基于DSP的PWM双闭环直流调速系统精.docx

1、基于DSP的PWM双闭环直流调速系统精 中图分类号 :T M38314 文献标识码 :B 文章编号 :100126848(2007 0420051204基于 DSP 的 P WM 双闭环直流调速系统林 立 1, 唐 旭 2, 张续义 2, 黄声华3(11邵阳学院 信息与电气工程系 , 邵阳 422004; 21浙江求是科教设备有限公司 , 杭州 310000;31华中科技大学 电气与信息工程学院 , 武汉 430074摘 要 :为提高直流调速系统的性能 , 介绍了采用 T MS320LF2407A 为控制核心 、 H 桥直流斩波 驱动 、 电流内环与速度外环 P I 系统 。 分析了系统的全数

2、字化调速原理 , 。这种 关键词 :数字信号处理器 ; ; ; 工程设计方法 D ouble C m s of Veloc ity M odul a ti on of D i rect Curren tM otor Ba sed on D SPL I N L i 1, T ANG Xu 2, ZHANG Xu 2yi 2, HUANG Sheng 2hua 3(1.Shaoyang University, Shaoyang 422004; 2.Science and Technol ogyTeaching Apparatuses Company of Q iuShi in Zhejiang,

3、Hangzhou 310000; 3. Hua Zhong University of Scince and Tecnol ogy, W uhan 430074, China ABSTRACT:I n order t o get good perfor mance in DC mot or s peed contr ol syste m s, this paper intr o 2duces double cl osed P WM syste m s of vel ocity modulati on of direct current mot or based on DSPs, this sy

4、s 2te m come ture the digital contr ol .I n the paper, s peed contr ol theory and hard ware and s oft w are are de 2scribed in detail, this s peed contr ol of syste m have achieved the enter p rise p r oduces p r oducti on request . The ex peri m ent indicates that this contr ol syste m structure is

5、 si m p le and perf or mance is good . This sys 2te m s can be used in advanced contr ol field all over the agricltue and industry .KEY WO R D S:DSP; H bridge circuit; DC mot or; Speed contr ol; B i polar contr ol; Engineering de 2sign methods收稿日期 :2006206219邵阳学院科学基金资助项目 (2005B170 引 言随着电力电子技术和微处理器的快

6、速发展 ,运动控制系统的控制方式由硬件控制转向软件控 制 , 智能化的软件控制将成为运动控制系统的发 展趋势 。 运动系统控制器的实现方式在数字控制 中也在向硬件方式发展 。在软件方式中也是从运 动系统的外环向内环 , 进而向接近电动机环路的 更深层发展 。目前 , 运动系统的数字控制大都是 采用硬件与软件相结合的控制方式 , 其中软件控 制方式一般是利用微机实现的 。1 结构与原理调速系统如图 1所示。 这是以 T MS320LF2407A 为控制核心的 P WM 电流内环和转速外环的双闭环 直流调速系统。 主电路采用三相不可控整流 , 经电 容滤波 H 桥直流斩波调压后给直流电动机供电。

7、控制电路利用调节器的工程设计方法 1, 求出实际系 统各个环节的传递函数后将电流内环按典型 1型系 统进行校正设计 , 转速外环按典型 2型系统进行校 正设计 , 分别确定 2个 P I 调节器的比例与积分参 数 , 从而满足稳、 准、 快等性能指标的要求。 整个 系统的控制实现了数字化。 其中 2个 P I 调节器的参 数经离散化后由 DSP 编程来实现。 H 桥直流斩波调 压的控制信号是由 DSP 的事件管理器控制产生的 4路 P WM 脉冲波进行双极性控制的。 同时利用 DSP15 基于 DSP 的 P WM 双闭环直流调速系统 林 立 唐 旭 张续义 黄声华的 QEP 引脚和光电编码器

8、实现对电机速度的检测 ,利用 ADC I N 引脚可以完成模数转换 , 利用 P DP I N T 引脚进行故障保护。ASR 2转 速调节器 ACR 2电 流调节器 TG 2测 速发电机 T A 2电 流互感器 UPE 2电 i 2U 3n 2转 n 2U i 图 1 DSP 2 硬件组成DSP 数字控制 P WM 双闭环直流调速系统的硬件结构如图 2所示 。 其硬件结构由主电路和控制电 路两部分组成 。 主电路由三相不可控整流 、 H 桥双 极性直流斩波 、泵升电压电路与直流电动机构成 。 H 桥双极性直流斩波电路驱动信号的产生由 DSP T MS320LF2407A 控制输出 。转速的检测

9、采用数字 测速器 。 它是用 DSP 读取与电动机联轴的光电编 码器输出的脉冲数 , 经 DSP 计算后得出转速值 。 泵升电压的控制经与事先设定值比较后由 DSP 发 出控制信号实时控制启动泵升电压电路 , 进行能 量泄放 , 护 主 电 路 。系 统 利 用 故 障 保 护 引 脚 P DP I N T , 及时封锁 4路 P WM 信号 , 以及通过 I/O口控制开关 K1的动作实现保护 。该 DSP 控制系统有完善的保护体系 。图 2 DSP 控制的 P WM 双闭环直流调速系统硬件结构图211 主电路三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒 定的直流电源 , 再经过直流 P WM 变换

10、器得到可调 的直流电压 , 给直流电动机供电 。直流 P WM 变换 器采用双极性斩波控制 , 其结构如图 3所示 。 212 控制电路控制电路由数字信号处理器 、检测电路 、驱 动电路与故障保护等组成 。1 数字信号处理器选用专为 为控制器 , 配以显 , 这种控制芯片本身都带有 A /D转 换器 , 通用 I/O口和通信接口 , 还带有一般控制器 并不具备的故障保护、 数字测速和 P WM 生成功能 , 大大简化了数字控制系统的硬件电路。图 3 桥式可逆双极性直流脉宽调速系统主电路原理图2 检测电路检测电路包括电压 、电流 、温度和转速检测 , 其中电压 、 电流和温度检测由 A /D转换

11、通道变为 数字量送入 DSP 控制器 。3 驱动电路图 3通过 DSP 产生 5路 P WM 信号 , 其中 DSP 的引脚 P WM1-P WM4输出 4路控制信号对 H 桥电 路的电力电子开关进行控制 。桥式电路的电力电 子开关采用电力晶体管 D202。 P WM1-P WM44路 信号经驱动芯片 M57215BL 后控制晶体管 (D202 V1-V2-V3-V4的通断 。另外 , P WM5信号经 M57215BL 后对图 3的 V b 进行泵升保护 。 具体结构如图 4所示 。4 故障保护在检测回路中 , 对电压 、电流 、温度等信号 进行分析比较 , 若发生故障或者与给定的动态参 数

12、不符 , 立即反馈到 DSP 控制器 , 进行及时处理 , 通过数字调节转速和电流调节器 , 将动态参数调25 微电机 2007年 第 40卷 第 4期 (总第 160期 整到规定的标准 , 避免误差或故障进一步扩大。 图 4 直流电动机 DSP 控制的驱动电路3软件设计 采用 T 计 。 。按工 程设计方法 , 电流内环按典型 型系统设计 , 转 速外环按典型 型系统设计 。结合调节器设计 、 H 桥双极性直流斩波控制算法 、模数转换和故障保 护 , 本调速系统的软件设计由 3部分组成 :即主程 序 、 初始化程序和中断服务子程序 。主程序完成 实时性要求不高的功能 , 完成系统初始化和其他

13、 外设通信等功能 。其流程如图 5所示 。初化始后 , 实现键盘处理 、刷新处理与上位计算机和其他程 序完成硬件工作方式的设定 、系统运行参数和变 量的初始化等 。 其流程如图 6所示 。 中断服务子程 序主要完成实时性强的功能 , 如故障保护 、 P WM 生成 、 状态检测和数字 P I 调节等 。中断服务子程 序由相应的中断源提出申请 , CP U 实时响应 。它 包括了 3种中断服务申请 , 其中 , 转速调节中断服 务子程序流程如图 7所示 。 电流调节中断服务子程 序流程如图 8所示 。 故障保护中断服务子程序流程 如图 9所示 。本系 统 设 计 脉 冲 编 码 器 在 每 个

14、P WM 周 期 (50s 都对直流调速系统进行一次电流采样和电 流 P I 调节 , 因此电流采样周期与 P WM 采用定时器 1周期中断标志来启动 A /D转换 , 转换结束后申 请 ADC 中断 。 图 10是 ADC 中断处理子程序框图 。 全部控制功能都通过中断处理子程序来完成 。由于速度时间常数较大 , 在本程序中设计每 90个 P WM 周期 (即 415m s 对速度进行一次 P I 调节。速度反馈量是按以下方法计算的 :在每个 P WM 周期都通过读编码器求一次编码脉冲增量 , 并累计。 设电动机的最高转速是 200r/min 即 10/3r/s 。 采用 1024线的编码器

15、 , 经 DSP4倍频后每转发出 4096个脉冲。 所以在这个转速下 , 每秒发出 10/34096=40960/3个脉冲。 那么 415m s 发出的最大脉冲数为40960/3415103=61144。 令编码器脉冲速度转换系数 K SPEED =1/61144, 其 Q22格式为 K SPEED =222/61144, 即 10AAAH 。用编码器的脉冲累计值乘以 K SPEED 就可以得当前转速反馈量相对于最高转速的比 例值 n, 当前转速反馈量等于 200n /222。程序中的速度 P I 调节器和电流 P I 调节器的各个参 数可以根据要求在初始化程序中改写 。常规的模拟 P I 控

16、制系统由模拟 P I 调节器和被 控对象组成 。采用 DSP 对电动机进行控制时 , 使 用的是数字 P I 调节器 , 而不是模拟 P I 调节器 , 也 就是说用程序取代 P I 模拟电路 , 用软件取代硬件 。 数字 P I 调节器的算法 :u k =K Pe k +T I kj=0e +u 035或 u k =K P e k +TK I kj =0e j +u 图 10 式中 , k k 2, ; u k 为第 k; e k 为第 k 次采样时刻输入的 偏差值 ; k I 为积分系数 , K I =K P /T I ; u 0为开始进 行 P I 控制的原始初值 。根据工程设计方法 ,

17、 按照实际系统的具体要 求计算得到两个调节器的实际参数 , 然后将模拟 P I 调节器离散化得到数字 P I 调节器后 , 求得以下 数字调节器的参数 :电流比例系数 I_K P =4A14H, Q12格式 ; 电流积分系数 I_K I =134AAAH, Q12格式 ; 电流积分饱和修正系数 I_K C =000DH, Q12格式 ;速度比例系数 N _K P =5666H, Q12格式 ; 速度积分系数 N _K I =71000H, Q12格式 ;速度积分饱和修正系数 N _K C =0199H, Q12格式 ;电流最大值 I M AX =7666H, Q12格式 。4 结 论本文根据上

18、海一精密仪器加工系统进行了设计 。 该系统的基本参数和设计要求是 27:电动 机功率 P N =200W , U N =48V, I N =317A , n N =200r/min, 电枢电阻 R a =6, 电枢回路总电阻 R =8, 电动势系数 C e =0112V m in /r, 允许电流 过载倍数 =2, 电磁时间常数 T 1=01015s, 机电 时间常数 T m =012s, 电流反馈滤波时间常数 T oi=01001s, 转速反馈滤波时间常数 T on =01005s 。设调节器输入输出电压 U nm 3=U i m 3=U cm =10V ,调节器 输入 电阻 R 0=40k

19、。已 知 电 力 晶 体 管 D202的开关频率 f =1kHz, P WM 环节的放大倍数 K s =418。 要求是 :进行动态参数设计 , 设计指标 为 :稳态无静差 , 电流超调量 i 5%, 有抗负载 性能 , 空载起动到额定转速时的转速超调量 n 20%, 过渡过程时间 t s 011s; 进行数字化控制 ; 有完善的自动保护功能 。, 利用高性能的专 DSP T 的强大运算能力和快 P WM 双闭环直流调 , 实现了全数字化控制 , 结构 简单 、性能良好 。与模拟直流调速系统相比 , 具 有易于改变控制算法 、程序易于移植 、控制精度 高 、 可靠性好 、调速范围宽 、静差率小

20、 、功率因 数高等优点 。这种系统在可逆 、小功率驱动 、精 密仪器制造生产线等领域中有着广泛的应用 。参考文献1 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 :运动控制系统 3版 M.北京 :机械工业出版社 , 2003.2 江思敏 , 戴向国 , 李伟 . T MS320LF240x DSP 应用程序设计教程 M.北京 :机械工业出版社 , 2003.3 江思敏 .T MS320LF240x DSP 硬件开发教程 M.北京 :机械工业出版社 , 2003.4 王晓明 , 王铃 . 电动机的 DSP 控制 :TI 公司 DSP 应用 M.北京 :北京航空航天大学出版社 , 2004.5 王晓明 . 电

21、动机的单片机控制 M.北京 :北京航空航天大学出版社 , 2002.6 苏彦民 . 电力拖动系统的微型计算机控制 M.西安 :西安交通大学出版社 , 1988.7 Leonhard, W. 电气传动控制 M.吕嗣杰译 . 北京 :科学出版社 , 1988.8 Leonhard, W.Contr ol of Electrical D rives 3rd ed .Sp ringer 2Verlag, 2001.9 Texas I nstruments Second Generati on T MS30U ser s Guide, 1987. 10 王兆安 , 黄俊 . 电力电子技术 (第四版 M.北京 :机械工业出版社 , 2000.作者简介 :林 立 (1972年 - , 男 , 湖南武冈市人 , 硕士研 究生 , 讲师 , 研究方向为电力电子与电力传动。45