有以下特点：

（1）DSP芯片采用哈佛结构或者采用改进的哈佛结构，其数据与程序运用相互独立的总线结构，从而计算能力有效提高。

DSP芯片具有丰富的逻辑判断功能以及大容量的存储单元，一些复杂的控制规律，比如参数识别、优化控制、智能控制等现代控制理论和算法，将能够更容易的应用。

（2）DSP的应用使得电机控制器的硬件能够设计得更小，重量也更轻，并且功耗也下降。

（3）DSP的应用使得系统运行的可靠性增强，主要是由于DSP芯片设计保证了元器件在额定工作状态下平均无故障时间远远超过分立元器件构成的模拟电路。

（4）数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响。

内部计算精度很高，所以被控量可以较