畢業(yè)論文--基于dsp控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于DSP控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要</p><p>　　本文介紹的是一種基于DSP TMS320LF2407A 芯片的雙極性可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字控制的設(shè)計(jì)和基于Matlab的仿真設(shè)計(jì)。選用三相橋式不可整流電路供電。選用H型雙極可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。驅(qū)動(dòng)

2、電路采用M57215BL芯片，通過DSP的PWM輸出引腳PWM1-PWM4輸出的控制信號(hào)進(jìn)行控制。用霍爾電流傳感器檢測(cè)電流變化，并通過ADCIN00引腳輸入給DSP，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流反饋信號(hào)。采用增量式光電編碼器監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的速度變化，經(jīng)QEP1和QEP2腳輸入給DSP,獲得速度反饋信號(hào)。通過PDPINIA引腳對(duì)電動(dòng)機(jī)提供過電壓和過電流保護(hù)。運(yùn)用MATLAB對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，雙閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)的特征是系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速分別由兩個(gè)調(diào)節(jié)

3、器控制。速度調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR均設(shè)有限幅電路，ASR的輸出作為ACR的給定，利用ASR的輸出限幅起限制啟動(dòng)電流的作用；ACR的輸出作為觸發(fā)器的移相控制電壓。系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模。建模完成后即可進(jìn)行仿真。</p><p>　　關(guān)鍵詞：DSP TMS320LF2407A 芯片；PWM；雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；數(shù)字控制；Matlab;simulink</p><p>

4、;　　PWM DC motor speed digital control system design and simulation</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This article is based on DSP TMS320LF2407A reversible chip bipolar digital contro

5、l of PWM DC drive system design and simulation of Matlab-based design. Can not use three-phase bridge rectifier circuits. Use H-type bipolar reversible PWM control of the motor drive system in a PWM cycle, the motor arma

6、ture voltage polarity was positive and negative changes. M57215BL chip driver circuit, through the DSP's PWM output pins PWM1-PWM4 output control signals. Hall current sensor with current changes, an</p><p

7、>　　Keywords: TMS329LF2407A chip；PWM；double closed-loop DC-drive speed system；Digital control；Matlab;Simulink</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章緒論1</b></p>&l

8、t;p>　　1.1論文選題背景及研究意義1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3論文研究的主要內(nèi)容2</p><p>　　第二章 方案論證3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求3</p><p>　　2.2　系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3</p>&

9、lt;p>　　2.2.1　系統(tǒng)控制對(duì)象的確定3</p><p>　　2.2.2　電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇3</p><p>　　2.2.2　系統(tǒng)控制方案選擇6</p><p>　　2.2.3　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.2.4　系統(tǒng)的工作原理10</p><p>　　第三章硬件電路設(shè)計(jì)11&l

10、t;/p><p>　　3.1硬件設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1.1　主電路選型12</p><p>　　3.1.2　整流電路選擇13</p><p>　　3.1.3　PWM變換器設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1.4　PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路14</p><p>　　3.1.5　直流電

11、動(dòng)機(jī)DSP控制和驅(qū)動(dòng)電路15</p><p>　　3.1.6　速度測(cè)量16</p><p>　　3.1.7 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.1.8 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.1.9 TMS320LF2407A DSP的結(jié)構(gòu)介紹19</p><p>　　3.1.10

12、鍵盤和顯示23</p><p>　　3.2　主電路中參數(shù)計(jì)算23</p><p>　　3.2.1　變壓器二次側(cè)電壓U2的計(jì)算23</p><p>　　3.2.2　一次、二次相電流I1、I2的計(jì)算24</p><p>　　3.2.3　變壓器容量的計(jì)算24</p><p>　　3.2.4　二極管整流橋VD1- V

13、D6的選擇24</p><p>　　3.2.5　輸入濾波電容C0的選型研究25</p><p>　　3.2.6　平波電抗器的設(shè)計(jì)25</p><p>　　3.2.7　勵(lì)磁電路元件的選擇26</p><p>　　第四章　調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.1　模擬控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖27&l

14、t;/p><p>　　4.2　調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分析28</p><p>　　4.3　調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.3.1　電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.3.2　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)32</p><p>　　第五章　仿真設(shè)計(jì)35</p><p><

15、b>　　5.1仿真35</b></p><p>　　第六章　軟件設(shè)計(jì)39</p><p>　　6.1 程序流程圖39</p><p>　　6.2　定點(diǎn)DSP的數(shù)據(jù)線Q格式表示方法40</p><p>　　6.3　數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的DSP實(shí)現(xiàn)方法[1]41</p><p>　　6.4　DSP控

16、制程序的有關(guān)參數(shù)計(jì)算43</p><p>　　6.5　DSP控制程序43</p><p>　　總 結(jié)45</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)46</b></p><p><b>　　致 謝48</b></p><p>　　附錄一：程序清單49<

17、/p><p>　　附錄二：系統(tǒng)原理圖57</p><p><b>　　第一章緒論</b></p><p>　　1.1論文選題背景及研究意義</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣；過載能力大,能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的

18、特殊運(yùn)行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。有許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)既有正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地啟動(dòng)和制動(dòng)，這就需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。中小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用由電力電子功率開關(guān)器件組成的橋式可逆PWM變換器，其中功率開關(guān)器件采用IGBT。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵(lì)磁磁通和改變電樞回路電阻。針對(duì)三種調(diào)速方法

19、，都有各自的特點(diǎn)，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大，一般都是配合變壓調(diào)速使用。所以，在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流PWM調(diào)速系統(tǒng)兩種。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn)：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流,低速特性好，穩(wěn)速精度高，

20、調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；同樣,由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng),可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗小,裝置效率高；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高[1]。</p><p>　　正因?yàn)橹绷鱌WM調(diào)速系統(tǒng)有以上的優(yōu)點(diǎn)，并且隨著電力電子器件開關(guān)性能的不斷提高，直流脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字電路PWM已被大規(guī)模集成電路所取代

21、，這就使得數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為可能。目前，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制器與微處理器集為一體的專用控制芯片, 如TI公司生產(chǎn)的TMS320C24X系列芯片。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一。采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，操作維護(hù)方便，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的要求。</p><p&g

22、t;　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)的控制對(duì)象是雙閉環(huán)無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。目前，對(duì)于控制對(duì)象的研究和討論很多，有比較成熟的理論，但實(shí)現(xiàn)控制的方法和手段隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不斷地進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。這個(gè)過程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片計(jì)算機(jī)控制等過程。每一次的技術(shù)升級(jí)都是控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進(jìn)。隨著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級(jí)提供了新的可能。經(jīng)過文獻(xiàn)

23、檢索，目前已經(jīng)有不少科技工作者開展了將DSP芯片用于電機(jī)控制方面的研究，但現(xiàn)在應(yīng)用的例子較少，大部分還處于可行性研究階段。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)有電機(jī)控制、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等理論。研究設(shè)想是：通過研究提出合理的硬件方案和算法，主要進(jìn)行的是理想情況下的可行性研究，具有工程應(yīng)用的可能和超前性。 </p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)過多年的研究并已很

24、成熟，而DSP技術(shù)現(xiàn)在也發(fā)展迅猛，并在很多方面取得顯著成果。兩者的結(jié)合，將大大提高電機(jī)控制在高精度控制領(lǐng)域的發(fā)展。用DSP控制電機(jī)，用戶就不必在外圍再設(shè)置模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，硬件結(jié)構(gòu)和控制大為簡(jiǎn)化，體積減小，成本也就降低，處理能力和可靠性性能都大大提高。由此可知，基于DSP的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不論在理論上還是在工程中都是可行的。 電機(jī)控制是DSP應(yīng)用的主要領(lǐng)域，隨著社會(huì)的發(fā)展以及對(duì)電機(jī)控制要求的日益提高，DSP將在電機(jī)控制領(lǐng)域中將發(fā)揮越

25、來越重要的作用。</p><p>　　1.3論文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用DSP芯片TMS329LF2407BL為控制核心，可逆直流調(diào)速系統(tǒng)采用由IGBT組成的橋式可逆PWM變換器，通過DSP芯片輸出可調(diào)制脈寬波控制IGBT的觸發(fā)角改變電動(dòng)機(jī)兩端的極性從而達(dá)到調(diào)速的目的?？刂葡到y(tǒng)采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)ASR和電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)ACR

26、采用PI調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)了PWM直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速速度控制，精度較高，具有手動(dòng)設(shè)定速度的功能，具有過壓和過流保護(hù)裝置。</p><p><b>　　第二章 方案論證</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</p><p>　　實(shí)現(xiàn)PWM直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)字控制。</p><p>　　被控對(duì)象：直流電機(jī)：3000轉(zhuǎn)/分，15

27、V/3A</p><p>　　速度控制精度：1度/秒</p><p><b>　　要求帶速度顯示</b></p><p>　　具有手動(dòng)設(shè)定速度的功能</p><p>　　具有過壓和過流保護(hù)裝置</p><p>　　2.2　系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.

28、2.1　系統(tǒng)控制對(duì)象的確定</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)額定功率40W，額定電壓15V，額定電流3A,額定轉(zhuǎn)速3000r/min。</p><p>　　2.2.2　電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇</p><p>　　根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程： </p><p>&

29、lt;b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中 n — 轉(zhuǎn)速（r/min）； U— 電樞電壓（V）； I — 電樞電流（A）； R — 電樞回路總電阻（ ）； — 勵(lì)磁磁通（Wb）； Ke— 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。</p><p>　　由式（1.1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)

30、機(jī)的轉(zhuǎn)速：</p><p>　?。?）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U；</p><p>　?。?）減弱勵(lì)磁磁通 ；</p><p>　?。?）改變電樞回路電阻 R。</p><p>　　對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速

31、（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。這里選用變壓調(diào)速[1]。</p><p>　　變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)如圖1.1所示，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。靜止可控整流器又稱V-M系統(tǒng)如圖1.2所示，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT

32、的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，由于晶閘管的</p><p>　　圖2.1　旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）原理圖</p><p>　　圖2.2　晶閘管—電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖</p><p>　　單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；晶閘管對(duì)過電壓、過電

33、流和過高的dV/dt與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件；由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM器件如圖1.3所示，主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；功率開關(guān)

34、器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)60～70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。根據(jù)本此設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選PWM-M系統(tǒng)。</p><p>　　

35、在PWM-M系統(tǒng)中，用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，由于要求精度要高，故采用可逆。可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，考慮到精密加工對(duì)性能要求很高，采

36、用雙極式控制的橋式可逆PWM變換器，雙極式控制的橋式可逆PWM變換器具有電流一定連續(xù)；可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通[1]。綜上所述選雙極式控制的橋式可逆PWM變換器電路供電方案。</p><p>　　圖2.3　PWM系統(tǒng)的原理圖</p><p>

37、;　　2.2.2　系統(tǒng)控制方案選擇</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示，在整個(gè)系統(tǒng)中，主要包括轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)，其中外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。在設(shè)計(jì)過程中，主要是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。兩個(gè)調(diào)節(jié)器可以分為模擬的和數(shù)字式的，模擬調(diào)節(jié)器一般都是用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，在物理概念上比較清晰，控制信號(hào)流向也比較直觀，一般適合于學(xué)習(xí)入門，但模擬控制系統(tǒng)的控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線

38、路復(fù)雜、通用性較差，其控制效果往往受到器件性能和溫度等因素的影響。</p><p>　　圖2.4　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由于模擬控制系統(tǒng)存在這些缺點(diǎn)，并且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)方面，使得運(yùn)用微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為可能，并且可以達(dá)到比模擬控制系統(tǒng)更優(yōu)的控制效果。</p><p>　　圖2.5　采用微

39、處理器后的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖</p><p>　　如圖2.5所示的為運(yùn)用微處理器實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。在圖中可以看出，運(yùn)用了微處理器的系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上得到了很大的簡(jiǎn)化，這樣可以使制作成本降低。微機(jī)控制系統(tǒng)不受器件溫度漂移的影響、穩(wěn)定性好、可靠性高，提高了控制性能。通過軟件編程，進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，更改起來靈活方便。</p

40、><p>　　現(xiàn)在微處理技術(shù)發(fā)展相當(dāng)快，生產(chǎn)微處理器的生產(chǎn)廠商也很多，微處理器的型號(hào)層出不窮，他們性能各異，有通用型的，也有一些專用型的。如德州公司生產(chǎn)的的TMS320LF240X系列DSP芯片都是專用在控制電機(jī)方面的。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用不同的微處理器，有不一樣的方案，下面進(jìn)行討論，并最終選擇一種最適合的方案。 </p><p>　　8051是MCS-51系列單片機(jī)中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了

41、功能強(qiáng)大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21個(gè)專用控制寄存器、4kB的程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4組8位的并行口、兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器、一個(gè)全雙工的串行口以及布爾處理器[2]。</p><p>　　圖2.6　采用8051處理器控制的原理框圖</p><p>　　如圖2.6所以是采用8051處理器設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。本方案的優(yōu)點(diǎn)是選用了簡(jiǎn)單的處理器，資

42、源得到了充分的利用，不會(huì)造成太大的浪費(fèi)，成本比較低。在檢修方面也有一定的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)電路中的某一個(gè)模塊出了問題，只要對(duì)該模塊進(jìn)行修理或更換即可，其它的硬件可以繼續(xù)使用。該方案的主要不足是設(shè)計(jì)電路相對(duì)比較復(fù)雜，以軟件編程為代價(jià)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。</p><p>　　采用TMS320LF2407控制設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1.7所示。由圖中可看出，DSP處理器的集成程度較高，在這里用到了PWM、ADC、SPI和正

43、交編碼脈沖電路，省去了很多外設(shè)。PWM直接輸出到H型PWM變換器，</p><p>　　得以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；通過光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，測(cè)得的數(shù)據(jù)直接送到</p><p>　　圖2.7　采用DSP處理器控制的原理框圖</p><p>　　DSP處理器的正交編碼器進(jìn)行處理；利用霍爾傳感器主電路的電流，送到DSP處理器上集成的ADC，A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量，由D

44、SP處理器進(jìn)行處理；可以用帶SPI技術(shù)的接口鍵盤和數(shù)碼管顯示芯片與DSP處理器的SPI外設(shè)接口相接，進(jìn)而可以通過鍵盤給定速度，也可以進(jìn)行調(diào)速等操作，數(shù)碼管用來顯示當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速。這樣的設(shè)計(jì)方案在硬件結(jié)構(gòu)上得到了很大的簡(jiǎn)化，而且在軟件編程方面也帶來很大的方便，只須對(duì)一處理器內(nèi)部的一些寄存器進(jìn)行編程即可，大大縮短了開發(fā)流程。這與方案一相比主要是少了一些外設(shè)，不用設(shè)計(jì)專門的PWM控制電路，不需要選擇一個(gè)分辨率滿足系統(tǒng)要求的A/D轉(zhuǎn)換器以及對(duì)速

45、度檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蔚萚3]。</p><p>　　綜上所述的兩個(gè)方案，從控制的精確、快速、簡(jiǎn)單和題目的要求方面考慮，對(duì)雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)，選擇方案二進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.2.3　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要

46、求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長(zhǎng)。</p><p>　　若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)

47、最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋

48、，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能[4]。</p><p>　　與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動(dòng)態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中表現(xiàn)

49、出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性，在動(dòng)態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。</p><p>　　綜上所述，本系統(tǒng)用一臺(tái)DSP及外部擴(kuò)展設(shè)備代替模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、電壓記憶環(huán)節(jié)、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)DSP的控制。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。</p><p>　　圖2.8　DSP控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p>

50、;<p>　　2.2.4　系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　在此DSP控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號(hào)是通過模擬光電隔離器、A/D轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照已定的控制算法計(jì)算產(chǎn)生雙脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到直流PWM變換器的控制級(jí)，從而可以改變平均輸出電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度。IGBT正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。</p>

51、<p><b>　　第三章硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　硬件結(jié)構(gòu)由主電路和控制電路兩部分組成。主電路由三相不可控整流、H橋雙極性PWM電路、泵升電壓電路與直流電機(jī)構(gòu)成。H橋雙極性PWM電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生由DSPTMS320LF2407A控制輸出。轉(zhuǎn)速的檢測(cè)采用數(shù)字測(cè)速器。它

52、是用DSP讀取與電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸的光電編碼器輸出的脈沖數(shù)，經(jīng)DSP計(jì)算后得出轉(zhuǎn)速值。泵升電壓的控制經(jīng)與事先設(shè)定值比較后由DSP發(fā)出控制信號(hào)控制啟動(dòng)泵升電壓電路，進(jìn)行能量泄放，保護(hù)主電路。系統(tǒng)利用故障保護(hù)引腳產(chǎn)生的信號(hào)，及時(shí)封鎖4路PWM信號(hào)。該DSP控制系統(tǒng)有完善的保護(hù)體系。</p><p>　　圖3.1 DSP控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1.1　主電路選型&

53、lt;/p><p>　　電動(dòng)機(jī)的額定電壓為15V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。</p><p>　　3.1.2　整流電路選擇</p><p>　　整流電路是電力電子中出現(xiàn)的最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?。主要分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按

54、電路結(jié)構(gòu)分橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路[5]。 由于工廠為三相交流電源，這里選用三相橋式電路，三相橋式中有全控和不可控，雖然全控的性能好，單需要觸發(fā)電路，勢(shì)必會(huì)增加成本，在這里為了減少設(shè)計(jì)的成本和減少程序的編寫，在這里選用三相橋式不可控整流電路，電路圖如圖2.1。</p><p>　　圖3.2　電容濾波的三相橋式不可控整流

55、電路</p><p>　　3.1.3　PWM變換器設(shè)計(jì)</p><p>　　可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路。其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式。在第1章中已經(jīng)介紹了，這里選用雙極性，雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。</p><p>　　圖3.3　H型雙極可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p>

56、<p>　　圖3.3是H型雙極性可逆PWM的工作電路原理圖。4個(gè)開關(guān)組分成兩組，V1、V4為一組，V2、V3為另一組。同一組的開關(guān)管同步導(dǎo)通或通斷，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。使用時(shí)要注意加“死區(qū)”，避免同一橋臂的開關(guān)管發(fā)生直通短路。</p><p>　　在每個(gè)PWM周期里，當(dāng)控制信號(hào)Ui1高電平時(shí)，開關(guān)管V1、V4導(dǎo)通，此時(shí)Ui2為低電平，因此V2、V3截止，電樞繞組承受從A到B的正向電壓；當(dāng)

57、控制信號(hào)Ui1低電平時(shí)，開關(guān)管V1、V4截止，此時(shí)Ui2為高電平，因此V2、V3導(dǎo)通，電樞繞組承受從B到A的方向電壓，這就是所謂“雙極”。由于在一個(gè)PWM周期里電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化，因此雙極性控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓Ud計(jì)算公式為： </p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　由式（3.1）可見，雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞繞

58、組所受的平均電壓取決于占空比ρ大小。當(dāng)ρ=0時(shí)，Ud=-Us,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)ρ=-1時(shí)，Ud=Us，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)ρ=1/2時(shí)，Ud=0。電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。雖然此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，但電樞繞組中仍然有交邊電流流動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻振蕩，這樣振蕩有利于克服電動(dòng)機(jī)負(fù)載的靜摩擦，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用，提高了動(dòng)態(tài)性能[6]。</p><p>　　3.1.4　PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路</p>&

59、lt;p>　　在文章的第1章中，我已經(jīng)簡(jiǎn)明講述了調(diào)速系統(tǒng)的主電路主要由三相不可控整流電路和PWM變換器電路構(gòu)成。圖3.4所示是橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖。</p><p>　　圖3.4　橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖</p><p>　　PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用了電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓U。由于電容的容量較大，

60、接加電源時(shí)相當(dāng)于短路，勢(shì)必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電流Ra（或電抗），合上電源后，延遲開關(guān)將Ra短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。</p><p>　　濾波電容器往往在PWM裝置的體積和重量中占有不小的份額，因此電容器容量的選擇是PWM裝置設(shè)計(jì)中的重要問題。但對(duì)于PWM變換器中的濾波電容器來說，具作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由

61、于直流電流靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端的電壓升高，稱作“泵升電壓”。一般來說。是由電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。</p><p>　　而在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容量來限制泵升電壓，這時(shí)，可以采用圖3.4中的整流電阻Rb來消耗部分動(dòng)能。Rb的分流電路靠開關(guān)器件VTb

62、在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。</p><p>　　對(duì)于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋給電網(wǎng)。當(dāng)然，這樣一來，系統(tǒng)就會(huì)變得復(fù)雜多了，在這里也就不再介紹了。</p><p>　　3.1.5　直流電動(dòng)機(jī)DSP控制和驅(qū)動(dòng)電路 </p><p>　　圖3.5是根據(jù)控制原理所設(shè)計(jì)的用TMS320LF2407A DSP實(shí)

63、現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　圖3.5　直流電動(dòng)機(jī)DSP控制和驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　圖中采用了H型驅(qū)動(dòng)電路，通過DSP的PWM輸出引腳PWM1-PWM4輸出的控制信號(hào)進(jìn)行控制。用霍爾電流傳感器檢測(cè)電流變化，并通過ADCIN00引腳輸入給DSP，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流反饋信號(hào)。采用增量式光電編碼器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的速度變化，經(jīng)QEP1、QEP2腳輸入給DSP，獲得速

64、度反饋信號(hào)[3]。它還可以很容易地實(shí)現(xiàn)位置控制。</p><p>　　3.1.6　速度測(cè)量</p><p>　　速度檢測(cè)有模擬和數(shù)字兩種檢測(cè)方法。模擬測(cè)速一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，在調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的方向也是不可缺少的。不過模擬測(cè)速方法的精度不夠高，在低速時(shí)更為嚴(yán)重。對(duì)于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。&l

65、t;/p><p>　　光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對(duì)式和增量式兩種。絕對(duì)式編碼器在碼盤上分層刻上表示角度的二進(jìn)制數(shù)碼或循環(huán)碼，通過接受器將該數(shù)碼送入計(jì)算機(jī)。絕對(duì)式編碼器常用于檢測(cè)轉(zhuǎn)角，若需得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，必須對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分處理。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，如圖2.5所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤隨之一

66、起轉(zhuǎn)動(dòng)。通過光柵的作用，持續(xù)不斷地開發(fā)或封閉光通路，因此，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計(jì)算轉(zhuǎn)速。</p><p>　　圖3.6　增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖</p><p>　　上述脈沖序列正確地反映了轉(zhuǎn)速的高低，但不能鑒別轉(zhuǎn)向。為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對(duì)發(fā)光與接收裝置，使兩對(duì)發(fā)光與接收裝置錯(cuò)開光柵節(jié)距的1/4，則兩組脈沖序列A和B的相位相差90 o，如圖

67、2.6所示。正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相；反轉(zhuǎn)時(shí)B相超前A相。采用簡(jiǎn)單的鑒相電路就可以分辨出方向。</p><p>　　圖3.7　區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列</p><p>　　若碼盤的光柵數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速分辨率為1/N，常用得旋轉(zhuǎn)編碼器光柵數(shù)有1024、2048、4096等。采用倍率電路可以有效地提高轉(zhuǎn)速分辨率，而不增加旋轉(zhuǎn)編碼器的光柵數(shù)，一般多采用四倍頻電路[3]。</p>&

68、lt;p>　　采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測(cè)速方法有三種：M法、T法和M/T法。</p><p>　　（1）M法測(cè)速。在一定的時(shí)間Tc內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作M法測(cè)速。把M1除以Tc就得到了旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率f1=M1/Tc,所以又稱頻率法。電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生Z個(gè)脈沖（Z=倍頻系數(shù)×編碼光柵數(shù)），把f1除以Z就得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時(shí)間Tc以秒為

69、單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)r/min為單位，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　在上式中,Z和Tc均為常值,因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個(gè)數(shù)M1。高速時(shí)M1大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時(shí)M1將小于1，測(cè)速裝置便不能正常工作。所以M法測(cè)速只適用于高速段。</p><p>　?。?

70、）T法測(cè)速。在編碼器兩個(gè)相鄰輸出脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)，用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率為f0的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由此來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱為T法測(cè)速。在這里，測(cè)速時(shí)間緣于編碼器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。在T法測(cè)速中，準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間Tt是用所得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2計(jì)算出來的，即Tt=M2/f0，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為：</p><p><b>　　（3.3）</b></p><p>　

71、　高速時(shí)M2小，量化誤差大，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差減小，所以T法測(cè)速適用于低速段。</p><p>　?。?）M/T法測(cè)速。把M法和T法結(jié)合起來，既檢測(cè)Tc時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，有檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2，用來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作M/T法測(cè)速。設(shè)高頻時(shí)鐘脈沖的頻率為f0，則準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間Tt=M2/f0，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為：</p><p><b>　?。?.4）&

72、lt;/b></p><p>　　采用M/T法測(cè)速時(shí)，應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟與關(guān)閉，以減少誤差，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達(dá)時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器才同時(shí)允許開始或者停止計(jì)數(shù)。</p><p>　　由于M/T法的計(jì)數(shù)值M1和M2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于M法測(cè)速，最低速時(shí)，M1=1，自動(dòng)進(jìn)入T法測(cè)速。因此，M/T法測(cè)速能適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前

73、兩種，是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法[3]。</p><p>　　綜上所述，本系統(tǒng)的速度測(cè)量采用數(shù)字M/T法測(cè)速。其中利用T1作為定時(shí)器，計(jì)時(shí)Tc時(shí)間產(chǎn)生中斷，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1由P1.6口檢測(cè)，同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2由P1.7口檢測(cè)，最后由轉(zhuǎn)速中斷程序完成轉(zhuǎn)速的測(cè)量等等。</p><p>　　3.1.7 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　

74、由霍爾電流傳感器CS50-P和I/V變換電路組成。用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)電流，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線性關(guān)系，因此可以利用霍爾器件測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)出導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度。CS50-P是閉環(huán)電流傳感器。額定電流±3.7A，額定輸出電流50Ma，正好滿足設(shè)計(jì)要求，故選用該件。由霍爾電流傳感器測(cè)得的電流由I/V變換電路輸入給DSP引腳ADCIN00，形成電流環(huán)。</p><p>　　3

75、.1.8 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用雙極式H形可逆PWM變換器控制電機(jī)。四只IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組，VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓Ug1=Ug4；VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓Ug2=Ug3=-Ug1.本設(shè)計(jì)選用芯片M57215BL，四個(gè)M57215BL輸出四路信號(hào)分別控制觸發(fā)四個(gè)IGBT。M57215模塊是日本三菱公司較早推出的大功率三極管驅(qū)動(dòng)電路。該模塊

76、電路成熟，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，對(duì)外界環(huán)境要求不高，特別是電源適用范圍很廣。M57215模塊實(shí)際上是一塊厚膜電路，內(nèi)部集成了包括光電耦合器在內(nèi)的GTR驅(qū)動(dòng)電路。該模塊分兩種規(guī)格：M57215L主要用于AC200～220V線路中；M57215BL主要用于AC400～440V線路中。本設(shè)計(jì)選用M57215BL。該模塊能直接驅(qū)動(dòng)50A以下各種型號(hào)的GTR。當(dāng)外加一級(jí)放大電路時(shí)，可驅(qū)動(dòng)50A以上各種型號(hào)的GTR，應(yīng)用十分靈活。</p>&

77、lt;p><b>　　內(nèi)部原理圖如圖：</b></p><p>　　圖3.8 M57215 內(nèi)部原理圖</p><p>　　從圖中可以看出，其原理十分簡(jiǎn)單，從引腳1和2加入控制信號(hào)，由引腳5和6輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。</p><p>　　3.1.9 TMS320LF2407A DSP的結(jié)構(gòu)介紹</p><p>　　

78、TMS329LF2407A DSP屬于TI公司TMS329C2000系列定點(diǎn)DSP中的C24xx產(chǎn)品系列。該系列產(chǎn)品還有TMS329LF2401A、2402A、2403A、2406A和TMS329LC2401A、2402A、2404A、2406A。C24xx系列DSP兼容早期的C24xx系列DSP。其中“LF”代表內(nèi)Flash EPROM93.3V，“LC”代表低電壓CM9S（3.3V）。</p><p>　　

79、TMS320LF2407A DSP有如下特點(diǎn)：</p><p>　　由于采用了高性能的靜態(tài)CMOS制造技術(shù)，因此給DSP具有低功耗和高</p><p>　　速度的特點(diǎn)。工作電壓3.3V，有4種低功耗工作方式。單指令周期最短為25ns(40MHz),最高運(yùn)算速度可達(dá)40MIPS，四級(jí)指令執(zhí)行流水線。低功耗有利于電池的應(yīng)用場(chǎng)合；而高速度非常使用于電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。</p><

80、;p>　　（2）由于采用了TMS320C2xx DSP CPU內(nèi)核，因此保證了與TMS320C24x系列DSP的代碼兼容性。</p><p>　?。?）片內(nèi)繼承了32K字的Flash程序存儲(chǔ)器、2K字的單口RAM、544字的雙口RAM。因而使該芯片可用于產(chǎn)品開發(fā)?？删幊痰拿艽a保護(hù)能夠充分的維護(hù)擁護(hù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。</p><p>　?。?）提供外擴(kuò)展64K字程序存儲(chǔ)器、64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器

81、、64字I/O的能力。</p><p>　?。?）兩個(gè)專用于電動(dòng)機(jī)控制的時(shí)間管理器（EV），每一個(gè)都包含：2個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位脈寬調(diào)制（PWM）輸出通道；1個(gè)能夠快速封鎖輸出的外部引腳PDPINTx(其狀態(tài)可從COMCONx寄存器獲得)；可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能；3個(gè)捕捉單元；1個(gè)增量式光電位置編碼器接口。</p><p>　　（6）可編程看門狗定時(shí)器，保證程序運(yùn)行的

82、安全性。</p><p>　?。?）16通道10為A/D轉(zhuǎn)換器，具有可編程自動(dòng)排序功能，4個(gè)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源，最快A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns。</p><p>　　（8）32位累加器和32位中央算術(shù)邏輯單元（CALU）；16位×16位并行乘法器，可實(shí)現(xiàn)單指令周期的乘法運(yùn)算；5個(gè)外部中斷。</p><p>　　（9）串行借口SPI和SCI模塊。<

83、/p><p>　　（10）很寬的工作溫度范圍，普通級(jí)：-40℃~85℃；特殊級(jí)：-40℃~125℃。這些性能對(duì)于本次設(shè)計(jì)來說，具有非常重要的意義。</p><p>　　TMS320LF2407引腳介紹，此處只介紹與本設(shè)計(jì)相關(guān)的引腳。</p><p>　　TMS329LF2407A DSP的結(jié)構(gòu)才用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持分離的程序和數(shù)據(jù)總線。這樣的結(jié)構(gòu)使取指令、執(zhí)行

84、指令、數(shù)據(jù)傳送和外設(shè)控制可以并行進(jìn)行，因此可以擊打的提供工作速度。</p><p>　　2407A DSP 可以分成三部分：DSP內(nèi)核、存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖4.10所示。</p><p>　　DSP內(nèi)核是DSP的核心，它擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)運(yùn)算、信號(hào)處理的任務(wù)。它包括了累器、狀態(tài)寄存器S0和S1、中央算術(shù)邏輯單元CALU、輔助寄存器、乘法器、移位器臨時(shí)寄存器T和乘積寄存器P。</

85、p><p>　　存儲(chǔ)器包括了32K字的Flash程序存儲(chǔ)器、2K字的單口RAM和544字的雙口RAM（DAAM）。</p><p>　　外圍設(shè)備指的是DSP芯片中集成的除內(nèi)核以外的功能模塊，習(xí)慣上稱之為外設(shè)。它包括了事件管理器、ADC轉(zhuǎn)換器、SPI和SCI串行接口、 </p><p>　　CAN接口等。 </

86、p><p>　　其中，在這里特別說明一下事件</p><p>　　管理器，TMS320LF2407A中的時(shí)</p><p>　　間管理器（EV）是專門為電動(dòng)機(jī)控</p><p>　　制而設(shè)計(jì)的專用模塊。</p><p>　　下面具體介紹事件管理器的結(jié)構(gòu)功能：</p><p>　　TMS320LF24

87、07A DSP有兩</p><p>　　個(gè)相互獨(dú)立的事件管理器EVA和</p><p>　　EVB，結(jié)構(gòu)功能完全相同，每個(gè)都有 </p><p>　　16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位的PWM 圖4.10　TMS320LF2407A 模塊結(jié)構(gòu)</p><p>　　通道，三個(gè)比較單元，三個(gè)捕獲單元，兩路正交編碼脈沖電路QEP及計(jì)數(shù)方

88、向和外部時(shí)鐘輸入，16通道的10位的最小轉(zhuǎn)換時(shí)間375ns的A/D轉(zhuǎn)換器。由于事件管理器EVA和EVB，結(jié)構(gòu)功能一樣，下面就只介紹一下管理器模塊A（EVA）的結(jié)構(gòu)功能。</p><p>　　事件管理器A有Timer1和Timer2兩個(gè)通用定時(shí)器，它們有如下功能：</p><p>　?。?）作為常規(guī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器使用；</p><p>　　（2）用于在TxPWM引腳上

89、輸出頻率和脈寬可調(diào)的PWM波；</p><p>　?。?）與捕捉模塊結(jié)合測(cè)量CAPx引腳上的脈寬；</p><p>　?。?）定時(shí)器1與比較模塊配合產(chǎn)生死區(qū)可調(diào)的6個(gè)PWM控制信號(hào)；</p><p>　?。?）定時(shí)器2可服務(wù)于增量式光電編碼器接口，測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向、角位移和轉(zhuǎn)速；</p><p>　?。?）啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)速。</p>

90、<p>　　每個(gè)通用定時(shí)器包括：一個(gè)可讀寫的16位定時(shí)器增/減計(jì)數(shù)器TxCNT；一個(gè)可讀寫的16位定時(shí)器比較寄存器TxCMPR；一個(gè)可讀寫的16位定時(shí)器周期寄存器</p><p>　　TxPR；一個(gè)可讀寫16位的定時(shí)器控制寄存器TxCR；可選擇的內(nèi)部或外部時(shí)鐘；4可屏蔽中斷——下溢、上溢、定時(shí)器比較和周期中斷。</p><p>　　每個(gè)通用定時(shí)器有四種可選擇的操作模式：停止/

91、保持模式；連續(xù)遞增記數(shù)模式；定向增減記數(shù)模式；連續(xù)增減記數(shù)模式。利用這些操作模式可以產(chǎn)生周期可變和固定的各種鋸齒波及三角波。定時(shí)器比較寄存器和這些波形進(jìn)行比較就可以產(chǎn)生各種PWM輸出，稱之為波形發(fā)生器。</p><p>　　通過配置GPTCONA/B寄存器中的相應(yīng)位來規(guī)定高有效、低有效、強(qiáng)制高、強(qiáng)制低，這樣就可以控制波形發(fā)生器的輸出，以生成不同類型功率設(shè)備所需的PWM波形，每個(gè)通用定時(shí)器都提供一個(gè)獨(dú)立的PWM輸出

92、通道。</p><p>　　事件管理器A有3個(gè)比較單元，1個(gè)比較單元、1個(gè)比較控制寄存器COMCONx和一個(gè)比較方式控制寄存器ACTRx。每個(gè)比較單元都有一個(gè)比較寄存器CMPRx，以及2個(gè)PWM輸出引腳。這一套組合可以使事件管理器產(chǎn)生6個(gè)帶死區(qū)的PWM輸出，用于控制三相逆變橋。</p><p>　　比較單元的操作功能與定時(shí)器比較積存器的操作功能相似。當(dāng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值與比較單元的比較寄存器相

93、等時(shí)，就會(huì)在該比較單元的兩個(gè)PWM引腳上產(chǎn)生跳變（兩個(gè)引腳的跳變與比較方式寄存器ACTRx的設(shè)置有關(guān)），并經(jīng)過1個(gè)CPU時(shí)鐘后發(fā)出比較中斷申請(qǐng)。</p><p>　　比較單元受比較控制寄存器和比較方式寄存器控制，通過這些寄存器可以設(shè)置比較輸出是否允許、比較值和方式寄存器的重載條件、PWM引腳輸出方式等。</p><p>　　增量式光電編碼器是電動(dòng)機(jī)控制中的常用傳感器，用于測(cè)量電動(dòng)機(jī)輸出的角

94、位移和轉(zhuǎn)速等信息，作為閉環(huán)控制的反饋量。TMS320LF2407A DSP提供了與這種編碼器的接口電路。</p><p>　　在事件管理器A中，它的編碼器接口電路使用了定時(shí)器2作為可逆計(jì)數(shù)器，來計(jì)數(shù)編碼脈沖的個(gè)數(shù)。編碼脈沖通過2個(gè)引腳QEP1/CAP1和QEP2/CAP2輸入到芯片內(nèi)部。這兩個(gè)引腳是與捕捉單元1、2復(fù)用的引腳，因此在使用編碼器接口電路時(shí)，要禁止捕捉功能。</p><p>　

95、　編碼器接口電路利用輸入編碼脈沖的4個(gè)邊沿加工成4倍頻的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)和計(jì)數(shù)方向信號(hào)。4倍頻的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)有利于提高電動(dòng)機(jī)角位置和角位移信號(hào)的分辨率。計(jì)數(shù)方向信號(hào)自動(dòng)地控制定時(shí)器2的計(jì)數(shù)方向，而計(jì)數(shù)方向引腳TDIRA這時(shí)不起作用。</p><p>　　在事件管理器A模塊中，對(duì)增量式編碼器脈沖電路寄存器的設(shè)置如下：</p><p>　　將所需的值裝載到定時(shí)器2的計(jì)數(shù)器、周期和比較寄存器中；設(shè)置

96、T2CON為定向增/減計(jì)數(shù)方式，編碼脈沖電路作為時(shí)鐘源，并允許定時(shí)器2。</p><p>　　捕捉單元可用于測(cè)量捕捉引腳上輸入信號(hào)的兩個(gè)相鄰跳變間的時(shí)間間隔，因此可以測(cè)量輸入信號(hào)的頻率或周期。</p><p>　　事件管理器A模塊有三個(gè)捕捉單元，每個(gè)捕捉單元都有相應(yīng)的引腳CAPx，它們可以選擇定時(shí)器1或2作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，但CAP1、CAP2必須使用相同的計(jì)數(shù)時(shí)鐘。</p>&l

97、t;p>　　每個(gè)捕捉單元都有一個(gè)2級(jí)先入先出（FIFO）堆棧，分為頂層堆棧（CAPxFIFO）和低層堆棧（CAPxFBOT）。當(dāng)輸入引腳上的信號(hào)發(fā)生指定跳變時(shí)，捕捉單元自動(dòng)地將定時(shí)器的計(jì)數(shù)值（TxCNT）保存到堆棧中，并置中斷標(biāo)志位。頂層堆棧保存舊的計(jì)數(shù)值。當(dāng)對(duì)堆棧進(jìn)行讀操作時(shí)，總是讀取頂層堆棧的舊值，而同時(shí)低層堆棧自動(dòng)地進(jìn)入頂層堆棧，所以讀操作可以清空堆棧。捕捉單元有兩種寄存器，一個(gè)是捕捉控制寄存器（CAPCONA/B），另一個(gè)

98、是捕捉FIFO狀態(tài)寄存器（CAPFIFOA/B）。</p><p>　　3.1.10 鍵盤和顯示</p><p>　　HD7279A的選通端和CLK、DATA、分別于DSP的DSP CAP5/QEP4/IOPF0、DSP CLKOUT/IOPE0、DSP CAP6/IOPF1、DSP XINT2/ADCSOC/IOPD0相連。HD7279A是一片具有串行接口的，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管（

99、或64位獨(dú)立LED）的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示，鍵盤接口的全部功能。HD7279A內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼，并同時(shí)具有2種譯碼方式。HD7279A具有片選信號(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。本設(shè)計(jì)中前四位數(shù)碼管顯示給定速度，后四位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)速度。每位數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的二個(gè)鍵分別為增加鍵和減少鍵。</p><p>　　3

100、.2　主電路中參數(shù)計(jì)算</p><p>　　3.2.1　變壓器二次側(cè)電壓U2的計(jì)算</p><p>　　U2是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會(huì)無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會(huì)造成延遲角α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計(jì)算，即：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p

101、>　　式中Udmax --整流電路輸出電壓最大值；</p><p>　　nUT --主電路電流回路n個(gè)晶閘管正向壓降；</p><p>　　C -- 線路接線方式系數(shù)；</p><p>　　Usk --變壓器的短路比，對(duì)10～100kVA，Usk =0.05～0.1；</p><p>　　I2/I2N--變壓器二次實(shí)際工作電流與額定之比

102、，應(yīng)取最大值。</p><p>　　在要求不高場(chǎng)合或近似估算時(shí)，可用下式計(jì)算，即： </p><p>　?。?.6） </p><p>　　式中A--理想情況下，α=0 °時(shí)整流電壓Ud0與二次電壓U2之比，即A=Ud0/U2；B--延遲角為α?xí)r輸出電壓Ud與U

103、d0之比，即B=Ud/Ud0；</p><p>　　ε--電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)；</p><p>　　1~1.2——考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用公式2.6,</p><p>　　由表查得 A=2.34；取ε = 0.9；α角考慮10 °裕量，則 B= cos α = 0.985</p>&l

104、t;p>　　取U2=8 V。電壓比K= U1/U2= 380/8 =47.5。</p><p>　　3.2.2　一次、二次相電流I1、I2的計(jì)算</p><p>　　由表查得 KI1 = 0.816，KI2 = 0.816</p><p>　　考慮變壓器勵(lì)磁電流得：</p><p>　　3.2.3　變壓器容量的計(jì)算</p>

105、<p>　　S1=m1U1I1； （3.7）</p><p>　　S2=m2U2I2； （3.8）</p><p>　　S=1/2(S1+S2)；

106、 （3.9）</p><p>　　式中m1、m2 --一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；</p><p>　　由表查得m1=3，m2=3</p><p>　　S1=m1U1I1=3×380×0.05=57 VA</p><p>　　S2=m2U2I2=3×8×2.448=58.752 VA</p>

107、;<p>　　S=1/2(S1+S2)=1/2（57+58.752）=57.876 VA</p><p>　　3.2.4　二極管整流橋VD1- VD6的選擇</p><p>　　考慮到工廠的交流電電壓值變化較大，其上限值取25V×(1+5%)=26.25V，其幅值電壓可達(dá)26.25×1.414=37V[8]。山于整流橋中的二極管在承受反向電壓時(shí)由兩只二極管

108、串聯(lián)承擔(dān)，因此，選取耐壓為50V、電流為2.5A的整流橋完全可保證安全工作。</p><p>　　3.2.5　輸入濾波電容C0的選型研究</p><p>　　當(dāng)交流電源停電或漏電一個(gè)周期波形時(shí)，一般希望整流輸出電壓能維持一定時(shí)間后再開始下降，取電源輸出的保持時(shí)間td=10ms。根據(jù)能量守恒定律，在td期間輸出的能量是由輸入電容C1釋放供給的，由公式：