基于DSP的直流电机调速系统设计与实现.doc

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基于DSP的直流电机调速系统设计与实现

课程设计报告

一、设计要求

利用ICETEK-F2812-EDU实验箱完成直流电机调速系统分析与设计。

基本要求：

1．给出直流电机调速原理分析；可设定电机的转动方向，转速；

2．可实时测量电机的实际转速，并在LED数码管上显示出来；

3．可对电机进行转速调节，使其转速趋近于设定值；

4．完成硬件原理图，绘制PCB板，撰写课程设计说明书。

二、设计方案（要求给出详细的设计思路及其必要的论证）

目前，直流电机调速系统有很多种方案，有基于DSP直流电机调速系统、ARM直流电机调速系统和单片机直流电机调速系统。

本实验是基于DSP直流电机调速系统，从三方面来进行方案的选择与比较，首先是测速方案的选择，其次是pwm波的产生及测速方法的选择。

直流电机转速的方法很多，主要分为计数式、模拟式、同步式三大类。

这三种根据类型不同的工作原理又可分为不同的类型，其中，计数式可以分为机械式、光电式、电磁式。

光电式目前是一种比较常用的计数式转速测量仪，此种方法离不开重要的部件光电编码器。

本文主要介绍是三种测速方案的选择：

1.测速装置的优缺点及选择

（1）光电编码器测速方案

电机的位置检测在电机控制中是十分重要的，特别是需要根据精确转子位置控制电机运动状态的应用场合，如位置伺服系统。

电机控制系统中的位置检测通常有：

微电机解算元件，光电元件，磁敏元件，电磁感应元件等。

这些位置检测传感器或者与电机的非负载端同轴连接，或者直接安装在电机的特定的部位。

其中光电元件的测量精度较高，能够准确的反应电机的转子的机械位置，从而间接的反映出与电机连接的机械负载的准确的机械位置，从而达到精确控制电机位置的目的。

在本文中我将介绍高精度的光电编码器的内部结构、工作原理与位置检测的方法。

　一、光电编码器的介绍：

　　光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。

根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。

（一）、绝对式光电编码器

绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。

编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。

用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。

通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。

如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、…、1111。

按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。

当码盘转到一定的角度时，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，从而获得扇区的位置脚。

（二）、增量式光电编码器

增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。

它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。

增量式光电编码器输出两路相位相差90o的脉冲信号A和B，当电机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90o，此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号Dir。

当电机反转时，脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位90o，此时逻辑电路处理后的方向信号Dir为低电平。

因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。

其转速辩相的原理如图所示

总的来说，光电编码器的优点是的脉冲宽度稳定，精度高，日后提高精度可以改变，仅仅换个高精度的即可，缺点是安装不方便，由于软连接的原因，很容易松动，可靠性差，容易损坏光电编码器适合用于精密设备。

（2）霍尔传感器测速方案

霍尔传感器测速原理霍尔传感器测速原理霍尔传感器测速原理

霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量。

霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的，因此得名。

霍尔效应：

在金属或半导体薄片的两端通过控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为应强度为磁场那么,在垂直于电流和磁场方向向上将产生电动势场UH（霍尔电压）。

霍尔元件：

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。

它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

霍尔传感器：

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感。

霍尔传感器的种类：

线性霍尔传感器，开关霍尔传感器。

线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

可以做成电流传感器（钳形电流表），位移测量传感器;开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，和输出级组成，它输出数字量。

开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

霍尔传感器的原理：

霍尔元件是磁敏元件，要想用来测转速，就必须在被测的旋转体上装一个磁体，旋转时，每当磁体经过霍尔元件，霍尔元件就发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，也有的霍尔元件可以直接输出脉冲信号，送运算，两个脉冲的间隔时间就是周期，由周期可以换算出转速，也可计数单位时间内的脉冲数，再换算出转速。

霍尔式精度比较高，频率比较快，成本低。

最主要的他对外部环境的要求不高，并且工作温度可以达到150，以及不同轴的耐受力要好。

（3）旋转编码器测速方案

旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。

当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线，并被接收元件接收产生初始信号。

该信号经后继电路处理后，输出脉冲或代码信号。

其特点是体积小，重量轻，品种多，功能全，频响高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能稳定，可靠使用寿命长等特点。

1、增量式编码器

增量式编码器轴旋转时，有相应的相位输出。

其旋转方向的判别和脉冲数量的增减，需借助后部的判向电路和计数器来实现。

其计数起点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量。

还可以把每转发出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。

当脉冲已固定，而需要提高分辨率时，可利用带90度相位差A，B的两路信号，对原脉冲数进行倍频。

2、绝对值编码器

绝对值编码器轴旋转器时，有与位置一一对应的代码（二进制，BCD码等）输出，从代码大小的变更即可判别正反方向和位移所处的位置，而无需判向电路。

它有一个绝对零位代码，当停电或关机后再开机重新测量时，仍可准确地读出停电或关机位置地代码，并准确地找到零位代码。

一般情况下绝对值编码器的测量范围为0～360度，但特殊型号也可实现多圈测量。

3、正弦波编码器

正弦波编码器也属于增量式编码器，主要的区别在于输出信号是正弦波模拟量信号，而不是数字量信号。

它的出现主要是为了满足电气领域的需要－用作电动机的反馈检测元件。

在与其它系统相比的基础上，人们需要提高动态特性时可以采用这种编码器。

为了保证良好的电机控制性能，编码器的反馈信号必须能够提供大量的脉冲，尤其是在转速很低的时候，采用传统的增量式编码器产生大量的脉冲，从许多方面来看都有问题，当电机高速旋转（6000rpm）时，传输和处理数字信号是困难的。

在这种情况下，处理给伺服电机的信号所需带宽（例如编码器每转脉冲为10000）将很容易地超过MHz门限；而另一方面采用模拟信号大大减少了上述麻烦，并有能力模拟编码器的大量脉冲。

这要感谢正弦和余弦信号的内插法，它为旋转角度提供了计算方法。

这种方法可以获得基本正弦的高倍增加，例如可从每转1024个正弦波编码器中，获得每转超过1000，000个脉冲。

接受此信号所需的带宽只要稍许大于100KHz即已足够。

内插倍频需由二次系统完成。

从上面的描述可以看出：

两者各有优缺点，增量型编码器比较通用，大多场合都用这种。

从价格看，一般来说绝对型编码器要贵得多，而且绝对型编码器有量程范围，所以一般在特殊需要的机床上应用较多而已。

旋转编码器有以下优点：

信息化：

除了定位，控制室还可知道其具体位置；柔性化：

定位可以在控制室柔性调整；安装方便和安全、使用寿命长。

一个旋转编码器，可以测量从几个微米到几十几百米的距离。

多个工位，只要选用一个旋转编码器，就可以避免使用多各接近开关、光电开关，解决现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。

由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。

多功能化：

除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。

经济化：

对于多个控制工位，只需一个旋转编码器，安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长。

鉴于以上优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。

综上所述，我们采用旋转编码器测速方法。

2.测速方法的优缺点及选择

可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。

具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。

M法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法，如图2所示，例如光电编码器是N线的，则每旋转一周可以有4N个脉冲，因为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号4倍频。

现在假设检测时间是Tc，计数器的记录的脉冲数是M1，则电机的每分钟的转速为

　　在实际的测量中，时间Tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。

如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么M1就应该大于50。

在一定的转速下要增大检测脉冲数M1以减小误差，可以增大检测时间Tc单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0.01秒以下。

由此可见，减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。

　　M法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数N机测量时间Tc条件下，转速越高，计数脉冲M1越大，误差也就越小。

　　T法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法，如图3所示。

例如时钟频率为fclk,计数器记录的脉冲数为M2，光电编码器是N线的，每线输出4N个脉冲，那么电机的每分钟的转速为

为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此T法测速适用于低速运行的场合。

但转速太低，一个编码器输出脉冲的时间太长，时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出;另外，时间太长也会影响控制的快速性。

与M法测速一样，选用线数较多的光电编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。

　M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的脉冲个数M1和M2进行计数，则电机每分钟的转速为

实际工作时，在固定的Tc时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数，定时器定时Tc时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。

采用M/T法既具有M法测速的高速优点，又具有T法测速的低速的优点，能够覆盖较广的转速范围，测量的精度也较高，在电机的控制中有着十分广泛的应用。

由于本实验脉冲数较多所以采用M法。

3.PWM波的产生

PWM就是PULSEWIDTHModulation脉宽调制-矩形脉冲波形，即占空比可调的方波。

DSP直接可以输出PWM波，