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DSP应用技术论文要点

京江学院

JINGJIANGCOLLEGEOFJIANGSUUNIVERSITY

2016-2017学年第1学期

《DSP应用技术》

论文题目：

基于DSP的电机控制方法研究

专业班级：

J电气1303

学生姓名：

男神

学生学号：

41311270

完成日期：

2016年11月2日

电气信息工程学院

目录

摘要1

概述1

直流电动机的拉制原理2

系统硬件设计4

系统软件设计5

矢量控制的基本原理6

矢量控制在三相永磁同步伺服电机中的应用6

硬件部分7

软件部分7

试验结果9

试验结论9

参考文献9

平时作业10

摘要

介绍DSP的发展和在对电机控制方面的优势和电动机在控制领域的应用。

着重说明了如何利用DSP来实现对直流电机,交流异步电机等的控制。

因DSP具有灵活的指令集;内在的操作灵活性;高速的运算能力;改进的并行结构;有效的成本,使得TMS320系列成为很多处理应用的理想选择"通过简单的介绍其控制电路的功能来详细说明了电动机专用DSP的应用。

通过对电动机专用DSP的应用的分析来引出直流电动机的DSP控制,在此章中详细的描述了直流电动机的控制原理和直流电动机的DSP控制方法,包括硬件和软件上的配置等。

描述了交流异步电动机的DSP控制。

首先介绍了交流异步感应电动机变频调速原理,通过其原理引出SPWM的控制技术，然后用DSP系统来实现SPWM波的生成,从而起到利用DSP来控制交流异步电动机的转速控制。

然后描述了永磁同步伺服电机控制。

通过介绍矢量控制的基本原理来研究基于DSP的永磁同步伺服电机的控制包括硬件和软件部分。

关键词:

电动机；控制原理；DSP控制

概述

电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。

无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。

据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。

同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。

电动机与人的生活息息相关，密不可分。

电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。

简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。

这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。

还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。

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，直流电机一直占据着调速控制和位置控制的统治地位。

由于它具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、高质高效平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其他电动机的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍然无其他电动机能比。

在直流调速控制系统中，可以采用各种控制器，DSP是其中的一种选择。

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。

另外它可以产生有死区的PWM输出，所以可以使外围硬件最少。

基于DSP的电机控制方法研究

直流电动机的拉制原理

根据他励直流电动机的等效电路,可以得出直流电动机的数学模型。

电压平衡方程如下:

（1）,其中感应电动势为:

（2）中

从以上两式可得电动机的转速

的表达式：

（3）

直流电动机的电磁转矩为:

（4）

转矩平衡方程式:

（5）

由上式可得,直流电动机的转速控制方法可分为两类:

对励磁磁通中进行控制的励磁控制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瓷通,从而实现调速的。

这种调速法的调速范围小,在低速时受磁极饱和的限制,在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制,并且励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以这种控制方式用的很少。

电枢电压控制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。

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,可以得到具体的恒转矩特性的大的调速范围,因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。

励磁控制法和对电枢电压Ua进行控制的电枢电压控制法。

励磁控制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瓷通,从而实现调速的。

这种调速法的调速范围小,在低速时受磁极饱和的限制,在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制,并且励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以这种控制方式用的很少。

电枢电压控制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。

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,可以得到具体的恒转矩特性的大的调速范围,因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。

图1他励直流电动机的等效电路

对电动机的驱动离不开半导体功率器件。

在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中,对半导体器件的使用上可分为两种方式:

线性放大驱动方式和开关驱动方式。

线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。

这种方式的优点是:

控制原理简单、输出波动小、线性好、对邻近电路干扰小。

但是功率器件在线性区工作时会将大部分电功率用于产生热量,效率和散热问题严重,因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率直流电动机的驱动。

绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。

开关驱动方式是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。

图中是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。

图2PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形

在PWM调速时,占空比Q是一个重要参数"以下三种方法都可以改变占空比的值:

定宽调频法:

这种方法是保持t1不变,只改变t2,这样使周期T也随之改变。

调宽调频法:

这种方法是保持论不变,只改变tl,这样使周期T也随之改变。

定频调宽法:

这种方法是保持周期T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,当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时,将会引起震荡,因此这两种方法用的很少。

目前在直流电机的控制中主要是使用定频率调宽法。

TMS320LF2407A电动机专用DSP集成了PWM控制信号发生器,它可以通过调整事件管理器的定时器控制寄春存器来设定PWM工作方式和频率,通过调整比较值来调整PWM的占空比,通过调整死区控制寄存器来设定死区时间,通过专用的PWM输出口输出占空比可调的带有死区PWM控制信号,从而省去了其他控制器所用的外围PWM波发生电路和时间延时电路。

电动机专用DSP的高速运算功能可以实现直流电动机的实时控制,通过软件实现名副其实的全数字控制。

从而省去了外围的PID调节电路和比较电路。

系统硬件设计

控制部分

控制部分的核心器件是TMS32OF2812,制作时使用了一块工CETEK一2812一B板（带2812的DSP开发板）,除带DSP外,还有一颗电源管理芯片,将外接别转为3.3V为系统供电。

2812从电机处采集转速、电流反馈信号和位置反馈信号,DSP综合这三个信号输出对外的控制信号。

从驱动部分反馈的过流信号是一个0、1信号,DSP在工作时始终监视这一信号,一但监视到1,即表示电机过载,则立即给出一个让电机停止转动的信号,以免损坏电机和调速器。

DSP输出的转速控制信号是一个数字量,用D/A将此数字,量转换成电压量给MC33035用以调速。

系统中选用了12位的串行D/A（TLV5616）,后加一级放大（LM358）,使输出电压可根据不同电机的要求进行放大。

MS320F2812与PC间的通信是通过485总线完成的。

在工业控制中,485总线应用非常普遍,传输距离远而且性能稳定,所以本系统选择485总线进行传输。

驱动部分

驱动部分的控制核心是MC33035,驱动器是IRZ183和IRGP50B6OPDI。

MC33035作为驱动部分的控制核心,根据电机霍尔反馈的位置信号,分辨出电机转子的位置,以控制工GBT的开关。

虽然IGBT具有优越的通态特性,但要将IGBT瞬间完全关断仍不容易。

调试时发现,

GBT关断时的一点点毛刺,就会导致电机发热甚至烧坏"这就要求在电路设计上采取相应的措施,如在IR2183输出端与工GBT连接的地方串接一电阻等"在PCB布板走线时更要严格注意,布局要对称。

电机转速的调节是MC33035的n脚（误差信号放大器同向输入端）接受控制部分给出的控制电压,根据此电压的不同,内部产生脉宽调制（PWM）信号,控制3个下侧驱动输出,通过改变输出脉冲宽度来改变工GBT导通时间的长短,从而调节电机的转速。

显示部分

显示部分的主控元件是AT89C51,显示部分与驱动部分之间通过AT89C51和2812的串行口（即用通信方式）传递指令。

同时显示部分所需的5v电源由控制部分提供。

这里转速的采集是用AT89C51的计数端去采集霍尔输出的脉冲信号,将此信号换算成频率后送七段数码管显示,在此AT89C51担当了一个频率计的功能。

系统让用户通过键盘输入转速,而不是通过电位器调节。

因为电位器输出的是一个模拟量,通过2812内部集成的A心来采集这个电压量时并不稳定,会略微地漂移,这种略微的漂移会导致转速较大的波动。

为了避免这种波动,本系统使用了全数量的键盘,AT89csl从键盘读入数字量,然后将此量通过通信口传给2812,以实现全数字无级调速控制。

系统软件设计

系统软件设计思想是通过不断采集电机转速,与给出的速度指令相比较后,利用PID算法,同时综合滤波算法,不断修正速度误差,直到采集到的电机转速与系统给定的转速相同,程序就认为系统已经入锁了。

系统控制时始终监视电机电流和位置反馈,一旦出现异常,就启动相应的报警机制,并让电机停止转动程序软件框图如图3所示：

图3程序软件框图

矢量控制的基本原理

在目前的电力传动系统中,直流传动系统具有很高的动态性能这主要是直流电动机的励磁回路和电枢回路是相互独立的,主磁场和电枢磁场在空间上相差,能独立地调节两个磁场中的一个来进行调速,而交流电动机的励磁电流和负载电流都在定子电路内,无法将它们分开,主磁场和转子电流磁场间的夹角与功率因素有关,无法通过调节一个磁场来调速。

交流异步电动机的三相静止绕组U、V、W通以交流三相电流iu,iv,iw,产生旋转磁势F。

然而产生同样的磁势F并不一定非要三相,用两个相互垂直的静止绕组。

B通以两相对称交流电流101!

i倪,同样可以产生相同的旋转磁势F。

同样,如果选择相互垂直且以角频率旋转的d、q两相旋转绕组,在其中通以直流idl、iql,也可以产生根同的旋转磁势F"电流iu,iv,iw,101存在着确定的对应关系。

从而实现三相静止坐标系到两相静止坐标系的转换,即U、V、W坐标系到",乃坐标系变换（C1arke变换）。

电流101、i与idl、iql之间也存在着确定的变换关系,从而实现。

乃两相静止坐标系到d!

q两相旋转坐标系之间的坐标转换,即Park变换其示意图如图l所示。

站到旋转坐标系上观察,d和q绕组是通以直流的静止绕组,如果控制交流异步电动机转子总磁链WZ的方向和d轴方向一致,则旋转坐标系上的d轴绕组相当于直流电动机的励磁绕组,q轴绕组相当于直流电动机的电枢绕组,从而使交流异步电动机的转矩和磁场控制完全能够模拟直流电动机的转矩和磁场控制,实现真正意义上的解祸控制,这就是目前通用的矢量控制技术。

矢量控制在三相永磁同步伺服电机中的应用

系统组成

图4PMSM伺服系统

如图4所示系统PMSM伺服系统主要由四部分组成:

PMSM电动机!

功率变换器、位置检测器和控制电路"其中功率变换电路是用工RZ132和IPM模块组成,位置检测单元是由高精度编码器实现,其分辨率为光码盘辨率为2048p/r"控制电路是整个系统的核心,由TMS320F2812实现,包括速度控制器!

电流控制器!

换相控制电路!

PWM电路以及速度检测电路等单元。

为了提高操作的实用性!

易用性,系统还配置了键盘和液晶显示器,还可以通过RS232口与上位机进行通讯。

硬件部分

硬件部分用DSP加IPM智能功率模块（IGBTCPV363M4K）来实现,其中DSP部分采用了德州仪器公司（Tl）最新推出的TMS32OF2812"TMS320F2812DSP实现了高性能数字信号处理器（DSP）与高精度模拟及闪存的完美结合。

它的主要性能有:

a.15OM工PS的执行速度使得指令周期缩短为6.67ns,从而提高了控制器的实时控制能力。

b.高性能的32位CPU,单周期32x32MAC操作,这种单周期性操作是微处理器本质的变革。

e.基于C/C++高效32位TMS320C28xDSP核心,与TMS320F24x/LF24Ox程序代码通用,并支持DSP/BIOS实时操作。

d.片内存储器空间为36kxsbit,内含128kFLASH可用于在开发及对现场软件进行升级时的简单再编程，有125bit加密位。

e.结合了32位数字处理能力,由独特的-IQ一math.程序库支持,该函数库可显著简化多应用开发,这种结合使设计人员在几秒钟内就可将浮点算法通过端E1与定点处理器相连）比在传统16位设备中的数学算法转换速度快得多。

f.12位ADc,16通道,最快转换速度:

80ns,并且其双采样装置可在紧密的控制环路中提供关键的支持。

g.包括两个EV模块,每个EV模块包括通用定时器,全比较单元,CAP和GEQ电路"这两个EV模块可以驱动2个三相电机或者4个两相电机。

软件部分

本系统的软件在结构上可分为主程序和伺服控制程序,其中伺服控制程序由4个部分组成:

PWM定时中断程序\光电编码器零脉冲捕获中断程序、功率驱动保护中断程序和通讯中断程序。

主程序流程图如图5所示.

图5主程序流程图

主程序只完成系统硬件和软件的初始化任务,然后处于等待状态.完整的磁场定向实时矢量控制算法用PWM定时中断服务程序中实现。

PWM定时中断程序的流程图如图6所示。

图6PWM定时中断流程图

通讯中断程序主要用来接收并刷新控制参数,同时设置运行模式;光电编码器零脉冲捕获中断程序可实现对编码器反馈零脉冲精确地捕获,从而得到交流永磁同步电机矢量变换定向角度的修正值;功率驱动保护中断程序则用于检测智能功率模块的故障输出,当出现故障时,DSP的PwM通道将被封锁,从而使输出变成高阻态。

试验结果

使用示波器观察到的A、B两相稳态电流波形，图片的上半部分为A相电流波形，下面为B相电流波形，其横坐标为时间轴，纵坐标为电流，其每一格的大小分别为10ms和10A。

理论上稳态时电流呈现出正弦周期规律变化。

图中A、B两相电流的波形正好验证了这一点。

试验的结论

实验所得到的结果与在matlab/simulink仿真环境下得到的结果基本一致，验证了硬件电路及软件设计的合理性，也说明了本次永磁同步电机驱动系统的研究的正确性和可行性。

参考文献

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平时作业