电气传动计算机控制实验预习报告

南通大学电气工程学院电气传动计算机控制实验预习报告第一次实验实验名称_基于DSP的直流电机PWM调速控制_____学院:电气工程学院班级:_研15电气_____姓名:__潘高超_学号:__15120017____预习成绩:_____________审阅老师:_吴晓_实验时间:年月日实验一基于DSP的直流电机PWM调速控制一、实验目的1.了解PWM控制直流电机的工作原理和控制方法；2.通过改变占空比来改变转速的方式实现直流电机PWM控制调速；3.用DSP设计直流电机PWM调速控制系统。二、实验仪器设备与器件仪器设备名称规格型号编号备注DSP实验装置TMS320F2812无刷直流电动机计算机VisualC++6.0三、实验原理分析1.直流电机控制原理直流电机是指将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。其结构由定子和转子两大部分组成，定子的主要作用是产生磁场，而转子的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽。直流电动机根据是否配置常用的电刷-换向器可以分为两类，包括有刷直流电机和无刷直流电机，本实验中采用的便是无刷直流电动机。无刷直流电机是近几年来随着微处理器技术的发展和高开关频率、低功耗型电力电子器件的应用，以及控制方法的优化和低成本、高磁能极的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机，它既保持了传统直流电机良好的调速性能，又具有无滑动接触和换向火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点。无刷直流电动机的结构主要由电动机本体、电子开关线路和位置传感器三部分组成，如图1所示。定子绕组一般制成多相（三相、四相不等），而转子由永磁材料按一定极对数（p=2、4、…..）组成。无刷直流电动机电动机本体位置传感器电子开关线路电动机定子电动机转子传感器定子传感器转子功率逻辑开关位置信号处理图1无刷直流电动机的组成框图要让电动机转起来，首先就必须根据位置传感器感应到电机转子所在位置，依照定子绕线决定开启（或关闭）换流器中功率晶体管的顺序，使电流依序流经电机线圈产生顺向（或逆向）旋转磁场，并与转子磁铁相互作用，使电机顺时（逆时）转动。当电机转子转动到位置传感器感应出的另一组信号的位置时，又会再次开启下一组功率晶体管，如此往复循环，电机就可以以同一方向继续转动直至电机转子停止。当电机转动起来后，就会由PWM来决定电机转速的快慢。2.PWM直流调速原理PWM调速方法通常采用功率晶体管作为主开关元件，通过改变开关元件的导通方式及通断比来改变输出电压的大小与极性。以图2为例，VT的控制门极由脉宽可调的脉冲电压gU驱动，在一个开关周期内，当10tt时，gU为正，VT饱和导通，电源电压sU通过T加到直流电动机电枢两端。当Tt1t时，gU为负，VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。直流电动机电枢绕组两端电压波形如图3所示。因此，直流电动机电枢两端平均电压为1dsstUUUT改变占空比（01），即可改变直流电动电枢平均电压。又因为ddeUIRnC可以实现直流电动机的调压调速。MUsUgCUd+-IdEVTVD图2不可逆直流电机PWM调速系统电路原理图U0USTt1t2t图3PWM调速控制输出电压波形而改变占空比的方式主要有以下三种方式：(1)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(或频率)也随之改变。(2)调宽调频法：这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T(或频率)也随之改变。(3)定频调宽法：这种方法是使周期T(或频率)保持不变，而改变t1和t2。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，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，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。3.TMS320F2812DSP引脚信号TMS320F2812通过设置PWM11和PWM5的工作方式和状态，可以将它们当成通用I/O引脚使用。4.基于DSP的直流电机PWM控制事件管理器（EVA）中有3个比较单元（比较单元1、2和3），事件管理器（EVB）中也有3个比较单元（比较单元4、5和6），每个比较单元都有2个相关的PWM输出，比较单元的时钟基准都由通用定时器1和3提供，比较单元作为PWM信号输出的辅助电路，主要用来控制信号处理器的PWM输出的占空比。与比较单元相关的PWM电路其PWM波形的产生由寄存器控制。寄存器设置为：（1）设置和装载ACTRx寄存器；（2）如果使能死区，则设置和装载DBTCONx寄存器；（3）设置和装载T1PR或T3PR寄存器，即规定PWM波形的周期；（4）初始化CMPRx寄存器；（5）设置和装载COMCONx寄存器；（6）设置和装载T1CON和T3CON寄存器，来启动比较操作；（7）更新CMPRx寄存器的值，使输出的PWM波形的占空比发生变化。5.控制系统结构框图速度调节PWM控制无刷直流电动机给定速度位置检测位置参数电流调节图4控制系统结构框图如图4所示为直流电机PWM调速控制的控制系统结构框图，可以看出，这是一个开环结构，被控对象为三相无刷直流电动机，调节器为速度调节和电流调节，两者实行串级连接，而控制器的部分采用的是PWM控制。6.控制系统硬件电路TMS320F2812DSP转子位置传感器驱动电路逆变电路无刷电动机电源部分图5控制系统硬件框图该系统的硬件主要由电源部分、控制部分、驱动及逆变电路部分等构成，实验中选用的主控芯片是TMS320F2812，它是专为控制应用设计的一款DSP芯片，具有最大150MHz（1.9V内核电压）的时钟频率，可以在一个周期内对任何内存地址完成读取、修改、写入操作，它主要负责控制运算、模拟采样等工作。其中驱动电路采用的是H型桥式电路，如图6所示。VT1VT2VT4VT3VD1VD4VD3VD2MABUb1Ub2Ub3Ub41234+Us图6驱动电路7.控制系统软件流程如图7所示为控制系统软件流程图。开始初始化：DSP时钟初始化中断寄存器、定时器初始化ICETEK—CTR，直流电机使能初始化PWM11和PWM5输出控制键盘检测键盘输入“9”？键盘输入7或8改变方向？改变PWM5状态如输入1-6则根据输入调整占空比中断服务程序开始计数器加1，从0-99比较计数器与占空比的当前值设置PWM11引脚的状态中断服务程序结束关闭ICETEK—CTR使用设备退出是否图7软件流程图四、实验步骤设计1、按照图8硬件接线图进行连接；2、打开工程文件；3、编译并且下载程序；4、运行并观察程序运行结果：开始运行程序后，电机以中等速度转动（即占空比为50%）在小键盘上按“+”键即可使电机转速增加，按“-”键即可使电机转速减慢，按”Enter”键即可使电机停止转动，按“R”键能使电机顺时针转动，而”L”键能使电机逆时针转动。5、结束程序运行，退出软件。图8硬件接线图五、思考题1.实验中能让电机启动的最小占空比是多少？答：30%2.如果采用闭环结构，控制系统又该如何设计？