DSP应用技术论文要点.pdf

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1、京江学院 JINGJIANG COLLEGE OF J I A N G S U U N I V E R S I T Y 2016-2017 学年第 1 学期 DSP应用技术 论文题目 ：基于 DSP 的电机控制方法研究 专业班级 ：J 电气 1303 学生姓名 ：男神 学生学号 ：41311270 完成日期 ：2016 年 11 月 2 日 电气信息工程学院 目 录 摘 要 1 概述 1 直流电动机的拉制原理. 2 系统硬件设计. 4 系统软件设计. 5 矢量控制的基本原理. 6 矢量控制在三相永磁同步伺服电机中的应用. 6 硬件部分 . 7 软件部分 . 7 试验结果 . 9 试验结论 .

2、9 参考文献 . 9 平时作业 . 10 - 1 - 摘 要 介绍 DSP的发展和在对电机控制方面的优势和电动机在控制领域的应用。着 重说明了如何利用DSP 来实现对直流电机 , 交流异步电机等的控制。因DSP具有 灵活的指令集 ; 内在的操作灵活性 ; 高速的运算能力 ; 改进的并行结构 ; 有效的成 本, 使得 TMS320 系列成为很多处理应用的理想选择“ 通过简单的介绍其控制电路 的功能来详细说明了电动机专用DSP的应用。通过对电动机专用DSP的应用的分 析来引出直流电动机的DSP控制, 在此章中详细的描述了直流电动机的控制原理 和直流电动机的DSP控制方法 , 包括硬件和软件上的配置

3、等。描述了交流异步电 动机的 DSP控制。首先介绍了交流异步感应电动机变频调速原理, 通过其原理引 出 SPWM 的控制技术，然后用DSP系统来实现 SPWM 波的生成 , 从而起到利用 DSP 来控制交流异步电动机的转速控制。然后描述了永磁同步伺服电机控制。通过介 绍矢量控制的基本原理来研究基于DSP的永磁同步伺服电机的控制包括硬件和 软件部分。 关键词 : 电动机；控制原理； DSP控制 概述 电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和 人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务 和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电

4、子产品（如电冰箱，空调，DVD 等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九 十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与 人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动 机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序 控制。这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂 控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流 电机一直占据着调速控制和位置控

5、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、高质高效平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其他电动机的挑战，但 到目前为止，就其性能来说仍然无其他电动机能比。 在直流调速控制系统中，可以采用各种控制器，DSP 是其中的一种选择。由于DSP 具 有高速运算性能， 因此可以实现诸如模糊控制等复杂的控制算法。另外它可以产生有死 区的 PWM 输出，所以可以使外围硬件最少。 - 2 - 基于 DSP的电机控制方法研究 直流电动机的拉制原理 根据他励直流电动机的等效电路, 可以得出直流电动机的数学模型。电压 平 衡 方 程 如 下 : )/( UdtdIIIRE aaaaaa（ 1 ） ,

6、其 中 感 应 电 动 势 为: ne KEa （2）中n从以上两式可得电动机的转速n的表达式： kdtdIIIRU eaaaaa n/)/(（3） 直流电动机的电磁转矩为:I a KTTM （4） 转矩平衡方程式:)/(dtdJTLTM（5） 由上式可得 , 直流电动机的转速控制方法可分为两类: 对励磁磁通中进行控 制的励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时, 通过调整励磁电流来改变励 磁瓷通 , 从而实现调速的。这种调速法的调速范围小 , 在低速时受磁极饱和的限制, 在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制, 并且励磁线圈电感较大, 动态响 应较差 , 所以这种控制方式用的很少。 电枢电

7、压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下, 通过调整电枢电压来实现 调速的。在调速时保持电枢电流不变, 即保持电动机的输出转矩不变, 可以得到具 体的恒转矩特性的大的调速范围, 因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。 励磁控制法和对电枢电压Ua进行控制的电枢电压控制法。 励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时, 通过调整励磁电流来改变励 磁瓷通 , 从而实现调速的。这种调速法的调速范围小 , 在低速时受磁极饱和的限制, 在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制, 并且励磁线圈电感较大, 动态响 应较差 , 所以这种控制方式用的很少。电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的 情况下 , 通过调整电枢

8、电压来实现调速的。 在调速时保持电枢电流不变, 即保持电 动机的输出转矩不变, 可以得到具体的恒转矩特性的大的调速范围, 因此大多数 应用场合都使用电枢电压控制法。 - 3 - 图 1 他励直流电动机的等效电路 对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和 驱动中 , 对半导体器件的使用上可分为两种方式: 线性放大驱动方式和开关驱动 方式。 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是 : 控制原理简单、输出波动小、线性好、对邻近电路干扰小。但是功率器件在线性 区工作时会将大部分电功率用于产生热量, 效率和散热问题严重, 因此这种方式 只用于数瓦以下的

9、微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流电动机采用开关驱 动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态, 通过脉宽调制 (PWM) 来控制电动机电枢电压 , 实现调速。 图中是利用开关管对直流电动机进行PWM 调速控制的原理图和输入输出电 压波形。 图 2PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形 - 4 - 在PWM 调速时 , 占空比 Q是一个重要参数 “ 以下三种方法都可以改变占空比的 值: 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也随之改变。 调宽调频法 : 这种方法是保持论不变 , 只改变 tl, 这样使周期 T也随之改变。 定频 调宽法 :

10、 这种方法是保持周期T 不变, 而同时改变 t1 和 t2 。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期, 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 , 因此这两种方法用的很少。 目前在直流电机的 控制中主要是使用定频率调宽法。 TMS320LF2407A 电动机专用 DSP集成了 PWM 控制信号发生器 , 它可以通过调 整事件管理器的定时器控制寄春存器来设定PWM 工作方式和频率 , 通过调整比较 值来调整PWM 的占空比 , 通过调整死区控制寄存器来设定死区时间, 通过专用的 PWM 输出口输出占空比可调的带有死区PWM 控制信号 , 从而省去了其他控制器所 用的外围

11、 PWM 波发生电路和时间延时电路。 电动机专用 DSP的高速运算功能可以 实现直流电动机的实时控制, 通过软件实现名副其实的全数字控制。从而省去了 外围的 PID 调节电路和比较电路。 系统硬件设计 控制部分 控制部分的核心器件是TMS32OF2812, 制作时使用了一块工CETEK 一 2812 一 B板(带 2812的 DSP开发板 ), 除带 DSP外, 还有一颗电源管理芯片 , 将外接别转为 3.3V 为系统供电。 2812 从电机处采集转速、电流反馈信号和位置反馈信号,DSP 综合这三个信号输出对外的控制信号。从驱动部分反馈的过流信号是一个0、1 信号,DSP在工作时始终监视这一信

12、号, 一但监视到 1, 即表示电机过载 , 则立即给 出一个让电机停止转动的信号, 以免损坏电机和调速器。 DSP 输出的转速控制信号是一个数字量, 用 D/A将此数字 , 量转换成电压量给 MC33035用以调速。系统中选用了12 位的串行D/A(TLV5616), 后加一级放大 (LM358), 使输出电压可根据不同电机的要求进行放大。MS320F2812 与 PC间的通 信是通过 485 总线完成的。 在工业控制中 ,485 总线应用非常普遍 , 传输距离远而 且性能稳定 , 所以本系统选择 485 总线进行传输。 驱动部分 驱动部分的控制核心是MC33035, 驱动器是 IRZ183和

13、 IRGP50B6OPDI。 MC33035 作为驱动部分的控制核心, 根据电机霍尔反馈的位置信号, 分辨出电机转子的位 置, 以控制工 GBT的开关。虽然 IGBT具有优越的通态特性 , 但要将 IGBT瞬间完全 关断仍不容易。调试时发现, GBT关断时的一点点毛刺, 就会导致电机发热甚至烧坏“ 这就要求在电路设 计上采取相应的措施 , 如在 IR2183 输出端与工 GBT连接的地方串接一电阻等 “在 PCB布板走线时更要严格注意 , 布局要对称。电机转速的调节是MC33035 的 n 脚 ( 误差信号放大器同向输入端)接受控制部分给出的控制电压, 根据此电压的不同 , 内部产生脉宽调制

14、(PWM) 信号, 控制 3 个下侧驱动输出 , 通过改变输出脉冲宽度来 改变工 GBT导通时间的长短 , 从而调节电机的转速。 显示部分 显示部分的主控元件是AT89C51,显示部分与驱动部分之间通过AT89C51和 - 5 - 2812的串行口 ( 即用通信方式 ) 传递指令。 同时显示部分所需的5v 电源由控制部 分提供。这里转速的采集是用AT89C51的计数端去采集霍尔输出的脉冲信号, 将 此信号换算成频率后送七段数码管显示, 在此 AT89C51担当了一个频率计的功 能。系统让用户通过键盘输入转速, 而不是通过电位器调节。因为电位器输出的 是一个模拟量 , 通过 2812 内部集成的

15、 A心来采集这个电压量时并不稳定, 会略微 地漂移 , 这种略微的漂移会导致转速较大的波动。为了避免这种波动 , 本系统使用 了全数量的键盘 ,AT89csl 从键盘读入数字量 , 然后将此量通过通信口传给2812, 以实现全数字无级调速控制。 系统软件设计 系统软件设计思想是通过不断采集电机转速, 与给出的速度指令相比较后, 利用 PID 算法, 同时综合滤波算法 , 不断修正速度误差 , 直到采集到的电机转速与 系统给定的转速相同 , 程序就认为系统已经入锁了。系统控制时始终监视电机电 流和位置反馈 , 一旦出现异常 , 就启动相应的报警机制 , 并让电机停止转动程序软 件框图如图 3 所

16、示： 图 3 程序软件框图 - 6 - 矢量控制的基本原理 在目前的电力传动系统中 , 直流传动系统具有很高的动态性能这主要是直流 电动机的励磁回路和电枢回路是相互独立的, 主磁场和电枢磁场在空间上相差, 能独立地调节两个磁场中的一个来进行调速, 而交流电动机的励磁电流和负载电 流都在定子电路内 , 无法将它们分开 , 主磁场和转子电流磁场间的夹角与功率因 素有关 , 无法通过调节一个磁场来调速。交流异步电动机的三相静止绕组U、V、 W通以交流三相电流iu,iv,iw,产生旋转磁势 F。然而产生同样的磁势F 并不一 定非要三相 , 用两个相互垂直的静止绕组。 B通以两相对称交流电流101!i

17、倪, 同 样可以产生相同的旋转磁势F。同样 , 如果选择相互垂直且以角频率旋转的d、q 两相旋转绕组 , 在其中通以直流idl 、iql,也可以产生根同的旋转磁势F“电流 iu,iv,iw,101存在着确定的对应关系。从而实现三相静止坐标系到两相静止坐 标系的转换 , 即 U、V、W坐标系到 “, 乃坐标系变换 (C1arke 变换)。电流 101、i 与 idl 、iql之间也存在着确定的变换关系, 从而实现。乃两相静止坐标系到d!q 两相旋转坐标系之间的坐标转换, 即 Park 变换其示意图如图l 所示。 站到旋转坐 标系上观察 ,d 和 q绕组是通以直流的静止绕组, 如果控制交流异步电动

18、机转子总 磁链 WZ 的方向和 d 轴方向一致 , 则旋转坐标系上的 d轴绕组相当于直流电动机的 励磁绕组 ,q 轴绕组相当于直流电动机的电枢绕组, 从而使交流异步电动机的转 矩和磁场控制完全能够模拟直流电动机的转矩和磁场控制, 实现真正意义上的解 祸控制 , 这就是目前通用的矢量控制技术。 矢量控制在三相永磁同步伺服电机中的应用 系统组成 图 4PMSM 伺服系统 - 7 - 如图 4 所示系统 PMSM 伺服系统主要由四部分组成:PMSM电动机 ! 功率变换 器、位置检测器和控制电路“ 其中功率变换电路是用工RZ132和 IPM 模块组成 , 位置检测单元是由高精度编码器实现, 其分辨率为

19、光码盘辨率为2048p/r“ 控制 电路是整个系统的核心 , 由 TMS320F2812实现 , 包括速度控制器 ! 电流控制器 ! 换 相控制电路 !PWM 电路以及速度检测电路等单元。为了提高操作的实用性 ! 易用性 , 系统还配置了键盘和液晶显示器, 还可以通过 RS232口与上位机进行通讯。 硬件部分 硬件部分用 DSP 加 IPM智能功率模块 (IGBTCPV363M4K) 来实现 , 其中 DSP 部分 采用了德州仪器公司 (Tl) 最新推出的 TMS32OF2812“TMS320F2812DSP实现了高性 能数字信号处理器 (DSP)与高精度模拟及闪存的完美结合。它的主要性能有:

20、 a.15OM工 PS的执行速度使得指令周期缩短为6.67ns, 从而提高了控制器的 实时控制能力。 b. 高性能的 32位 CPU,单周期 32x32MAC 操作, 这种单周期性操作是微处理器 本质的变革。 e. 基于 C/C+ 高效 32 位 TMS320C28xDSP核心, 与 TMS320F24x/LF24Ox 程序代 码通用 , 并支持 DSP/BIOS实时操作。 d. 片内存储器空间为 36kxsbit,内含 128kFLASH 可用于在开发及对现场软件 进行升级时的简单再编程，有125bit 加密位。 e. 结合了 32位数字处理能力 , 由独特的 -IQ 一 math.程序库支

21、持 , 该函数库可 显著简化多应用开发, 这种结合使设计人员在几秒钟内就可将浮点算法通过端 E1与定点处理器相连 ) 比在传统 16位设备中的数学算法转换速度快得多。 f.12位 ADc,16 通道, 最快转换速度 :80ns, 并且其双采样装置可在紧密的控 制环路中提供关键的支持。 g. 包括两个 EV模块, 每个 EV模块包括通用定时器 , 全比较单元 ,CAP和 GEQ 电路“ 这两个 EV模块可以驱动 2 个三相电机或者 4 个两相电机。 软件部分 本系统的软件在结构上可分为主程序和伺服控制程序, 其中伺服控制程序由 4 个部分组成 :PWM 定时中断程序光电编码器零脉冲捕获中断程序、

22、功率驱动保 护中断程序和通讯中断程序。主程序流程图如图5 所示. - 8 - 图 5 主程序流程图 主程序只完成系统硬件和软件的初始化任务, 然后处于等待状态 . 完整的磁 场定向实时矢量控制算法用PWM 定时中断服务程序中实现。 PWM 定时中断程序的 流程图如图 6 所示。 - 9 - 图 6PWM 定时中断流程图 通讯中断程序主要用来接收并刷新控制参数, 同时设置运行模式 ; 光电编码 器零脉冲捕获中断程序可实现对编码器反馈零脉冲精确地捕获, 从而得到交流永 磁同步电机矢量变换定向角度的修正值; 功率驱动保护中断程序则用于检测智能 功率模块的故障输出 , 当出现故障时 ,DSP的 PwM

23、 通道将被封锁 , 从而使输出变成 高阻态。 试验结果 使用示波器观察到的A、B两相稳态电流波形，图片的上半部分为A相电流 波形，下面为 B相电流波形，其横坐标为时间轴，纵坐标为电流，其每一格的大 小分别为 10ms和 10A。理论上稳态时电流呈现出正弦周期规律变化。图中A、B 两相电流的波形正好验证了这一点。 试验的结论 实验所得到的结果与在matlab/simulink仿真环境下得到的结果基本一致， 验证了硬件电路及软件设计的合理性，也说明了本次永磁同步电机驱动系统的研 究的正确性和可行性。 参考文献 1 韩保广 . 马达控制领域的DSP应用 . 电子产品世界 ,1997,(7):2930

24、 2杨 贵 杰 . 集 成DSP 电 机 控 制 器ADMC331与TMS32OC24O的 比 较 J.微 特 电 机,2000,(4):25 28 3 黄正谨 .CPLD系统设计技术入门与应用=M8.北京 : 电子工业出社 ,2002.23-24 4 安向阳 , 沈庭芝 .基于 DSPTMs32onM642 的 H.264 视频编码的实现和优化J 微计算机信 息,2005,21(7一 2):128一 130. 5 秦 继 荣 , 沈 安 俊 . 现 代 直 流 伺 服 控 制 技 术 及 其 系 统 设 计 =Ml. 北 京 : 现 代 工 业 出 版 社,2002.45-46 6 张燕宾

25、.SPWM 变频调速应用技术=Ml. 北京 : 机械工业出版社.2003.45一 56 7 张雄伟 , 曹铁勇 .DSP芯片的原理与开发应用( 第 2 版)Ml.北京 : 电子工业出版社,2000.35 一 37 8 沈本荫 . 现代交流传动及其控制系统M8. 北京 : 中国铁道出版社,1997.25一 26 9 苏奎峰 , 吕强 , 耿庆锋 , 等.TMS320F2812 原理与开发7M. 北京 : 电子工业出版社,2006.34 一 37 10 徐邦荃 , 李浚源 , 詹琼华 . 直流调速系统与交流调速系统=Ml. 武汉 : 华中科技大学出版 社,2000.78一 79 - 10 - 平时作业 - 11 - - 12 - - 13 -