数字调速系统设计与制作.docx
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数字调速系统设计与制作
毕业设计（论文）
题目：
数字调速系统设计与制作（软件部分）
学生姓名
孔建新
学号
200420120106
分院
信息工程分院
专业班级
自动化401
指导教师
刘勤贤
2008年6月杭州
摘要
采用DSP处理器实现直流无刷电机调速系统。
该系统由主电路、控制和辅助电路构成。
主电路中IPM功率模块，控制电路以TMS320F2812芯片为核心，完成采样、系统控制、PWM产生、显示、检测。
辅助电路由辅助开关电源、驱动及电流电压检测电路组成。
系统初始化后，主程序进行速度计算、相位检测、电机控制；辅助程序完成AD采样、显示等。
关键词：
DSP处理器；直流无刷电机；PWM；闭环控制
ABSTRACT
TheDSPprocessorwasusedtothebrushlessDC（BLDC）motorcontrolsystem.Thesystemconsistsofmaincircuit,controlandassistancecircuit.TheinverterofmaincircuitadoptedIPMpowermodule.ThecontrolcircuittookTMS320F2812chipasthecore;then,theinformationsuchasADsampling,systemcontrol,producePWM,display,systemparameter,detectioninchipstack.Theassistancecircuitconsistsofassistanceswitchpowersource,driveandcurrentvoltagedetectioncircuit.Afterinitialization,themainprogrammainlycarriedoutthedigitalcontrolbrushlessDCmotor,calculatespeed.AndtheassistanceprogramwhichincludesADsamplingmodule,displaymodule.
Keywords：
DSPprocessor；brushlessDC（BLDC）motor；PWM；ClosedLoopControl
1引言1
2概述3
2.1DSP2812介绍3
2.2为什么要使用DSP控制4
2.3系统设计的方向和技术关键6
3总体设计7
3.1直流无刷电机的基本组成和工作原理7
3.2直流无刷电机的控制策略8
3.3直流无刷电机的总体控制方案9
4硬件结构部分10
4.1系统实物图10
4.2直流无刷电机10
4.3控制平台10
4.4功率变换电路11
5软件设计部分12
5.1DSP软件开发平台介绍12
5.2程序总体说明16
5.3TMS320F2812事件管理器（EV）介绍16
5.3.1事件管理器模块的引脚17
5.3.2事件管理器中断18
5.4程序介绍19
5.4.1主程序流程图19
5.4.2AD采集子程序流程图19
5.4.3电机控制程序介绍20
6制作与调试21
6.1开发平台调试21
6.2调试21
结论24
致谢25
参考文献26
附录27
1引言
19世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。
其主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。
众所周知，由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修等缺点，从而大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。
直流电动机具有非常优秀的线性机械特性，宽的调速范围，大的启动转矩，简单的控制电路等优点，长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中。
但是直流电动机的电刷和换向器却成为它发展的障碍。
机械电刷和换向器因强迫性接触，造成它结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调整精度和性能。
无刷直流电动机彻底取消了机械换向器和电刷，而又具备传统直流电动机相同的线性机械特性，调速范围宽，起动力矩大，效率高等优点。
在上世纪30年代，就有人开始研制以电子管换相来代替电刷机械换相的无刷直流电机。
至1955年，美国人哈利森等人首次申请用晶闸管换向线路代替机械换相器的专利，标志着现在无刷直流电机的诞生。
1978年原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入了实用阶段。
随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展[1]。
二十世纪80年代国际上对无刷电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机，在10多年的时间里，无刷直流电机在国际上已得到较为充分的发展。
近年来，稀土永磁材料迅速发展，其矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁曲线在大范围线性可逆等特点为永磁无刷直流电动机的设计开辟了广阔的前景。
同时现代电力电子器件工艺日臻成熟，出现了功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（MOSFET），特别是绝缘栅双极晶体管（MOSFET），MOS可控晶闸管（IGCT）的开发成功，使无刷直流电机功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障。
现在，永磁无刷直流电动机的概念己经由最初特指的具有电子换向的永磁直流电动机延拓至所有具备有刷直流电动机外部特性的电子换向式永磁电动机。
永磁无刷直流电动机的发展也使得传统的电机学科同当代许多新技术的发展密切相关。
随着大功率半导体器件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，如今的永磁无刷直流电机系统己经成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。
我国无刷直流电机的研制工作始于二十世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。
限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开发[3]。
无刷直流电机己经广泛应用于工厂自动化、办公自动化、机器人、电动汽车、航空航天、家用电器、军工等领域。
因此对无刷直流电动机系统的深入研究是极其必要的，具有重大的应用价值。
2概述
2.1DSP2812介绍
世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。
这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。
1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。
在这之后，最成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司（TexasInstruments，简称TI）的一系列产品。
TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。
TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即：
TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。
如今，TI公司的一系列DSP产品已经成为当今世界上最有影响的DSP芯片。
TI公司也成为世界上最大的DSP芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近50％。
第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。
1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。
而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。
与其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相对较晚。
1986年，该公司推出了定点处理器MC56001。
1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。
美国模拟器件公司（AnalogDevices，简称AD）在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ASDP2111/2115、ADSP2161/2162/2164及ADSP2171/2181，浮点DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062等。
自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。
从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从20世纪80年代初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下（如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等），处理能力提高了几十倍。
DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模片区（diearea）的40%左右下降到5%以下，片内RAM数量增加一个数量级以上。
从制造工艺来看，1980年采用4μm的N沟道MOS（NMOS）工艺，而现在则普遍采用亚微米（Micron）CMOS工艺。
DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。
此外，DSP芯片的发展使DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。
TMS320F2812是当今世界上在数字控制领域性能最高的数字信号处理芯片，它是工业界首批32位的控制专用、内含内存以及高达150MIPS的数字信号处理器。
其性能如下：
采用静态CMOS技术：
工作主频达150MHz,指令周期可以达到6.67ns以内，且功耗低（核心电压1.8V，I/O口电压3.3v）。
高性能32位中央处理器：
采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力、迅速的中断响应和处理以及统一的寄存器编程模式。
可以实现16×16位和32×32位乘累加操作和16×16位的两个乘累加操作。
强大的存储器功能：
片内包括8K×16位的Flash存储器、1K×16位的OTP型只读存储器、两块4K×16位的单口随机存储器、一块8K×16位的单口随机存储器、两块1K×16位的单口随机存储器。
外部存储器接口可实现多达1M存储器的扩展。
完善的时钟与控制系统：
支持动态改变锁相环的频率。
拥有片内看门狗定时器。
丰富的外部中断扩展：
可支持96个外部中断。
双重的增强型事件管理器模块（EVA、EVB）：
其提供了一整套用于运动控制和电机控制应用的功能和特性。
每个事件管理模块包括通用定时器（GP）、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。
强大的外围设备包括3个32位的CPU定时器，16通道12位ADC（单个转换时间为200ns，单路转换时间为60ns），它不仅具有串行外围接口（SPI）和两个串行通信接口（SCI），还有改进的局域网络（eCAN）、多通道缓冲串行接口（McBSP）和串行外围接口模式。
2.2为什么要使用DSP控制
传统的直流无刷电动机系统一般由模拟器件以硬接线方式构成。
模拟控制系统价格便宜，使用方便，在很长一段时间里，它们是构成各类电动机控制系统的主要手段，甚至到目前为止，许多实际使用中的电动机控制系统仍采用模拟器件设计。
然而，模拟元器件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元器件会随着使用时间的推移而老化，元器件的特征参数受温度变化影响；另外，现代电子系统的一个设计原则就是要便于维护、为将来的产品升级留有余地，而模拟控制系统由于采用硬接线方式构成，一经投用，基本上没有升级的可能性。
由于模拟控制系统的本质缺陷，使它很难满足现代电子系统的设计要求。
因此，数字控制系统应运而生。
数字控制系统一般以可编程的微处理器为核心，设计工程师将预先编好的控制软件放在系统存储器中。
在硬件的辅助下，通过软件的执行来完成预期的功能。
由于控制系统的主要功能由软件来实现，从而使得这些电子产品很容易通过修改软件来实现升级。
另外，随着微处理器处理能力的不断提高，在一个系统中实现多种功能变得更容易、更方便。
从20世纪70年代以来，通用单片机开始在电动机控制系统中广泛使用，如Intel8031/8051、AT89C52等。
在单片机控制系统中，单片机作为系统的硬件核心，主要用来完成一些控制算法，同时还要处理一些输入/输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很多提高。
然而，受单片机本身结构的限制，以之为核心所组成的单片机控制系统仍然需要较多的元器件，例如：
需要外部扩展存储器以保存用户程序、需要外接模拟/数字（A/D）转换器来实现模拟信号输入等。
系统中元器件的增加使得系统的可靠性、可维护性降低，增加了印制电路板的尺寸，同时也增加了系统的成本；单片机的处理速度都比较慢（指令周期为毫秒或微秒级），因此，对于一些可以提高系统性能的复杂控制算法，如Kalman滤波、模糊控制、鲁棒控制等，很难做到实时执行。
此外，现代电动机广泛采用PWM控制方法，而在一般的单片机中都没有可产生PWM脉冲的硬件设备，为了产生PWM波，在单片机中都是通过软件编程来实现，这从另一个侧面限制了该类系统性能的提高。
因此，基于单片机的电动机控制系统主要适用于那些控制精度、性能要求不高的场合。
在单片机控制系统发展的同时，一些厂家开发了电动机的专用芯片，如用于直流无刷电动机控制的UCC3626等，电动机专用芯片不具有用户可编程的特点，它以硬件方式对电动机的各类传感器信号（如转子位置信号、光电编码器的输出信号等）进行检测，根据外部的输入命令，输出相应的控制信号（如PWM波等）给电动机的功率电子电路。
该类芯片价格便宜，执行速度快。
然而，这些芯片所实现的控制作用非常简单（受芯片内部硬件电路决定），且难以做到将来的升级。
因此，基于专用电动机芯片构成的电动机控制系统可以很好地满足一些要求简单、性能不高、实时性要求高的场合。
许多工程师认识到了单片机和电动机专用控制芯片各自具有的优势和缺点，设计了以单片机和专用芯片为核心的电动机控制系统。
在这些系统中，利用单片机的可编程特点，主要用来执行一些检测、控制算法，并输出相应的控制信号给专用芯片；利用专用芯片内部具有的电动机控制专用硬件机制（如产生PWM波、检测位置传感器信号并输出等），主要用来快速产生用于电动机功率电子电路的控制信号。
这些系统将单片机和专用芯片优势互补，使得系统即可以满足实时性要求，又具有用户可编程的灵活性，从而迅速成为主流的电动机控制系统设计方法。
但是，这些系统仍然具有单片机系统固有的缺点，即系统组成元器件比较多、处理能力有限等，从而使得最终系统的可靠性降低、成本提高，对于一些要求较高的场合也那以适应。
为了使电动机控制系统既可以适用于一般的应用场合，又可以满足一些高精度、高性能的控制要求。
TI公司推出了面向运动控制、电动机控制的TMS320x28xx系列DSP控制器，它把一个16位的定点DSP核和用于控制的外设、大容量的片上存储器集成在单一芯片上，为电动机控制系统的设计注入了新的活力。
X28x系列DSP控制器的内部DSP核具有150MIPS的执行速度，16位字长；同时，配合专用的PWM脉冲发生器、模拟/数字（AD）转换器、数字I/O接口等用于控制的片上外设，使得它们从硬件机制上可以较好地满足任意电动机控制系统的要求。
它们可以实时地执行一些高精度的复杂控制算法，减少传感器信号采样到控制命令输出之间的延迟，高效的处理能力使它们可以减少转矩波动和谐波误差，改善速度控制中的动态行为；该类芯片采用深亚微米CMOS工艺制造，功耗极低；片上的大容量存储器一般可满足用户程序和数据存储的需要；使用芯片上具有的通信机制，如串行外设接口、CAN接口等，可以更容易地实现该系统与其他系统之间信息的交互[5]。
可以看到，基于DSP控制器构成的电动机控制系统具有传统的单片机电动机控制系统和专用芯片电动机控制系统的优势，即专用的电动机控制机制、用户可编程、扩展能力强、功能强大等；同时又克服了它们各自的缺点，如外设和存储器集成在芯片内，可节省印制电路板面积、减少系统中元器件的个数、提高了CPU的处理能力、提高了系统的可靠性等。
另外，随着电子技术的不断发展，DSP控制器芯片的成本不断下跌，到目前为止，单片X28X系列DSP控制器的价格与普通单片机的价格已不相上下。
这些都使得最终电子系统的成本得到了极大降低。
2.3系统设计的方向和技术关键
深入研究了TMS320F2812电机控制专用DSP芯片的结构、工作原理以及以其为核心的最小系统的。
同时可作为直流无刷电机闭环控制，从而为实现多种控制策提供了有力的开发试验平台。
该系统主要由主电路、系统保护电路、控制回路和采样回路组成。
主电路部分包括整流、滤波、逆变器（IPM）、IPM驱动电路等;系统保护电路包括过压欠压保护、限流启动、IPM故障保护、过流保护等;控制回路包括DSP最小系统电路、仿真接口电路、PWM信号发生电路、A/D、D/A转换电路等;采样电路包括电流采样、电压采样、转速采样。
具体的内容有：
1．了解数字调速系统的组成和工作原理2.完成用DSP控制无刷直流电机运转3.制作数字调速系统4.通过HALL实现闭环控制5.实现系统的数字调速功能。
3总体设计
3.1直流无刷电机的基本组成和工作原理
无刷直流电动机的结构原理图如图3-1所示：
图3-1直流无刷电动机的结构原理图
无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成。
电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。
其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p＝2，4，…）组成。
图1中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，在图1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。
位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。
定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。
由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。
所以，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位量传感器三者组成的“电动机系统”。
其原理框图如图3-2所示。
图3-2直流无刷电动机的原理框图
3.2直流无刷电机的控制策略
直流无刷电机的控制基本上类似于直流有刷电机的控制（PWM调制），但由于无刷直流电机用电子换向器取代了机械电刷，所以无刷直流电机除了在控制各相电枢电流的同时还用对电子换向器进行控制。
在无刷直流电机的运行过程中，霍尔位置传感器不断检测电机当前位置，控制器根据当前位置信息来判断下一个电子换向器的导通时序。
如图3-3所示
图3-3电子换向器的工作原理
图中H1、H2和H3分别表示霍尔位置传感器的信号，H1的有效期为X轴到u轴的正半周，H2的有效器为V轴到y轴的正半周，H3的有效期为W轴到z轴的正半周，有效是霍尔对应的信号为1。
电机在各个位置的电子换向器的导通状态供6中，分别为ANC、BNC、BNA、CAN、CNB和ANB，其中以ANC为例表示电机A相到C相的正导通，其他以此类推。
电子换向器的控制关键在于在检测到当前位置的同时开通下一个位置导通状态的电子开关，各当前位置与下一位置电子开关的导通相如表所示。
正向：
当前位置（H3，H2，H1）
下一位置导通相
001
ANC
011
BNC
010
BNA
110
CNA
100
CNB
101
ANB
反向：
当前位置（H3，H2，H1）
下一位置导通相
001
BNA
011
CNA
010
CNB
110
ANB
100
ANC
101
BNC
表3-1电机导通相表
3.2直流无刷电机的总体控制方案
图3-4直流无刷电机控制系统框图
如图系统中利用DSP实现无刷直流电动机的全数字双闭环控制。
给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度调节后产生电流参考量，它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度控制。
速度反馈是通过霍尔位置传感器输出的位置量，经过计算得到的，同时位置传感器输出的位置量还用于换相控制。
4硬件结构部分
4.1系统实物图
图4-1实物图
4.2直流无刷电机
我们使用的直流无刷电机，该电机转子为2对极形式，定子为3极Y形联接。
霍尔为一个电角度360范围内出现120度。
HA对应电机A轴线安装。
HB对应电机B轴线安装。
HC对应电机C轴线安装。
每个霍尔元件相差120角度。
每转过一圈机械角度，则电角度为720度。
HA/HB/HC均出现两次120度电角度。
由于霍尔为120度接线。
则只能实现120度电角度控制。
即60度机械角度。
它的参数为直流额定电源220V，空载转速5300RPM，空载电流0.5A，额定扭矩1.0N.M，额定转速4300RPM，额定功率450W，额定电流2.5A，最大电流5A，电势常数49.53V/KRPM。
4.3控制平台
根据所使用的DSP控制器的型号不同，所使用的控制平台也有很多种，如德州仪器公司的TMS320F240EVW板,TMS320F2812EVW板。
当然你也可以自己设计硬件平台。
我们在这里使用的是SY-DSP2812EVW板作为直流无刷电机速度控制系统的硬件实验平台。
在这个实验平台中，主要包括一块SY-DSP2812EVW板，它有以下的特点：
板载DSP处理器TMS320F2812，32位定点高速数字处理器，最高工作频150M。
DSP片内置128K*16位FLASH，可存放用户程序，FLASH可加密。
DSP片内内置18K*16位SRAM。
外扩256K*16位SRAM（基本配置，可以扩大到512K*16位），作程序或数据储器。
外扩8-kword（16-kbytes）SPI接口EEROM供存储参数使用。
外扩4路12位SPI接口的DA转换器同步输出。
标准RS232、CAN通讯接口。
板上提供总线开放，数据线，地址线，控制线、特殊功能引脚全部引出。
板载IEEE1149
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