完整版本科毕业设计基于DSP电机控制技术的研究.docx
《完整版本科毕业设计基于DSP电机控制技术的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版本科毕业设计基于DSP电机控制技术的研究.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整版本科毕业设计基于DSP电机控制技术的研究
基于DSP电机控制技术的研究
摘要
电机在各种电气传动和位置伺服系统中占有及其重要的位置，电机控制的目标主要是速度控制和位置控制。
近年来，随着电力电子技术、微电子技术、材料技术的飞速发展，电机控制的研究也越来越重要，高性能电机控制系统也在不断地更新。
尤其是将DSP技术运用到电机控制之后硬件的统一性与软件的灵活性可以有机结合，电机的数字化及集成化控制成了电机控制的发展方向。
本课题以曾经在实际工程项目中使用到的步进电机为例，在实现这种电机的DSP控制的基础上，建立电机控制机平台，设计电机控制系统。
论文首先分析了电机控制的发展现状，指出电机控制的一般问题及DSP控制系统的特点。
阐述了步进电机的基本构成、工作原理、控制系统的构成及其基本控制策略，给出了基于DSP的电机控制系统设计方案,然后在前期的工作及所取得的阶段性成果的基础上，以TI公司的DSPTMS320C55为核心设计了硬件系统，并编写了系统软件。
硬件包括计算机，ICETEK仿真器、ICETEK-VC5509-A系统板相关连线及电源，在设计上实现了系统的硬件电路小型化及模块化。
软件采用C语言编程方式，根据系统设计的硬件电路及采用的控制策略，编写了相应的控制系统软件
关键词 DSP；电机控制系统；脉宽调制
ResearchonMotorControlTechnologyBasedonDSP
Abstract
Motorsplayanextremelyimportantroleinmultifariouselectricdriveandpositionservosystems．Theaimsofmotorcontrolaremainlyspeedandpositioncontrol．Withthefastdevelopmentofpowerelectronics，micro-electronicsandmaterials，theresearchofmotorcontrolrecentlybecomesmoreandmoreimportantandthemotorcontrolsystemwiththewayofdigitalandintergrationespeciallywhentheDSPtechnologieswhichcancombinetheonenessofusedbeforeinsomeprojectsforexamplerealizesDSPsolutionsforthemotors．
Firstofall，thethesisanalysesthedevelopmentandactualityofmotorcontrolsystem,indicatesthecommenexistingproblem，andintroducesthecharacteristicsofDSPsolutionformotors．Secondly，thebasicelementsandtheoperatingprincipleofthesteppermotormodelisanalyzed．Thestructureofcontrolsystemanditscontrolstrategiesarealsoresaerchedinthisthesis,atthesametime，thedesignschemeofthesyetembasedonDSPisexpounded.Thirdly，onthebasisofthepresentoutcome，theTMS320C5producedbyTICompanyaredesignedInthethesoftwareofthesystem，thesoftwarearewritteninCaccordingtotrolstrategiesofthesystem．
Keywords DSP;Motorcontrolsystem;Pulse-WidthModulation
不要删除行尾的分节符，此行不会被打印
摘要……
Abstract
千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。
在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。
打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行
绪论
课题背景
在各种传统系统和伺服控制系统中，我们经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。
如在三项无刷直流电机、永磁同步电机及三相感应电机甚至式直流电机的控制中，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；同时，即使在同一个工程项目中使用的电机可能有几个火几种，如果单独来设计控制器，则不仅会使工作量加大，控制系统也变得更复杂，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种或几种电机控制，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。
电机控制系统的发展现状
电机控制系统的发展
电机控制系统的发展从主传动机电能转换角度来讲，有机械控制系统（如齿轮箱变速）、机械和电气联合控制系统（如感应电机电磁离合器调速）发展到全电气控制系统（基于电力电子电源变换器的电机控制系统）；从控制电路来讲，有模拟电路、数字和模拟混合电路发展全数字电路控制系统；从控制策略角度来讲。
从最初的抵消有级控制发展到现在的高性能智能型控制系统。
近用于电机控制系统的各种电源变换器就有AD、DC可控整流器、DC、AC逆变桥，DC、DC斩波器、AC、AC循环变换器和矩阵变化器等[1]。
就电机控制的目标来讲，主要有速度控制和位置控制两大类。
电机的速度控制系统也可称为电机调速系统，它广泛地应用于机械、冶金、化工、纺织、矿山和交通等工业部门。
电机的位置控制系统或位置伺服系统也称为电机的运动控制（MotorControl）系统。
电机的运动控制系统是通过电机伺服驱动装置将给定的位置指令变成期望的机构运动，一般系统功率不大，但有定位精度要求，并具有频繁启动和制动的特点，在雷达、导航、数控机床、机器人、磁盘驱动器和自动洗衣机等领域得到广泛应用。
随着电力电子技术、微电子技术和稀土永磁材料的飞速发展，高性能电机控制系统技术不断地更新，成本不断降低，新型电机不断出现，交流电机驱动系统正不断地取代直流电机控制。
提高电机控制系统性能地研究工作主要有以下几个方面：
1．新型功率控制器件和PWM技术的应用
可控型功率器件的不断进步为电机控制系统的完善提供了硬件保证，如大功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、绝缘栅可换向晶体管（IGCT）等的实用化，使得高频、高压、大功率PWM控制技术成为可能。
电机控制的基本手段是如何控制PWM波形使得功率控制器件输出的电压和电流波形能满足电机高性能运行的要求。
现代电机控制系统都是依靠电力电子器件构成变流装置的，即采用以强电为动力、以弱点控制强电，强弱电结合这一关键技术。
典型的功率控制器有直流斩波器、交直交电流型或电压型变换器、交交循环变换器和矩阵变换器等。
直流斩波器主要优点是可以将直流电压升高或降低，它广泛应用于开关电源。
交直交电流型变换器的优点在于可实现自然换相，并且容量可以做的很大，但是平波电抗器比较笨重，当电源存在干扰时会造成换相失败。
对于绝大多数中小型电机来说，主要是采用交直交电压型变换器。
目前己经有许多采用MOSFET和IGBT器件做成的变频器产品，开关频率可达20kHz，实现无噪声驱动。
值得注意的是，国外正在加紧研制新型变频器，如矩阵变换器，高功率因数可控补偿变换器，中性点嵌位、级联式和飞跨电容式多电平变换器，电机控制系统将得到新的发展。
2.矢量变换控制技术与现代控制理论的应用
矢量变换控制主要研究感应电机的动态控制过程，不但控制电流和磁通等变量的幅值，同时也控制这些变量的相位。
并利用现代线性系统控制中状态重构和估计的概念，巧妙地实现了感应电机磁通和转矩在等效两相正交绕组状态下的重构和解藕控制，从而促进了感应电机矢量控制系统的实用化。
矢量变换控制方法己经从最初的感应电机推广到了同步电机的控制，并出现了基于矢量变换的各种控制技术。
3.微机、微处理器和数字信号处理器（DSP）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得到很大提高，以单片机为核心的全数字化控制系统正不断地取代传统的模拟器件控制系统。
但是单片机只能处理信息量不大的简单系统，而对于交流电机等较为复杂的系统就需要存储多种数据、实时处理能力，此时就可采用微处理器或DSP芯片的嵌入式解决方案。
这样就可以将系统控制、故障监视、诊断和保护、人机交互界面等功能集成一体，实现高性能复杂算法的控制系统。
4.新型电机和无传感器控制技术研究
各种电机控制系统的发展对电机本身提出了更高的要求，需要研究新型电机设计、动态建模和控制策略。
高性能的控制系统利用位置传感器或速度传感器检测位置或速度，而这类传感器使系统体积增大，可靠性降低。
为此，无传感器的控制系统成为新的研究热点。
通常无传感器系统的算法复杂，计算量大，需要采用具有高速计算能力的DSP芯片，因此，研究DSP芯片硬件和软件，实现电机控制复杂的算法成为无传感器电机控制系统的关键[2]。
电机控制系统的类型
在电气传动系统和位置伺服系统中，经常需要使用各种各样的驱动电机，如直流电机、感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机、步进电机等。
由此产生的电机控制系统主要有以下几种：
1．直流电机控制系统直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解藕，可以独立控制，具备良好的调速性能，出力大，调速范围宽和易于控制，广泛用于拖动系统中，目前在各种推进系统中也仍有着广泛的应用。
2．感应电机控制系统感应电机定子一般为多对称多相绕组，转子可以使绕线式，也可以式鼠笼式绕组。
由于转子结构的不同而有不同的控制策略。
如绕线式感应电机可以实现转子串电阻调速、串级调速等，而鼠笼式感应电机可以实现电子变频、变极调速等。
现代交流感电机控制系统主要有以下几种:
矢量变换控制系统、转差频率控制系统、直接转矩控制系统、空间矢量调制控制系统、智能控制系统等。
3．同步电机控制系统永磁交流电机的驱动电源波形分为方波和正弦波。
前者称为直流无刷永磁电机，而后者称为永磁同步电机。
永磁无刷直流电机的特点是磁极位置检测与无换向器电机一样比较简单，通常为磁敏式霍尔传感器，驱动控制易于实现，主要用于恒速驱动、调速驱动和精度要求不很高的位置伺服系统。
而正弦波驱动永磁同步电机的控制系统，电机转子采用永磁材料，电子绕组于普通同步电机一样为对称多相正弦分布绕组。
主要用于恒速、调速驱动以及精度要求较高的位置伺服系统。
目前研究的重点主要是削弱齿谐波、转矩脉动和消除位置传感器技术。
4．变磁阻电机控制系统变磁阻电机主要有同步磁阻电机、反应式步进电机和开关磁阻电机等。
步进电机是一种电磁式增量运动执行元件，它将输入的电脉冲信号转换成机械角位移或线位移信号，因此步进电机又称脉冲电动机或数字电动机，主要用作数字控制装置的执行元件，电机旋转角度只与输入脉冲数成正比，因此电机转速与输入脉冲频率成比例。
步进电机的控制可不用反馈控制，一般采用开环控制，使控制系统简单并具有很高的精度。
可以改变绕组的励磁顺序实现步进电机的正反转控制。
开关磁阻电机直到20世纪60年代大功率晶闸管得到广泛应用后才得以深入研究。
它同样具有宽范围的调速性能，性能要优于同类异步电机驱动系统阶[3]。
电机DSP控制的一般问题
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（位置环、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，机电祸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。
电机内部的机电祸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[4]。
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、上电复位电路、存储器扩展接口、控制信号输入输出接口等。
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。
设计电机DSP控制系统的必要性及可行性
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有机结合，使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[2]。
论文的主要内容
本论文的主要研究内容如下：
1．实现电机的DSP调速控制。
构建PWM驱动系统，在系统中一部分软件代替硬件，从而使步进电机控制系统更加可靠、简单。
2．实现电机的位置及速度空制。
DSP芯片的出现为步进电机的控制提供了软硬件基础，本文将给出步进电机的工作原理，并通过脉冲调制对步进电电路ICETEK-VC5509-电路板。
3．电机控制系统的硬件电路的实现。
包括以TMS320C55系列为核心的主控电路ICETEK-VC5509-电路板。
4．控制系统的软件设计。
软件设计采用模块化程序设计。
主要包括系统初始化模块；信号采集模块；主控制程序模块；PWM输出模块等。
步进电机的DSP控制
本章主要介绍了步进电机的发展、分类、原理、工作方式以及DSP的控制方式方法等内容。
步进电机结构及原理
步进电机的发展
步进电机在工业自动化装备、办公自动化设备中有着广泛的应用。
近年来，控制技术、计算机技术及微电子技术的迅速发展，有力推动了步进电动机控制技术的进步，提高了步进电机运动控制装置的应用水平。
步进电动机应用系统已经由较早的开环系统和简单的闭环系统，逐渐发展成为高性能的步进伺服系统、步进电机伺服控制。
步进电机是纯粹的数字控制电动机。
它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。
近三十年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推进了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景[5]。
步进电机的特点
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关[6]。
Ø步进电机的相数：
步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°1.8°、三相的为0.75°1.5°、五相的为0.36°0.72°。
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
Ø步进电机的一些特点：
1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
2．步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。
在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数：
空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下，启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。
伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
5．步进电机的角位移与输入脉冲数严格地成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随型。
6．由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。
同时，它也可以与角度反馈，环节组成高性能的闭环数控系统。
7．步进电机的动态响应快，易于启动、正反转及变速。
速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。
8．步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。
9.步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采用响应的措施。
10.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差[7]。
步进电机的分类
1．步进电机可分为三大类：
反应式步进电机（VaraiableReluctance,简称VR）
反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。
它的结构简单，成本低，步距角可以做的很小，但动态性能较差。
2．永磁式步进电动机（Permanent Magnet，简称PM）
永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。
它的传输转矩大，动态性能好。
转子的极数与定子的极数相同，所以歩距角一般较大。
需供给正负脉冲信号。
3．混合步进电动机（Hybri，简称HB）
混合式步进电动机综合了反应式和永磁两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，歩距角小，但结构复杂，成本较高[7]。
步进电机的结构
一个三相反应式步进电动机分成转子和定子。
定子是由硅钢片叠成的。
定子上有六个磁极，每两个相对的磁极丢缠有同一绕组，也即形成一相，这样三对磁极有三个绕组，形成三相。
也可以得出，四相步进电机有四对磁极、四相绕组；五相步进电动机有五对磁极、五相绕组……以此类推。
每个磁极的内表面都分布着多个小齿，他们的大小相同，间距相同。
转子是由软磁材料制成的。
其外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同，形状相似。
由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，他们的齿距角都可以由式（2—1）来计算，式中Z为转子的齿数。
θ=2πZ（2—1）
步进电动机的动力来自于电磁力。
在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（或者最小磁阻）的位置如图2-1（b），即定子和转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态。
对三相步进电动机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置如图2-1（a）。
即定子和转子小齿不对齐的位置。
把定子与转子小齿对其的状态成为对齿；把定子和转子小齿不对齐的状态成为错齿。
错齿的存在是步进电动机能旋转的前提条件。
所以，在步进电动机的结构中必须保证有错齿存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态。
升级会员 