0357赵明杰直流电机PWM调速系统的DSP实现docWord文档下载推荐.docx
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然后系统地阐述了该文使用系统的组成及其数字化控制原理，从整个调速系统的关键技术角度分析了计算机与DSP相结合的直流电机PWM调速的实现；
最后详细描述了系统的软件设计，设计过程运用了模块化设计。
本文使用了TMS320F2812DSP，它在C2000系列中非常的突出，对它的深入学习是学习DSP原理的理想的入门芯片。
本文对该芯片有非常详细的介绍，这也对我以后的学习帮助很大。
关键字：
直流电机、PWM、调速、DSP
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,progressofpowerelectronictechnologyandcomputertechnology,beforethemotorspeedoldcan'
tsatisfypeople'
sneeds,progresshasalreadybecometheirresistible.So,generationaftergenerationofpeople'
sefforts,theDCmotorspeedcontrolhasbecomeacomprehensivedigitaldirection,whilethepulsewidthmodulation（PWM）isthefoundationofdigitalcontrolof.Inrecentyears,digitalsignalprocessor（DSP）hardwareresourcesmoreintegratedabundance,DCmotorspeedregulationisrealizedbyDSPreceivedextensiveattentionandapplication,however,fortheapplicationofitsDSPinthisregard,inmanyareashavebeengreatlyused,suchaselectrical,aerospace,communications,medicalandelectronicandsoonhavetheuseofawiderangeof.
ThispaperfirstproposedtocontroltheexecutivesandtheDCmotor,thetraditionalmethodsarelisted;
andthensystematicallyexpoundedthecompositionandprincipleofthedigitalcontrolsystem,analysestheimplementationofPWMDCmotorspeedcontrolcomputerandDSPcombinedfromthekeytechnologypointofthespeedregulationsystem;
finally,adetaileddescriptionofthesoftwaredesignsystemsoftwaredesign,whichdirectlyaffectstheimplementationofsystemdesign,socareless.Thesystemsoftwaredesignusesthemodulardesign,butamoduleisabsolutelyindependent,soitisveryconvenientforadjustmentandcallingsystemfor.
Inthispaper,theuseofTMS320F2812DSP,itisintheC2000seriesisveryprominent,forhisin-depthstudyistheentry-chiplearningDSPprincipleideal.Inthispaper,averydetailedintroductiontothechip,thisalsoformyfuturestudyofgreathelp.
Keywords:
DCmotor,PWM,speedcontrol,DSP
目录
第一章概述1
1.1直流电机调速的发展1
1.2DSP的概念2
1.3脉宽调制（PWM）技术的发展概述3
1.4DSP在国内的发展3
1.5论文的主要内容4
第二章直流PWM调速原理5
2.1调速原理5
2.1.1双极性可逆PWM变换器7
2.1.2双极性PWM可逆变换的特点9
第三章系统硬件设计11
3.1DSP芯片选型12
3.1.1CCS开发平台的特点13
3.1.2TMS320F2812芯片的性能13
3.2直流电机的调速双闭环控制13
3.3接口设计14
第四章软件设计16
4.1DSP芯片TMS320F2812的特点16
4.1.1DSP的特点16
4.1.2CCS软件的了解17
4.2系统软件设计18
4.2.1主程序设计18
4.2.2PWM波形子程序20
第五章展望与总结23
5.1展望23
5.2总结23
致谢25
参考文献26
附录27
第一章概述
现代工业自动化技术是信息社会中的关键技术和核心技术之一。
自动化技术促进了人类文明的发展。
实现工业生产自动化可以提高系统性能、改善劳动条件、减轻劳动强度、大幅度提高生产率、节约能源、提高生产质量和经济效益。
自动化设备可以代替人完成好多危险和不可能的工作。
现代工业自动化系统已经呈现开放性、智能化、信息化与网络化的特点，它融合了自动化技术、信息技术、现代控制技术、网络技术、通信技术、先进制造技术及现代管理学等诸多学科的先进技术，需要各学科的专家及工程技术人员的通力合作，从而实现多学科专业与技术集成、形成实现现代工业自动化发展的手段和模式。
1.1直流电机调速的发展
传统的直流电机调速技术，而仅仅因为它的优良的调速性能就不可能退出电机调速这一行当，并且有着极其重要的地位。
可是，随着新材料、新工艺和新技术的不断出现和发展，电机调速的控制系统有了日新月异的发展，而越来越多的是朝着数字化控制的方向发展，在数字信号控制中,最常用的方法就是采用脉宽调制（PWM）技术控制外设对象。
调制技术的核心是产生周期不变但脉宽可变的信号。
也就是说，一个PWM是一串脉冲宽度变化的序列，这些脉冲平均分布在一段定长的周期中，在每个周期中有一个脉冲。
这个定长的周期被称为PWM周期，其倒数称为PWM波载频率。
在电机控制系统中，通过功率器件将所需的电流和能量送到电机线圈绕组中，这些相位电流的形状、频率及能量的大小控制着电机的速度和扭矩，而PWM信号就是用来控制功率器件的开启和关断时间的。
在具体应用中，常将两个功率器件（一个正向导通，一个反向导通）串联到一个功率转换器的引脚上，为了避免击穿，要求这两个器件的开启时间不能相同。
死区就是为了使得这两个器件的开启存在一定的实间间隔。
随着科学技术的不断发展，电力电子技术和计算机的不断进步，以前老的电机调速技术再也不能满足人们的需求，进步已变得不可阻挡。
在电力系统中，直流电动机作为重要的动力设备而广泛的应用于社会生活的各个方面。
实际应用中要求电机具有较高的机电能量转换效率和灵活的可调节性。
电动机的调速性能对节省能量，提高产品质量，提高劳动生产率起着决定性作用，因而调速技术成为关注和研究的热点。
直流电动机调速性能较好而被广泛的应用于工程控制中。
其主要特点是：
调速范围宽，静差小，稳定性好，并具有良好的动态性能，因而直流电机得到了相应的发展，然而在没有理想调速的情况下，直流电机长期用于恒速拖动领域。
随着电力电子器件的更新，先进调制技术的出现，调速技术迅速发展起来，如今的电力传动领域，直流调速系统已经逐步向着更加成熟和新颖的方向发展了，本文介绍的直流电机PWM调速的DSP实现只其优越性就说明了这一点。
1.2DSP的概念
信号处理本质上是对自然界中的物理过程或系统进行变换、分析或设计，目的是从中获取感兴趣的信息。
传统的信号处理或系统分析采用模拟技术进行，其处理设备和器件均为模拟器件（电阻、电容和运算放大器等）。
就其概念讲，它是一种独特的微处理器，以数字信号来处理数据，它将接收到的模拟信号转换为数字信号，再进过维修、删除、更改等操作之后得到的数字信号在系统的其它芯片上完成数字信号向模拟信号的转变，然后输出的器件。
1.3脉宽调制（PWM）技术的发展概述
随着全控型功率电子器件的发展，PWM技术与开关功率电路成为主流技术，在在功率应运中基本取代了线性功率放大电路，以减小功率器件导通损耗，提高驱动效率。
在PWM技术中功率器件工作在开关饱和导通状态，通过改变功率器件的驱动脉冲信号的开通和关断时间，来改变负载两端平均电压的大小。
当负载为直流电机时，也就实现了电机的调压调速控制，这也就是PWM控制的基本原理。
1.4DSP在国内的发展
目前我国数字信号处理器的市场是著名半导体跨国公司的天下，即使这样，DSP已经在我国有了一个非常雄厚的基础，也有非常多的公司在搞这些东西。
但这也仅限于一些科研单位，不理想的是我国现在还不能独立造出自己的DSP，就这样，国外的这些搞DSP的商家在我国呼风唤雨。
在这开天辟地的新世纪，我国的一些公司奋发图强，经过自己的不懈努力并且也受到了我国政策的大力扶持发展了关于DSP的开发的准备工作如杭州市兰微电子公司等。
从总的趋势来看我们不应该对DSP的未来去因为揣测而担忧，它已成为我们生活中所用的必需品，是不可缺少的一部分，可能我们还不能直观的看见但事实就是这样，如在手机、数码相机和电动机等方面的控制运用。
在这期间DSP经历了无数次的风云突变，相应也得到了很快的发展并且无数团体的智慧和个人的智慧更是增添了突变的活力，奇迹般的创造出了电子世界的新局面。
这里面便有DSP在生活中的各个方面去一展身手，所以在我国DSP将迎来前所未有的发展。
本文采用的是TMS3320F2812DSP,它是目前C2000应用最广泛、最具代表性的芯片、它不仅具有多数DSP芯片广泛使用的32位内核结构、片内/片外存储器映射、时钟和中断管理机制，片外存储器映射、时钟和中断管理机制，而且还具有事件管理器、船型通用接口、多通道缓冲串行口、eCAN总线模块和模数转换模块等多种片内外设。
它为实现高性能、高精度的数字控制提供了很好地解决方案，同时也是学习和熟悉DSP芯片原理和开发应用的理想入门芯片。
1.5论文的主要内容
第一章概述，简单介绍了直流电机调速系统概况，DSP控制PWM调速系统的发展.
第二章直流PWM调速原理。
第三章系统硬件设计。
第四章软件设计，通过系统控制流程图来设计软件。
第五章展望与总结。
第二章直流PWM调速原理
由于PFM控制是通过改变脉冲频率来实现平均电压的调节的，频率的变化范围较大。
在低频时，人耳朵所感觉的电磁噪音较大；
而在频率较高时，功率器件的开关损耗增加，而且还存在功率器件关断速度的限制。
最严重的情况下是，在一些特殊频率下系统有可能产生机械谐振，就会导致系统产生振荡和出现音频噪音。
而在PWM控制下，由于频率是固定的，通过频率选择不但可以克服上述问题，而且有利于系统中由于功率器件开所导致的固定频率的电磁干扰。
因此在电气传动领域中PWM控制技术是主流应用。
2.1调速原理
众所周知，直流电机PWM调速的总依据是直流电机的调速原理，但是要使其达到预期的效果，使其控制智能而方便，任然少不了诸如计算机、数字信号处理器等设备。
下面便是通过计算机和数字信号处理器进行数据传输而达到直流电动机PWM调速系统的DSP实现，如图2-1所示。
图2-1直流电机PWM调速系统的DSP实现的原理结构图
对于上面控制系统的最重要的部分，这个问题我们只有了解直流电机PWM调速系统的DSP实现原理，就很清楚的知道它就是DSP，而此处我们使用的DSP芯片是TMS320F2812。
直流电机的PWM调压调速的原理[1][2]。
（2-1）
图2-2PWM调速系统原理图
上图为其原理图2-2所示。
PWM就是一种脉宽可控制波，通过调整脉宽的大小来控制电机电枢电压，实现电机调速[4]。
定频调宽是一种最常见的脉宽调制方式，它使脉冲波的频率（或周期）保持不变，只调整脉冲宽度[5]。
（2-2）
式（2-2）中
为占空比，
，占空比
表示了一个周期T里，开关导通的时间与周期的比值。
A的变化范围为
。
由此式可知，当电源电压
不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比
的大小，改变
值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速目的[8]。
2.1.1双极性可逆PWM变换器
双极式工作制的特点是，四个绝缘门极晶闸管IGBT的栅极驱动电压分为两组[1]。
VT1和VT3同时导通和关断，其栅极驱动电压
；
VT2和VT3同时导通和关断，其栅极驱动电压
图2-3H桥变换器电路
在一个开关周期内，当
时，
和
为正，VT1和VT4饱和导通[10]。
而
为负，VT2和VT3截止[1]。
这时
加在电枢A、B两端，
，电枢电流
沿电路1流通[1]。
当
变负，VT1和VT4截止，
变正，但VT2和VT3并不能立即导通[11]。
因为在电枢电感释放储能的作用下，
沿电路二经VD2、VD3续流[12]。
如图2-3所示，在VD2、VD3上的压降使VT2和VT3的C-E极承受着反压，这时，
[1]。
在一个周期内正负相同[1]。
下面我们就列出其电压和电流的波形图。
图2-4双极式电压波形
如上图2-4所示，我们可以很清楚的看到，其在续流的时候对于电流
任为正，工作在出事状况下。
图2-5反向运行时电流电压波形
2.1.2双极性PWM可逆变换的特点
其系统优点是：
（1）电流一定连续；
（2）可使电动机在四个象限运行；
（3）电动机停止时有微振电流，能消除摩擦死区；
（4）低速时每个IGBT管的驱动脉冲任较宽，有利于保证IGBT管可靠导通；
（5）低速平稳性好，调速范围和宽。
其系统缺点是：
在工作过程中，四个IGBT管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通（即同时导通）的事故，降低了装置可靠性。
为了防止上下两管直通，在一管关断和另一管导通的脉冲之间，应设置逻辑延时。
当然这些优点我们在审计中会更加的发扬光大，而缺点应在我们力所能及的范围内，努力使其克服使得控制系统达到精度高、灵敏性高、平稳跟踪等。
第三章系统硬件设计
本文选题是直流电机PWM调速系统的DSP实现，在这一章里将给出调速系统的总方案，也就是连接硬件原理图，让各个电路模块协作发展，以及软件设计部分的配合来使直流电机PWM调速系统的DSP实现。
下图3-1为直流电机控制系统的框图。
图3-1直流电机控制系统的框图
上图很形象且直观明了的给出了控制系统的几大模块，需要了解知道的就是它们的电路和详细功能了。
图3-2为系统控制电机转速的原理图，通过电脑输入输出和调速系统达到如下图的默契，而达到电机调速的目标。
图3-2为直流电机PWM调速系统的
DSP实现的原理结构图
3.1DSP芯片选型
随着能源日趋紧张，对电能进行有效地控制从而节约能源越发显得重要。
TI公司推出的TMS320F28x系统芯片是一款在电动机及电力控制工业中被业界广泛应用的控制类芯片，但目前该系列芯片在国内的应用远远没有达到51系列单片机那样的程度。
3.1.1CCS开发平台的特点
用户可以容易将外设头文件合并到一个新的或者已经存在的项目中，以便提供一个采用C语言代码访问片上外设的平台。
另外，需要的话，用户可以从示范代码中选取一些函数，而将其余的舍去。
3.1.2TMS320F2812芯片的性能
（1）高性能静态CMOS技术。
（2）JTAG边界扫描支持。
（3）高性能的32位中央处理器。
（4）片内存储器。
（5）引导ROM4K*16位。
（6）外部存储器接口。
（7）始终与系统控制。
（8）3个外部中断。
（9）外部中断扩展。
（10）外围设备。
（11）3个32位的CPU定时器。
（12）12位的ADC16通道。
3.2直流电机的调速双闭环控制
图3-2为直流电机的调速双闭环的控制框图。
全部控制模块，如速度PI调节、电流PI调节、PWM控制器是通过软件来实现的。
图3-3直流电机的调速双闭环的控制框图
该调速系统是通过采集电流来比较达到调节来控制电机转速的。
通过比例调节来对瞬间的偏差作出快速反应。
对于双闭环系统，设置了两个调节器，分别控制转速和电流，并且将两个调节器进行串行连接。
转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出则去控制晶闸管整流器的触发装置，从系统结构看电流环在里边称内环，转速调节环在外面，称外环[14]。
扰动对系统的影响与扰动的作用点有关，扰动作用于内环的主通道中，将不会明显的影响转速[15]。
3.3接口设计
通过一定的指令，再加上控制器的软硬件的配合就可以对电机的转速达到一个调整变换，在这当中是通过控制增益来达到目的的。
下面的图3-3和3-4即是电脑输入和控制系统的配合来改变增益的。
3-4为人机接口3-5是PWM信号图。
图3-4人机接口的框图
图3-5PWM信号的框图
第4章软件设计
软件设计对于系统控制来说是一个非常重要的部分，可以说软件设计的好坏直接关乎整个系统控制功能实现的成败。
所以这一方面应该花大气力编写，反复地进行试验。
当然在这之前我们要花很多时间和精力去学习所用芯片的特点，它在每个方面能实现的功能及其功能的特点，以及在编写上它所独有的格式更需要详细的了解和练习。
只有了解了这些方面我们编写程序才能得心应手，在一些简单问题上才不容易出错。
本文所用的DSP芯片是TMS320F2812，它在应用上灵活多变得到了使用者的广泛好评。
TMS3320F2812DSP,它是目前C2000应用最广泛、最具代表性的芯片、它不仅具有多数DSP芯片广泛使用的32位内核结构、片内/片外存储器映射、时钟和中断管理机制，片外存储器映射、时钟和中断管理机制，而且还具有事件管理器、船型通用接口、多通道缓冲串行口、eCAN总线模块和模数转换模块等多种片内外设。
它为实现高性能、高精度的数字控制提供了很好地解决方案，同时也为学习和熟悉DSP芯片原理和开发应用的理想入门芯片。
4.1DSP芯片TMS320F2812的特点
4.1.1DSP的特点
我们应首先对DSP有一个总体的了解，对于DSP系统构成的部件大体上有这么几个控制处理器、DSP、转换器和数据传输的几个部件。
当然在这中间DSP是其核心，其他部件充当数模和模数的转换，然后再经过数据传输网络器件进行数据的传输工作。
从某种程度讲它比起其他有此功能的原件的优点不难被我们发现，例如它的接口十分的方便，一般说来对于编程比较方便的我们优先采用，然而DSP就有这方面的优点；
上面我们提到对系统的控制要稳定性好、精度高DSP都符合，可重复性也比较高，有目共睹的是它的集成度是非常高的。
图3-1为DSP的系统结构框图。
图4-1DSP系统结构图
4.1.2CCS软件的了解
众所周知CCS是美国TI公司为了使它的DSP芯片更加的实用和方便大众的使用而开发的。
而对CCS拥有的诸如像编辑、调试、分析和执行等功能都要从它的开发流程开始。
图3-2所示的就是CCS的开发流程图。
图4-2CCS开发流程
4.1.2软件的功能
CCS的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、连接和调试等诸多功能，而且支持C/C++和会变的混合编程。
4.2系统软件设计
我们在上一章已经向大家介绍了整个DSP的控制系统它的硬件部分以及系统的工作原理，除此之外，我们说软件的设计将是我们的重中之重，前面已经提到它的成功与否直接影响着系统功能的实现，由此就可以看到它的重要性。
所以系统要实现的功能势必要得到满足，这就要求系统软件通过一定的算法，并使其达到完美的状态。
本文所说的系统其主要核心内容是TMS320F2812DSP芯片，系统完全运用了模块化设计思路，且每个模块之间的功能不受彼此的影响，也就是独立的应用起来也非常方便主要表现在调用、调节和扩展。
软件可以分为这么几个部分：
主程序、中断服务程序、接口程序。
下面我们逐个对这几个程序进行说明。
4.2.1主程序设计
相比其他模块的程序设计来说，对于主程序的设计还是比较简单的，它主要完成的是初始化的工作，当然在这中间包括软件方面和硬件方面的初始化工作。
在上述内容做完之前我们要关闭中断，这是为什么呢？
是因为控制器的工作是以中断服务程序作为环境的，所以在这之前要关闭。
下续的工作是加载中断向量表、为了使系统软件的正常运行和整个系统控制达到最终目标还需设置定时器、计数器和打开中断。
下面图3-3为其原理图。
图4-3主程序流程图
图4-4主程序的框图
4.2.2PWM波形子程序
在设计之前我们对PWM控制器进行了详细的考察，经过再三考证最后还是选择了PI型控制器，当然它在工业生产中的到了广泛的使用，其控制原理
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