基于DSP直流电机控制(20121021)

DSP在电气工程中的应用基于DSP的直流电机控制班级：电气0904姓名：邢志兵学号：30905010992012年10月摘要直流电机由于其优越的性能被广泛的加以应用。而随着新材料的新工艺的发展直流电机的控制也不断得到完善。现在在电机控制领域得到DSP的大力支持，取得了巨大的成就。本设计采用美国TI公司专门为电机数字化控制设计的16位定点DSP控制器TMS320LF2407作为微控制器。该芯片集DSP信号高速处理能力及适用于电机控制优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制技术提供可靠高效的信号处理与控制硬件。电机的控制系统是由检测装置、主控制器、功率驱动器以及上位机组成，其中DSP控制器是电机控制系统的关键部分，负责对电机的反馈信号进行处理并输出控制信号来控制电机的转动。论文首先论述了直流电机的基本工作原理，组成环节，运行特性及其分类。根据控制系统的控制要求，选用DSP240作为驱动电机控制芯片。根据直流电机的特点和DSP芯片的功能，提出了基于DSP的直流电机控制方案。然后根据设计方案的要求对控制系统的软件和硬件做了详细的论述。关键词：直流电机，单片机,数字信号处理（DSP）一、概述1.1课题研究目的及意义：长期以来，直流电机一直占据着速度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，高质高效的平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其它电动机的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍无其它电动机可比。在控制系统的构成上，本课题对硬件电路进行了设计，而这个硬件系统具有一定的通用性，也即可以将它作为一个硬件平台，在其它过程控制中应用。另外，由DSP的特点量身订做，可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计，进而来构成硬件系统，这样既便于设计思想的物化，又使得设计系统更加紧凑，不浪费资源。本直流电机控制系统采用经典的数字增量式PID控制算法，在本文中对数字增量式PID控制的理论、设计和实现进行了较为详细的论述。1.2课题研究现状：近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。除了人们己经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等。另一方面，由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高，如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子。在实际中，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是“运动控制”。运动控制使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展。电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想，因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加用户也不断提高对电机控制技术的要求[5]。总是希望能在驱动系统中集成更多的功能，达到更高的性能。许多设备试图使用8位或是准16位的微处理器实现电机的闭环控制，然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现。例如，在很多领域（如工业、家电和汽车），用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机。这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现。但是这可能超出上述微处理器的计算能力。使用高性能的数字信号处理器（DSP）来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前较为普遍的做法。将一系列外围设备如模数转换器（A/D）、脉宽调制发生器（PWM）和数字信号处理器（DSP）集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的DSP芯片。近年来，各种集成化的一单片DSP的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好，价格却大幅度降低。低端产品的价格已接近单片机的价格水平，但却比单片机具有更高的性能价格比。越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机己成熟。1.3课题研究的内容以及方法介绍：本文主要研究基于DSP的直流电机控制系统，通过控制算法和调速方法的分析，利用电机调速、DSP芯片控制、上位机通信、按键模块等的基本原理及相关知识，实现对电机的速度控制。整个系统的基本思想就是利用DSP内部资源产生可控制的脉冲控制整流电压，改变串入主回路中的直流电动机的电磁转矩，实现电动机的转速调节。研究内容包括如下：（1）电机控制系统功能实现的分析；（2）控制算法与调速方法的分析与设计；（3）电机驱动、电源模块、按键模块、测速、显示模块的硬件设计与实现；（4）系统主程序、按键扫描、控制算法、测速、电机速度控制等程序的分析、设计与实现；（5）电机控制系统整机测试与实现；二、直流电机原理直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。2.1直流电机的结构由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要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，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。2.1.1.定子（1）主磁极图1.11—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。（2）换向极换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如8.6所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，图8.5主磁极的结构换向极的数目与主磁极相等。（3）机座电机定子的外壳称为机座，见图8.4中的3。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；1—主磁极2—励磁绕组3—机座二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。（4）电刷装置电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图8.7所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。图1.6换向极图1.7电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—刷辫1—换向极铁心2—换向极绕组2.1.2.转子(电枢)（1）电枢铁心电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图8.8(a)所示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。（2）电枢绕组电枢绕组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变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图8.9所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。（3）换向器在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向图8.9电枢槽的结构片的紧固通常如图8.10所示，换向片的下部做成鸽1—槽楔2—线圈绝缘3—电枢导体尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘螺母锁紧。4）转轴转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。图8.10换向器结构1—换向片2—连接部分图8.11单叠绕组元件1—首端2—末端3—元件边4—端接部分5—换向片三、直流电机的励磁方式3.1．他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励或自激直流电机，一般直接称作励磁方式为永磁。3.2．并励直流电机并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。3.3．串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。3.4．复励直流电机复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是他励和串励，其它励磁方式，在电子工业的不断完善下将逐渐被淘汰，直流发电机的主要励磁方式有他励、并励和复励方式。四、基于DSP直流电机控制方法4.1.1DSP芯片选择直流电机的调速控制系统一般采用电机专用微处理器，其种类主要包括复杂指令集CISC处理器如工NTEL196MX系列单片微控制器，精简指令集RISC如日立公司SH704x系列单片微控制器，哈佛结构DSP处理器如TI公司T145320F24X系列DSP。一般用于直流电机控制的徽处理器性能要满足以下几个方面：（1）指令执行速度；（2）片上程序存储器、数据存储器的容量及程序存储器的类型；（3）乘除法、积和运算和坐标变换、向量计算等控制计算功能；（4）中断功能和中断通道的数目；（5）用于PWM生成硬件单元和可实现的调制范围以及死区调节单元；（6）用于输入模拟信号的A/D转换器；（7）价格及开发环境。DSP一般采用哈佛或者改进的哈佛结构，程序空间和数据空间分离，程序的数据总线和地址总线分离，数据的数据总线和地址总线分离。这种结构允许同时访问程序指令和数据，在同一机器周期里完成读和写，并行支持在单机器时钟内同时执行算术、逻辑和位处理操作，极大地提高了执行速度，并且电机控制专用DSP具备丰富的设备和接口资源。TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影响、最为成功的数字