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毕业设计

毕业设计（论文）

题目：

电机驱动控制器的设计

系别：

电气工程与信息学院

专业：

汽车电子

班级：

T783-5

学生姓名：

胡晶

学号：

20070830519

指导教师：

黄海波

摘要

本课题主要提出了电机驱动控制器的设计方案，对直流电机的工作方式和原理做了详细的介绍。

这次电机驱动控制器选用的是DSPTMSLF2407，文中对TMSLF2407控制器的特点及控制过程做了比较详细的分析，以及在直流电机驱动控制系统中的作用也做了阐述。

该设计方案主要是从硬件和软件方面运用PWM对直流电机进行控制，实现直流电机PWM变频调速和反馈PID控制。

硬件部分论述了整体方案，然后对系统的位置检测、速度检测、电流检测、PWM信号产生等方面做了阐述。

在此基础上提出了基于DSPTMSLF2407直流电机驱动设计方案，并进行系统的软件设计，使软件能够和硬件匹配来达到设计任务要求。

关键词：

直流电机；TMSLF2407；PWM；PID

Abstract

Themainsubjectoftheproposeddesignofthemotordrivecontroller,DCmotorworksontheprincipleandgivesadetaileddescription.ThemotordrivecontrollerisDSPTMSLF2407,thetextfeaturesofTMSLF2407controllerandcontrolprocesstodoamoredetailedanalysis,andtheDCmotorcontrolsystemaredescribedindetailoftherole.ThedesignmainlyfromtheuseofhardwareandsoftwarePWMDCmotorcontrol,DCmotorPWMfrequencycontroltoachieveandfeedbackPIDcontrol.

Discussesthehardwarepartoftheoverallprogram,andthenthepositiondetectionsystem,speeddetection,currentsensing,andPWMsignalgenerationaredescribedindetail.Onthisbasis,itisproposedbasedonDSPTMSLF2407DCmotordrivedesign,andthesystemsoftwaredesign,softwareandhardwaretomeetthedesignandmatchthemissionrequirements.

Keywords:

DCmotor;TMSLF2407;PWM;PID

第一章概述

1.1课题背景

电机作为电能转化为机械能的装置，从开始发明出来到现在已经广泛的应用到国民经济和我们生活的各个方面，在其中扮演了越来越重要的角色。

直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。

长期以来，由于直流电动机具有良好的调速特性，简单的控制性能，高效平滑运转的特性，直流电动机在速度控制和位置控制方面占据统治地位。

尽管近年来不断有其它电动机的出现，不过这并没有影响直流电动机的地位，就其性能来说任然没有其它的电动机能够超过直流电动机。

近年来，直流电动机的结构和控制方式发生了很大的变化，因此，不管是从它的结构还是功能方面都和传统的直流电动机有一些不一样，越来越先进，控制也越来越方便。

随着计算机等控制器进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使直流电动机的应用领域更加的广泛，以前不能应用区域现在采用新的元器件后就可以应用了。

近年使用全控型的开关功率元器件对直流电动机进行脉宽调制PWM控制方式，这种控制方式成为主流，它已经作为直流电动机数字化控制的基础。

随着永磁材料和工艺的发展，已将直流电动机的励磁部分用永磁材料代替，产生了新的直流电动机-永磁直流电动机。

由于这种直流电动机体积小、结构简单、省电，所以目前在中、小功率范围内得到广泛的应用。

正因为永磁直流电动机有这些优点，在70年代末80年代初引起了研究电机和驱动控制系统的研究人员的关注。

在各种传动系统和伺服控制系统中，我们常会使用到各种各样的驱动电机，由此也产生了各种电机控制系统。

不难发现，一部分电机的控制系统在硬件结构上有很多相似之处，只是在具体控制方法和策略的软件实现上有所不同。

如在三相无刷直流电机、永磁同步电机及三相感应电机甚至是直流电机的控制系统中，它们的基本功率逆变电路、母线电压及电流的检测、模/数转换等都可以利用相同的硬件电路，而在针对不同的电机进行控制时，则可以在软件中通过调用不同的模块程序来实现；即使在同一个工程项目中使用的电机可能有几个或几种，如果单独来设计控制器，则不仅会使工作量加大，控制系统也变的更复杂，可靠性也会降低。

基于此，我们有必要构建一个电机控制级平台，使其可以同时实现对几个或几种电机的控制，也可以以此平台为基础，为电机的控制系统及其控制策略的深入研究奠定基础。

1.2国内外现状

20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产办公自动化的发展，家用电器，数控机场，工业机器，精密机械，办公自动化设备越来越趋于高效、小型及智能化，作为核心执行元件的直流电动机，必须具有精度高、速度快、效率高等特点才能满足现代化机械的工作要求。

20世纪初，直流电动机技术已趋于成熟，传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动系统中有着广泛的应用。

随着电子技术的发展，微机和数字控制处理芯片的运算能力和可靠性大为提高，对于直流电机等较为复杂的系统就需要储存多种数据，实时处理能力，此时用DSP处理芯片[1]比单片机更加有优势。

在直流电动机调速控制中，当然可以采用各种控制器，上面讲到DSP是一种不错的选择，由于DSP具有高速运算性能，因此可以实现诸如模糊控制等复杂的控制算法，另外它可以自己产生有死区的PWM输出[2]，所以可以使外围硬件最少。

自上世纪70年代以来，世界各国加大了对提高电机效率的研究，其中运用新型的处理器和新的电机控制算法是各国研究的重点，DSP控制器以其结构紧凑，使用便捷，可靠性高，功能强等优点被用于电机控制系统中，在控制策略使用先进的控制方法，进一步提高了电机控制的精确度和实时性。

而我国在这些方面的研究还比较的落后，因此各个高校对基于DSP电机控制的研究项目比较的多，尽量来缩小与世界先进技术的差距。

目前，在英美日德等几个主要的微电机生产国，控制着大部分先进电机的生产技术和产量，它们把直流电动机和电力电子工业结合起来，发展的更加快速。

随着电力电子工业的发展，促使半导体大功率管的价格不断下降，而其性能大幅度的提高，直流电动机也越来越深入我们社会的方方面面。

1.3电机DSP控制器系统的必要性和可行性

电机控制系统中，通常存在模拟信号和数字信号，既有连续信号，也有离散信号，多种信号的处理比较复杂。

同时在一些控制系统中，执行机构或是驱动电机并不是只有一种电机，如果单独设计控制器，就需要更多的元器件，从而整个系统变的复杂，可靠性降低。

比如在以前的许多工程项目中，我们需要控制的电机就不是一种，有直流无刷电机、直流力矩电机等。

单独设计的控制器也可以满足系统的要求，但是这样会使影响系统性能的来源增加，对系统的安装、测试等就造成了诸多不便。

同样在一些更加复杂的系统中，如果使用的电机种类更多，则对电机控制的要求也越高。

为此，有必要设计电机控制系统平台，可以同时实现对多个或多种电机进行控制，从而使控制系统更简单、可靠。

传统的数字控制系统通常以单片机或微机为核心，而以DSP为核心的电机控制系统则具有更高的精度和速度、具有逻辑控制功能和各种中断处理等更强大的处理及计算能力。

随着大规模和超大规模集成电路技术的发展，DSP芯片的功能将会越来越强。

在DSP应用到电机控制中后，全数字控制系统成了当前电机控制的发展方向。

同时以DSP为核心的控制系统的以下特点也使设计电机的DSP控制系统更加可行了。

·DSP采用哈佛结构或改进的哈佛结构，使数据和程序相互独立的总线结构提高了计算能力。

因此可以实现比较复杂的控制规律，如优化控制、智能控制等现代控制理论和算法的应用。

·可简化电机控制器的硬件设计，重量低，体积小，能耗低。

·DSP芯片内部设计保证元器件的稳定性和可靠性，从而会使整个系统的可靠性提高。

硬件的统一性和软件的灵活性可以有机结合，DSP电机控制电路可以统一，如DSP控制三相逆变器驱动相应的感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机或用改进后的逆变器驱动直流电机等，其硬件电路的结构基本相同，针对不同的电机只需设计和编写不同的控制规律即可，从而使系统具有很强的灵活性[3]。

1.4内容提要

本文分析了直流电动机的工作原理和直流电动机的结构，以及数学模型。

使用控制芯片TMSLF2407作为控制器，以及对TMSLF2407的介绍[1,4,6]。

基于DSP直流电动机控制系统的的研究主要包括：

（1）根据电机特性和功率要求等选择驱动控制系统的电路结构，以及元器件。

（2）使用DXP设计控制板，包括控制电路、驱动电路、反馈电路等。

（3）针对电机的调速原理，用脉宽调制ＰＷＭ变频调速来控制直流电动机的转动速度。

（4）研究了PID控制，设计了PID调节结构，有速度调节和电流调节结构。

针对本系统设计了电流速度双闭环PID调节系统。

（5）根据本控制方案绘制软件流程图，根据软件流程图来编写ＤＳＰ程序，并进行程序调试。

（6）对直流电动机进行进行试验，从而完成DSP电机控制系统。

第二章DSP与直流电动机介绍

2.1直流电动机的机构

直流电动机的结构主要有定子和转子两大部分组成，直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子主要由主磁极、机座、换向极、轴承、端盖和电刷装置等组成，定子的主要作用是产生磁场。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成，通常又称为电枢[6]。

定子

（1）换向极。

换向极由换向极铁心和换向极绕组组成，换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间。

（2）主磁极。

主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。

主磁极的作用是产生气隙磁场。

（3）电刷装置。

电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成，它是用来引入或引出直流电压和直流电流的。

（4）机座。

电机定子的外壳称为机座。

转子

（1）换向器。

在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变。

（2）电枢铁芯。

枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。

（3）电枢绕组。

电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件。

（4）转轴。

转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度[7]。

2.2直流电动机的工作原理

如图2.1为他励直流电动机的等效电路：

图2.1直流电机等效电路

由上图我们可以得到直流电动机的数学模型。

电压平衡方程如下：

U=E+IR+Ldi/dt（2.1）

其中U为电枢电压，E为感应电动势，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，L为电枢电路总电感（直流电机中电感比较小时可以忽略不计）。

电流通过电枢绕组产生电磁力以及电磁转矩，这是电动机的基本电磁感应。

当电枢在电磁转矩的作用下一旦转动起来，电枢导体切割电力线，从而产生感应电动势，其中感应电动势和电枢电流的方向相反，它有组织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：

Ea=KeΦn（2.2）

其中Ke为感应电动势计算常数，φ为每级磁通，n为电动机转速。

由于电枢和换向器的作用，使得转子绕组中的任何一根导线，只要一转过中线，由定子S极下的范围进入了定子N极下的范围，那么这根导体上的电流一定要反向；反之由定子N极下的范围进入了定子S极下的范围，导体上由的电流也要发生反向。

因此转子的主磁极磁动势与电枢磁动势正交[8]。

转子磁场与定子磁场相互作用产生了电动机的电磁转矩，从而使电动机转动。

电动机的电磁转矩Te为：

Te=KmφI（2.3）

当电动机转子旋转时，转子本身由于风阻、轴承摩擦等原因有一些损耗，称之为空载损耗用空载转矩To表示。

因此电动机的输出转矩Tr，比电磁转矩Te小，相差一个空载转矩To。

其转矩平衡方程式表示为：

Tr=Te-To=Ta（2.4）

电动机的准周与生产机械的工作机构直接相连，构成了机电伺服系统。

转动方程式为：

Te-Ta=Jdw/dt（2.5）

其中Te为系统中的电磁转矩，Ta为负载转矩。

2.3直流电机的调速控制方法

直流电动机的转速控制方法有三种：

对励磁磁通φ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[9]。

PWM为脉宽调制。

PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。

按一定的规则对这些脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路的输出电压大小，也可改变频率，这就是PWM的基本原理。

在本系统中，只涉及到改变脉冲的宽度来改变逆变电路的输出电压大小，而不涉及改变频率。

直流电机的调速，就是调节输出脉冲的宽度，得到不同的逆变电路的输出电压，从而使电机可以得到不同的转速。

下面以直流电机为例来说明PWM实现调速的原理。

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。

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Us。

t1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。

t2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。

直流电机电枢绕组两电动机电枢绕组两端的电压平均值为：

Ua=t1Us/（t1+t2）=t1/T=αUs（2.6）

式中α为占空比。

占空比α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。

α的变化范围为0≤α≤1。

由式可知，当电源电压Us不变时，电枢的端电压的平均值Ua取决于占空比α的大小。

改变α的值极可以改变端电Us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，改变占空比口值的方法有以下三种：

（1）定宽调频法：

这种方法是保持t1不变，只改变t2，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t2不变，只改变t1，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t1和t2。

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。

目前在真流电机控制系统中，主要是使用定频调宽[10,11]。

2.4DSP介绍

本文运用的控制器是TMSLF2407，因此介绍的重点是TMSLF2407。

TMSLF2407系列DSP有以下特点：

（1）采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns（30MHz）,从而提高了控制器的实时控制能力。

（2）基于TMS320C2xxDSP的CPU核，保证了F240x系列DSP代码与TMS320系列DSP代码兼容。

（3）片内有高速32KB的FLASH程序存储器、高达1.5KB的数据/程序RAM、544字双口RAM和2KB的单口RAM。

（4）2个时间管理器模块EVA和EVB，每个包括：

2个16位通用定时器；8个16位脉宽调制PWM通道。

他们能够实现：

三相反相器控制，PWM的对称和非对称波形，快速的PWM通道关闭，当外部引脚PDPINTx出现低电平时，可编程的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，16通道AD转换器。

事件管理器模块适用于控制交流感应电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机、步进电动机、多级电动机和逆变器。

（5）可扩展的外部存储器LF2407总共192KB空间：

64KB程序存储器空间、64KB数据存储器空间和64KBI/O寻址空间。

（6）看门狗定时模块WDT。

（7）10位A/D转换器最小转换时间为500ns,可选择由两个事件管理器来触发的两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入A/D转换器。

（8）控制器局域网络CAN2.0B模块。

（9）串行通信接口SCI模块。

（10）16位串行外设SPI接口模块。

（11）基于锁相环的时钟发生器。

（12）高达40个可单独编程或复用的通用I/O引脚GPIO。

（13）5个外部中断2个电机驱动器保护/复位和2个可屏蔽中断。

（14）电源管理包括3种低功耗模式，能独立的将外设器件转入低功耗工作模式。

2.5DSP电机控制产生的问题

在电机控制系统中，根据控制电路的器件构成可分为模拟电路、模拟数字混合电路和全数字电路。

未来电机控制系统的发展将会主要以数字控制为主导。

在电机的DSP控制中主要有以下几个方面的问题：

（1）控制系统结构。

电动机作为主要动力执行元件之一，在实际工作中承担的主要任务是拖动机械负载实现位置伺服、速度调节、转矩或力的控制。

从机械运动的角度来看，电机的转矩或力是最基本的控制量。

对于一般的闭环（速度环和电流环）电机控制系统，可以看成是机械运动正向控制，信号检测、传感，机电耦合关系与电气控制这几个部分。

机械运动控制根据外部给定的位置信号与转子位置传感器检测的位置信号相比较，获得位置误差信号。

信号检测、传感主要指转子位置检测，电流与电压检测等。

例如用霍尔传感器或光电编码器检测转子位置，获取转子实际位置角信号。

电机内部的机电耦合关系是通过磁场作为媒体。

首先要解决的问题是如何利用检测到的电机转子位置、电流和电压信号观测电机内部磁场的变化。

其次是如何反映电机产生的电磁转矩大小，以便有效地控制电机的电磁转矩。

电机控制离不开电源，包括强电部分的供电电源和弱电部分的驱动电源。

驱动电机主要靠供给逆变器的动力电，逆变器由滞环比较器输出的控制信号按一定规律触发导通，将动力电加到电机绕组上控制电机拖动负载运行.

（2）DSP控制的硬件基础。

以DSP为基础构建电机控制系统，其硬件资源包括：

信号检测与转换、系统接口、PWM控制器等。

控制系统中信号检测是必不可少的，尤其是在闭环控制系统中，状态信息的检测更加重要。

检测信号分为电量和非电量两类。

电量信号有电流、电压和电功率等。

非电量信号包括位置、速度、力或转矩、温度等。

它们的检测过程通常根据物理学原理利用传感器将非电量信号转换成电信号再来检测。

系统接口部分配置包括时钟信号、速度给定电路、按键电路、电流检测电路、速度检测电路等。

电机的控制离不开驱动系统,例如直流电机控制系统的可逆PWM系统，无刷直流电机的三相全控桥系统等。

系统桥路中的功率管是采用脉宽控制方式。

由DSP输出脉宽波来决定功率管的导通时间、方式与顺序，从而实现对电机的控制[12]。

第三章电机控制系统的硬件设计

3.1系统整体结构

本章阐述了直流电动机系统控制器的硬件电路的设计。

首先对硬件总体设计做了论述，然后对PID算法做了详细的说明，其中的重点是对驱动电路，控制电路，PWM产生电路等做详细的阐述。

针对直流电机的调速要求，设计了基于DSPTMSLF2407数字信号处理器为控制器的电机调速控制系统，在这个核心的基础上包括DSP外围电路，主要有速度给定电路，电源转换电路，速度反馈电路，电流反馈电路，直流电动机驱动电路，PWM产生电路，按键电路等。

首先由DSP外围电路速度给定电路来给整体提供速度，然后通过DSPTMSLF2407产送给电机，其中DSPTMSLF2407产生两路PWM信号，通过光耦合芯片TLP521-2作用于H型桥式驱动芯片上，对H型桥式电路进行控制，通过改变这两路PWM信号通断，然后由按键电路等来决定电动机的正反转的问题，通过PWM信号的占空比来决定速度的快慢，在调节速度的快慢的过程中，PWM信号由电流反馈电路和速度反馈电路在这个过程中起到调节的作用。

本文采用的是速度调节和电流调节的双闭环PID控制。

当点击处于同步运行状态时，控制器根据测出的电机位置信息计算出当前转速，速度给定信号与当前转速在DSP中进行PID计算（速度环）得到电流的参考值，电机绕组电流反馈信号由电流采样电路从A/D口送入DSP,转换得到当前电流值，将当前电流值与电流参考值进行PI计算（电流环），最终通过电流环的PID调节算法实现对电机驱动波形的脉宽调制，从而控制电机达到预定的转速。

系统的核心是DSP主控电路模块，该模块主要负责产生电机驱动波形、与计算机通信、处理由电流检测电路和转子位置检测电路送来的反馈信号并控制电机的运动状态。

显示控制电路模块主要是通过与DSP通信，起到控制电机正、反转的作用，此外还可以通过控制电路上的键盘设置一些控制参数、电机转向等一些DSP送来的信息；DSP送出的驱动信号则是通过驱动电路输入到逆变电路，以达到驱动电机的目的；速度检测电路模块是将光电编码器产生的信号送入DSP来确定直流电机的转速；电流检测电路是对电流进行采样，为电流环的控制提供当前时刻的电流值，从而实现双闭环控制。

3.2双闭环调速系统的设计

在机电系统的控制中，最简单、最通用的控制器是比例—积分—微分控制器，简称PID控制器。

其中符号P代表比例，I代表积分，D代表微分。

PID控制结构简单，参数易于整定，在长期应用中己积累了丰富的经验，是控制系统中技术成熟，应用最为广泛的一种控制器。

具有转速和电流反馈的双闭环调速系统属于多环控制系统，每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。

设计多环系统的一般方法是，由内环向外环，一环一环地设计。

对双闭环调速系统，先从内环（电流环）开始，根据电流控制要求，确定将电流环校正为哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数