参考基于2812dsp（数字信号处理器）的数字化电机调速平台研究

安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计(论文)任务书 课题名称基于 2812DSP 的数字化电机调速平台研究 学 院 电气信息学院 专业班级电子信息工程 081 姓 名董必陈 学 号 089064183 毕业设计(论文)的主要内容： 1、学习并掌握电机调速的原理、作用、调速方法和实现手段； 2、掌握 TMS320F2812DSP 芯片性能指标、结构特点、片上外设及其开发平台； 3、进行电机调速系统方案设计，构建基于 TMS320F2812DSP 的调速系统结构框 图； 4、进行基于 TMS320F2812DSP 的电机调速系统硬件电路设计； 5、进行基于 TMS320F2812DSP 的电机调速系统软件程序设计与调试； 6、整理总结毕业设计工作内容，撰写毕业论文。 起止时间： 年月日 至月日共周 指指 导导 教教 师师 签签 字字 系系 主主 任任 签签 字字 院院 长长 签签 字字 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 I 装 订 线 基于基于 2812DSP 的数字化电机调速平台研究的数字化电机调速平台研究 摘 要 随着电力电子技术、计算机技术、自动控制理论的迅速发展，电机的数字化控 制已成为广泛研究的对象。本论文设计了基于 DSP 的数字化小功率电机调速平台， 可以用于小功率直流电机、交流电机的调速研究。 本设计以德州仪器的 TMS320F2812 为主控芯片，其外围电路主要包括电机驱动 模块、按键控制模块、检测模块、液晶显示模块。电机驱动模块是对 F2812 输出的 PWM、SPWM 信号进行功率放大，以驱动电机；按键控制模块通过按下不同按键来 调整电机的转速和方向；检测模块包括信号采样与调理电路，光电编码器测速电路； 液晶显示模块用来显示检测来的电压、电流、转速等数据。 软件系统是硬件系统的支撑，该系统软件部分主要由 DSP 初始化程序、转速检 测程序、电压电流检测程序、PWM 脉宽调速程序和 SPWM 变频调速程序组成。 DSP 初始化程序包括系统初始化、中断模块初始化等；转速检测程序利用 DSP TMS320F2812 内的正交编码脉冲模块采用 M 法完成测速；电压电流检测程序通过 DSP 高速 AD 采样通道，完成采样处理和分析功能，最后在液晶上显示所得数据； PWM 和 SPWM 调速程序通过对 EV 模块的寄存器进行不同的设置，结合按键控制 完成调速。 关键词：关键词：数字化；电机调速；DSP；PWM；SPWM 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 II 装 订 线 Research on digital motor speed control platform based on TMS320F2812 Abstract With the development of power electronic technology, computer technology and the theory of modern control, the digital control of motor has become the object of extensive research. In this paper, design a low-powered digitized platform of motor speed regulation based on DSP. It can be used for low-power DC motor, AC motor speed control. Texas instruments TMS320F2812 as the main controller chip in this design, Its periphery circuit includes motor driver module, button control module, detection module, liquid crystal display module. Motor driver module need to process the PWM and SPWM signal output of F2812 in order to drive motor. Button control module by pressing different keys changes the motor speed and direction. The detection module includes voltage and current sampling circuit, and optical encoder circuit. The liquid crystal display module is used to display the detected voltage, current, speed and other data. Through the software programming，it realizes DSP initialization, the function modules and motor control. The software system is the support of the hardware system. The software part of the system includes DSP initialization procedures, speed testing procedures, the voltage and current testing procedures, the PWM pulse width speed control program, and SPWM VVVF program. DSP initialization process includes a system initialization, interrupt module initialization; speed detection program within the DSP TMS320F2812 quadrature encoder pulse module using M method to complete the tachometer; voltage and current testing procedures by the DSP high-speed AD sampling channel, complete sample processing and analysis functions, and finally the data displayed on the LCD; PWM and SPWM speed control program through the different settings of the EV module registers, and combine of buttons to complete speed control. Key words: digitization; motor speed regulation; DSP; PWM; SPWM 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 III 装 订 线 目 录 摘摘 要要I ABSTRACT.II 目目 录录.III 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 电机调速简介1 1.2 电力电子技术发展1 1.2.1 电力电子器件的发展.1 1.2.2 变流技术的发展.2 1.2.3 控制技术的发展.2 1.3 交流调速系统的发展3 1.4 课题研究背景与目的4 1.5 主要工作内容4 第二章第二章 电机调速系统概述电机调速系统概述5 2.1 电机调速系统结构组成和分类5 2.1.1 开环调速系统.5 2.1.2 闭环调速系统.5 2.2 电机调速方法5 2.2.1 直流电机调速方法.5 2.2.2 交流电机调速方法.7 2.3 电机调速控制方法9 2.3.1 PWM 控制.9 2.3.2 SPWM 控制.9 2.3.3 SVPWM 控制10 2.4 实现手段11 第三章第三章 系统方案设计系统方案设计12 3.1 设计功能与需求分析12 3.2 控制器选择12 3.3 系统整体结构设计14 3.4 TMS320F2812 功能特点.15 第四章第四章 系统硬件设计系统硬件设计19 4.1 主控制电路19 4.1.1 DSP 电源电路 .19 4.1.2 DSP 复位电路 .19 4.1.3 DSP 时钟电路 .20 4.1.4 JTAG 接口电路.20 4.2 信号采样和调理电路21 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 IV 装 订 线 4.3 转速检测电路23 4.4 功能选择按键电路24 4.5 电机驱动电路25 4.6 液晶显示电路26 第五章第五章 系统软件设计系统软件设计28 5.1 DSP 软件开发工具28 5.2 主程序结构及流程图30 5.3 DSP 初始化程序31 5.3.1 系统初始化程序.31 5.3.2 IO 口初始化.32 5.3.3 中断模块初始化.32 5.4 转速检测程序33 5.5 电压电流检测程序34 5.6 PWM 控制调速程序34 5.7 SPWM 变频调速程序35 5.8 相关实验36 5.8.1 AD 采样实验.36 5.8.2 PWM 产生实验.36 5.8.3 SPWM 产生实验.38 5.8.4 液晶调试实验.39 第六章第六章 总总结结40 参考文献参考文献41 致谢致谢42 附录附录43 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 1 装 订 线 第一章 绪论 1.1 电机调速简介 上世纪 70 年代以前，由于直流传动调速系统的性能指标远远优于交流传动调速 系统，所以在调速领域，直流传动调速系统一直在调速领域占居首位。交流调速系 统的方案虽然有很多发明并得到实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相 匹敌，只能用在不调速的领域里。 随着生产的发展，速度可调成了传动装置的一项基本要求，并且，除了满足一 定的调速范围和连续可调的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。直 流电机虽然可以满足这些要求，但它在容量、体积、制造、成本、运行和维护等方 面都不及交流电机，所以长期以来人们一直希望能开发出交流调速电动机代替直流 电动机。 进入 70 年代以来、随着电力电子技术和现代控制理论的提出和迅速发展，促进 了电机调速系统的迅速发展。电动机调速从直流发电机-电动机组调速、静止晶闸管 整流器直流调压调速逐步发展到交流感应电动机变频调速，变频调速又由 VVVF 的 变压变频控制的 PWM 变频调速发展到了矢量控制变频调速，通过控制交流电动机 里相当于并励直流电动机励磁绕组的磁通变化，提高变频器的恒转矩输出范围和动 静态特性，使得交流电动机变频调速性能超过了直流电动机调压调速性能。目前在 调速传动领域，交流调速取代直流调速，数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。 交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及 改善运行环境的一种重要手段。变频调速以其高效率，高功率因数以及优异的调速 和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 1.2 电力电子技术发展 电力电子技术就是使用电力半导体器件及电子技术对电气设备的电功率进行变 换和控制的技术。它以实现“高效率用电和高品质用电”为目标，是一门综合电力 半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等许多科学的交叉学科。 它主要包括三个方面的内容： 元器件（电力电子器件、磁元件及电容器等） 电力电子变流技术，包括变频、变压、变流和变换相数等。 控制技术、微电子与电力电子技术结合，实现智能控制。 1.2.1 电力电子器件的发展 近些年来，随着半导体制造技术和变流技术的发展，一代一代的电力电子器件 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 2 装 订 线 相继出现，第一代电力电子器件属于半控型器件，主要是各类晶闸管，第二代电力 电子器件主要是可自关断器件，包括：电力晶体管（GTR） 、可关断晶闸管（GTO） 、 电力场效应晶体管（MOSFET）等。而现在和未来电力电子半导体研究的热点是智 能功率集成电路和高压集成电路的工艺和制作技术， 如功率集成电路（PIC） ，它把 驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起的功率集成器件。 1.2.2 变流技术的发展 电力电子器件的更新也引发了变流技术的发展。变流技术按功能分为： 整流器把交流电变为固定的或可调的直流电 逆变器把固定直流电变为固定或可调的交流电 斩波器把固定的直流电压变成可调的直流电压 交流调压器把固定交流电压变成可调的交流电压 周波变流器把固定的交流电压和频率变成可调的交流电压和频率 1.2.3 控制技术的发展 控制可以分为开环控制和闭环控制两类。 开环控制较简单，常用于对电机控制要求比较低的场合，主要分为以下三种方 式：在额定频率以下，采用定子电压补偿的恒转矩变频调速（即定子电压与其频率 之比为常数） 、在额定频率以上的定子电压常数的恒功率变频调速及保持定子电流不 变的恒电流变频调速。而闭环控制比较复杂往往用于一些控制要求较高的场合。由 于反馈参数的不同及其控制算法的不同，直接影响到整个调速系统的性能和成本。 主要有以下几种控制算法： (1) PID控制 PID控制是最常用电机调速闭环控制的方法，其鲁棒性非常好。它不仅可以用于 基本的速度、转矩、位置控制，还可以用于halman观察模型控制中。 (2) Deadboat Deadboat主要应用于那些要求建立时间很短的系统中。因为应用这种闭环控制 方法，需要的计算量较少。另外，还常用于自适应系统中。 (3) 状态变量反馈控制 状态变量模型中，是用一个矩阵的形式来代表整个系统的。这个矩阵代表了系 统中各个变量之间的关系。状态变量反馈控制主要用于要同时控制多个变量的场合。 总的来说，状态变量反馈控制可以非常准确的控制整个系统的运行状况。但是真正 要做到同时让多个变量都达到要求还是十分困难的。 (4) 模糊控制 模糊控制是用人们的长期经验或实验的结果作为控制依据的一种控制方法。使 用这种方法，人们可以不需要建立复杂的系统数学模型。但是其控制过程需要进行 大量数学运算，使用普通的微处理器是无法完成这些计算工作的。从上面的介绍可 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 3 装 订 线 以看出，不同的系统，根据其对电机控制的精度、响应速度、系统成本等要求的不 同，其采用的算法也是不同的。 1.3 交流调速系统的发展 交流调速系统大致经历过以下几个阶段： 1调压调速系统：调压调速过去常用的方法是在定子回路串入饱和电抗器，或 在定子侧加自耦调压器，存在的问题是调速不灵活，效率低。晶闸管元件出现后， 由于它几乎不消耗铜铁材料，体积小，控制方便，用晶闸管功率变换器来完成馈送 任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管组成的调压 器，通过控制触发脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流 调压器的主要形式。但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压波形不是 电网提供的完整的工频电压波形，因此产生了成分复杂的谐波。 2串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种 经济、高效的调速方法。改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同电阻以获 得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但调速是有级 的，不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低。自大功率电力电子器件问 世后，人们采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了 由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。由于晶闸管的 逆变角可以平滑连续的改变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。另外转差功率 又可以通过逆变器回馈到交流电网，提高了效率。串级调速的缺点是功率因数较低， 采用强迫换流、改进型三相四线逆变器、逆变器的不对称控制以及转子直流回路加 斩波器控制等，可以提高功率因数。其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸 管(GTO )构成，这样可省去关断晶闸管用的储能电路，使逆变电路简单，体积小。 3变频调速系统：变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广 最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从60年代提出的电 压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。 在变频调速系统出现的初期，其控制技术是采用电压频率协调控制（即V/F比为 常数） 。在改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机磁通保持一定，在广范围 内调速运行。 70年代初德国的F.BLASCHKE提出的矢量控制理论解决了交流电机矢量转矩控 制问题。这种理论的核心是将一台交流电机等效为直流电机来控制，因而获得了与 直流调速系统同样优良的动态性能。经过各国科技工作者努力，矢量变换控制的变 频调速方法已广泛地应用于电气传动系统中。 80年代的中期，德国的DEPENBROCK又提出了直接转矩控制的理论，其思路 是把交流电机与逆变器看作一个整体对待。采用空间电压矢量分析方法进行计算， 直接控制转矩，免去了矢量变换的复杂计算。控制系统结构简单，便于实现全数字 化。 近10多年来，在矢量控制变频调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 4 装 订 线 变频调速，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速 度传感器，提高控制系统的可靠性，降低成本。 这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随 着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、MOS控制晶 闸管M TC、绝缘门极晶体管IGBT 及HVIGBT（耐高压IGBT）等具有自关断能力全 控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采 用微机控制，从而使变频装置的快速性、可靠性及经济性不断提高。 1.4 课题研究背景与目的 电机调速算法在不断改进和发展，如何把理论的算法结合到实践中去，让学生 快速有效地学习和掌握一个电机调速算法，成为本次研究的课题。对于学习者来说， 一个控制理论的掌握程度，必须通过实验来加深。由于学校实验室条件有限，过去 只能通过仿真软件进行仿真，观察理论算法是否能通过，并没有通过真正的硬件电 路实验来检验。硬件电路实验和软件仿真存在着很大的差别，而且硬件电路系统的 稳定性和可靠性对控制算法的正确性有很大的影响。 研究电机调速平台的目的，就是设计一套通用的稳定可靠的电机调速试验系统， 为学习人员提供一个能快速掌握并加深理解电机调速的硬件平台。该硬件系统能完 成对多种电机的驱动，能实现直流电机的PWM调速，以及交流电机的SPWM变频调 速。 1.5 主要工作内容 本设计以TI公司的32位定点DSP芯片TMS320F2812为核心设计硬件和软件系统。 TMS320F2812的最高频率达150MHz，指令周期6.67ns，八级流水线操作，具有很强 的运算能力，很适合于复杂的控制算法的实现和电机控制的高实时性要求。同时它 又有丰富的外设资源，既可以减少外围电路的复杂程度，又可以扩展很多功能。在 DSP外围扩展电流检测电路和转速测量电路则可以帮助系统实现转速闭环和电流闭 环的算法，设计液晶显示电路和按键控制等电路模块则使系统可以有良好的观测和 控制界面。因此该系统的硬件部分要包括TMS320F2812主控制电路、电压电流检测 电路、转速测量电路、按键控制电路、液晶显示电路等以及电机驱动电路。软件是 硬件系统的支撑，本系统的软件系统包括DSP初始化程序、功能模块程序和电机控 制程序。 本设计完成的工作内容主要归纳如下： （1）系统硬件设计。在TMS320F2812为核心的开发板基础上，设计了电机驱动 电路，电压电流检测电路、转速测量电路、液晶显示电路等。 （2）系统软件设计。编写了DSP编写程序，包括DSP初始化程序、转速检测程 序、电压电流的AD采样程序、液晶显示程序和电机控制程序。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 5 装 订 线 第二章 电机调速系统概述 2.1 电机调速系统结构组成和分类 电机调速系统主要由控制器、驱动电路、电机三部分组成。根据需要，可以在 其基础上添加其他部分电路，例如：检测电路，显示电路，反馈电路等，构成一个 比较复杂的电路。电机调速系统可分为开环调速系统、闭环调速系统。 2.1.1 开环调速系统 图2-1所示为开环调速系统结构框图，开环调速系统无反馈回路，结构简单，成 本较低。但是系统静特性差，控制精度低，容易受到外界的干扰。 控制器驱动电机 图图2-1 开环调速系统结构开环调速系统结构 2.1.2 闭环调速系统 图2-2所示为闭环调速系统结构框图，闭环调速系统结构复杂，但是调速性能好， 系统特性曲线较硬，一般采用转速、电流双闭环控制。 控制器驱动电机 检测 图图2-2 闭环调速系统结构闭环调速系统结构 2.2 电机调速方法 电机主要分为直流电机和交流电机，对应有不同的调速方法。 2.2.1 直流电机调速方法 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 6 装 订 线 由电机学基本理论1可知，直流电动机转速特性方程式为 （2-1） e UIR n K 式中：n转速（r/min） ； U电枢电压（V） ； I电枢电流（A） ； R电枢回路总电阻（W） ； 励磁磁通（Wb） ； Ke由电机结构决定的电动势常数； 由上式可见，直流电动机调速方案可有以下三种。由转速n的表达式可以看出， 式中U、R、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动 机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻R；(2)改 变电枢电压U；(3)改变励磁磁通。 （1）改变电枢回路电阻调速 n0 n 3 n2 n1 nN n IILO R1 R2 R3 Ra 图图 2-4 调阻调速特性曲线调阻调速特性曲线 如图 2-4，总电阻 R 越大，特性线斜率越大，机械特性越软。若负载转矩为 TL，对应所需的电枢电流为 IL，则负载大小不变时，总电阻越大，转速越低。由于 电阻耗能大，机械特性软，调速范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求 不高的场合。 （2）改变电枢电压调速 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 7 装 订 线 U3 U2 U1 UN IL n0 n3 n2 n1 nN n IO 图图2-5 调压调速特性曲线调压调速特性曲线 如图2-5，额定励磁保持不变，理想空载转速 随U减小而减小，各特性线斜率不 变，由此可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬 度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用。 （3）改变励磁磁通调速 3 2 1 N n3 n2 n1 nN n0 n TLTeO 图图 2-6 磁调速特性曲线磁调速特性曲线 普通电动机在额定磁通下运行，铁芯已接近饱和，不能再增加磁通而只能减小。 如图 2-6， 减小，n0增大，特性线斜率也增大。弱磁调速虽然能实现平滑调速， 但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。 2.2.2 交流电机调速方法 三相异步电动机转速公式1,7为： (2-2) 60 (1) f n ps 其中：f定子电压频率； p电动机极对数； 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 8 装 订 线 s转差率。 从上式可见，通过改变定子电压频率，改变电动机极对数以及改变转差率，都 可以实现电动机的速度调节，具体可以归纳为变极调速、变转差率调速、变频调速， 其中变转差率调速又可分为定子调压调速、转子串电阻调速、串级调速、电磁转差 离合器调速10。 （1）变极对数调速 这种调速方法是用改变定子绕组的接合方式来改变笼型电动机定子极对数达到 调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与 调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用 于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵 等。 （2）定子调压调速 当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不 同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范 围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电 阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串 联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以 达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前 常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调 压方式为最佳。调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制； 调压过程 中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于100KW 以下的生产机械。 （3）转子串电阻调速 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低 的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便， 但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。 （4）串级调速 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的 转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附 加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利 用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多 采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机 械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转 速7090的生产机械上； 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶 闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 本方法适合于风机、水泵及轧钢机、 矿井提升机、挤压机上使用。 (5）电磁转差离合器调速 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 9 装 订 线 如果磁极内励磁电流为零，电枢与磁极之间没有任何电磁联系，磁极与工作机 械静止不动，相当于负载被脱离；如果磁极内通入直流励磁电流，磁极即产生磁场， 电枢由于被异步电动机拖动旋转，因而电枢与磁极间有相对运动而在电枢绕组中产 生电流，并产生力矩，磁极将沿着电枢的运转方向而旋转，此时负载相当于被合上， 这一力矩产生的原理与异步电动机相似，因此电枢与磁极之间也必定存在转差，故 称转差离合器。电磁转差离合器的主要特点是控制简单,运行可靠、能平滑调速，采 用闭环控制后可扩大调速范围，运用于通风类或恒转矩类负载;其缺点是低速时损耗 大，效率低。 （6）变频调速 根据异步电机的转速关系：n = 60f/p(1-s)，当极对数p不变时，电动机转子转速n 与定子电源频率f成正比，因此连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节 电动机的转速，这种调速方法称为变频调速，它完全不同于前面提到的各种调速方 式。变频调速具有较好的调速性能，是现代交流调速方法中具有重要意义的一种调 速方法。 异步电动机变频调速具有调速范围广。平滑性较高、机械特性较硬的优点,可以 方便地实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电机调压调速和弱磁调速十 分相似，并可与直流调速相比美。目前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方 式， 在很多领域都获得了广泛地应用。随着一些新技术新理论在异步电功机变频调 速中的应用，如矢量控制、无速度传感器技术等，它将向更高性能、更大容量以及 智能化等方向发展。 2.3 电机调速控制方法 目前，广泛应用于电机控制的方法有脉宽调制信号（PWM）控制、正弦脉宽调 制信号（SPWM）控制、空间矢量脉宽调制信号（SVPWM）控制。 2.3.1 PWM 控制 脉宽调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基 极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能 使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模 拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最 广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了 学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控 制技术发展的主要方向之一。 2.3.2 SPWM 控制 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 10 装 订 线 所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比 按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。三相SPWM 是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频领域被广泛的采用。 SPWM的产生原理是：用一组等腰三角波与一个正弦波进行比较，其相交的时 刻作为开关管的“导通”或“关断”的时刻。等腰三角波称为载波，正弦波称为调 制波。正弦波的频率和幅值是可控制的，改变正弦波的频率，就可以改变输出电源 的频率，从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波和载波的 交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变了输出电压，通过生成的SPWM 信号来控制逆变器的开关管，从而实现电动机电源的变频。图2-7为SPWM产生原理 图。 O O u u t t SPWM 波 载波 调制波 图图2-7 SPWM波原理波原理 2.3.3 SVPWM 控制 SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想 磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波， 以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出 发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机 看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 11 装 订 线 普通的三相全桥是由六个开关器件构成的三个半桥。这六个开关器件组合起来 （同一个桥臂的上下半桥的信号相反）共有8种安全的开关状态. 其中000、111（这 里是表示三个上桥臂的开关状态）这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的 电流，因此称其为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量。它们将360度的 电压空间分为60度一个扇区，共六个扇区，利用这六个基本有效矢量和两个零量， 可以合成360度内的任何矢量。 当要合成某一矢量时先将这一矢量分解到离它最近的两个基本矢量，而后用这 两个基本矢量去表示，而每个基本矢量的作用大小就利用作用时间长短去代表。用 电压矢量按照不同的时间比例去合成所需要的电压矢量。从而保证生成电压波形近 似于正弦波。 2.4 实现手段 产生PWM、SPWM、SVPWM的方法有多种多样，总体归纳为硬件法和软件法。 硬件法就是采用专用的集成芯片或模块构成模拟电子电路来生成 PWM、SPWM、SVPWM信号，设计、制造与调试都很麻烦，成本也高。随着电子 技术的发展，高性能的微处理器不断涌现，运算速度大大加快，存储容量增加，运 算精度也随之提高。采用高性能的微处理器控制，用软件实现产生 PWM、SPWM、SVPWM信号，使硬件电路规范化，从而降低了成本，提高系统的 可靠性，而且还可以进一步实现更复杂的控制技术。因此以微处理器为核心的数字 控制运用于电机调速系统中，具有很大的优越性： 1) 控制器的硬件电路标准化程度高、成本低、可靠性高。 2) 控制软件可以根据需要替换、修改或移植，灵活性大，稳定性好。 3) 信息存储、诊断和检控的能力不断提高，随着CPU运算速度的存储容量的提 高，能够实现各种新型的复杂控制策略。 4) 通讯能力强。一般地，系统设计都会考虑到通讯接口设计，通过接口传输数 据，实现交互式控制，可以在上位机对工业现场进行监控，而且可以方便地组成大 规模的工业控制网络，并进一步将先进的信息技术运用于运动控制系统中，实现智 能远程控制。 早期用于电机控制的微处理器是各种类型的单片机，如Intel公司的51系列和196 系列单片机，都得到了广泛应用。这类单片机具有丰富的硬件和软件资源，也可以 用于实时控制，但是当需要大量数据计算处理或浮点运算，对快速性要求较高时， 则能力不足，主要是在模拟量数字化时产生量化误差，影响控制精度和平滑性，其 次是在按采样周期离散化后，会影响控制的实时性，甚至造成闭环系统的不稳定。 为了进一步提高运算速度，特别是对具有复杂的控制方案和数据计算的场合，80年 代初出现了数字信号处理器(DSP)，目前最常用的则是德州仪器公司(TI)的TMS320 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 12 装 订 线 系列DSP。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 13 装 订 线 第三章 系统方案设计 3.1 设计功能与需求分析 本课题要求完成电机的调速功能，当前流行的交直流电机调速方法有直流脉宽 控制和变频调速，因此系统需要有 PWM 产生模块，同时系统需要对电机的转速、 电压等进行检测，以实现闭环控制，这就需要有数据处理功能的微控制器，数据的 采集需要 AD 转换的功能，大多微控制器都可以产生 PWM，并具有数据处理能力。 由于微控制器出来的信号不足以直接驱动电机，在电机与控制器之间有电机驱动电 路。总体结构如图 3-1 所示。 控制器 电机驱动电机 检测 显示 功 能 设 置 图图 3-1 调速系统的一般结构调速系统的一般结构 3.2 控制器选择 数字化调速是采用高速的微处理器来控制输出到电机的电流和电压，从而达到 用户所需要的工作状态来控制电机运转。使用数字化调速，控制精度高，效率高， 方案灵活，操作简单，适用于各种类型的电机。而且还可以方便的实现软启动控制， 设定电机速度曲线运行等等用户所需要的特殊功能。表3-1为模拟控制与数字控制的 比较，可以看出数字控制在调整、稳定性和精度等方面都优于模拟控制。因此数字 化变频调速早已成为电机控制的发展趋势。 表表3-1 模拟控制与数字控制的比较模拟控制与数字控制的比较 项目模拟控制数字控制 稳定性、精度 易受温度变动、器件老化 及器件离散性的影响 不易受温度变动、器件老 化及器件离散性的影响 调整 有时需要再调整，调整点 多且繁杂，可微调 基本上不需要再调整，调 整点少 器件数量多少 分辨率（电压、频率、速 度） 能连续变化，可进行微小 控制，但稳定性较差 由微机比特数决定，可高 可低 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 14 装 订 线 表表3-1（续）（续） 模拟控制与数字控制的比较模拟控制与数字控制的比较 项目模拟控制数字控制 运算速度并联运算，高速 为离散系统，决定于离散 时间和处理时间 抗干扰性 易受干扰影响，用滤波器 难以完全除去 如果抑制在数字IC变化水 平以下，不易受干扰影响 灵活性和可升级性 不易升级 更灵活，多数情况下系统 升级只需要修改微处理器 的软件即可 随着人们对电机控制要求的进一步提高及半导体行业的迅速发展，出现了以 DSP（Digital Signal Processor）即数字信号处理器为核心的专用电机控制芯片。于是 就有了如图3-2所示的基于DSP的电机控制系统。 + PWM 输出 命令控制器驱动器 电机 负载 传感器 AD DSP 图图 3-2 基于基于DSP控制器的电机控制系统控制器的电机控制系统 从图中我们可以看出，电机控制系统的大部分元件集成在了一块DSP控制芯片 中，进一步简化了电机系统的设计，同时也提供了更佳的调速性能。如今各种型号 的DSP控制器在数字化电机调速中已大量使用。 美国的TI公司于1997年推山了用于控制系统的TMS320C24X系列数字信号处理 器芯片，这一高度集成化的器件代表了传统微处理器及通用DSP处理器方案的重大 突破。C24X系列DSP芯片是16位定点微处理器，峰值速度达40MIPS。内含 RAM、FLASH、SCI、SPI、A/D转换器、事件管理器、CAN总线接口等模块，减少 了外围芯片使用量，具有实时算术运算能力，减少了存储器查表工作量，并可降低 系统费用及产品成本。网此，自C24X系列DSP出现以后，它在交流传动领域的应用 非常广泛。 TI公司又于2003年底推出了该公司最先进的专门用于运动控制系统的 1Ms320F2812型32位定点DSP芯片。它具有成本低、功耗小、性能高的特点，与24X 系列DSP芯片代码兼容的同时，TMS320F2812还具有运算速度更快，外设集成度更 高，数据以及程序存储量更大的特点，因此本设计采用了TMS320F28x作为主控芯片。 在表3-2中对2812与2407作了比较。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 15 装 订 线 表表3-2 2812与与2407的比较的比较 项目TMS320F24xTMS320F28x CPU16位处理器32位处理器 电压 3.3V内核和IO供电，Flash的 烧写电压为5V。IO与内核上 电次序没有关系 3.3V给IO供电，Flash的烧写电压 为3.3V，内核电压为1.8V或 1.9V。必须IO先上电，然后给内 核上电。 总线频率最大40MIPS 最大150MIPS（内核电压1.9V） 或者135MIPS（内核电压 1.8V） 程序下载编程器下载编程器下载、串口、SPI 内部程序/ 数据空间 32K Flash，1.5KRAM，544 字DARAM和2K字SARAM 128K Flash，18K SARAM，1K OTP ROM 外部扩展 存储器 64K字程序存储器空间， 64K字数据存储器空间， 64K字I/O寻址空间，共192K 字空间 可扩展4M程序/数据存储器空间 时间管理 器 16位定时器，一个光电码盘 接口 32位定时器，两个光电码盘接口 AD10位12位 SCI一个，没有缓冲单元两个，有缓冲单元 CAN标准CAN，符合2.0B协议 增强CAN和标准CAN，符合2.0B 协议 MCBSP没有有 编程语言C、汇编C、C+、汇编 寄存器的 保护 没有有 3.3 系统整体结构设计 调速硬件平台要具备通用性，一方面要做到既能驱动直流电机，也可以驱动交 流电机，另一方面这个平台应该能支持多种调速方法，例如变频调速，矢量控制算 法等。另外该平台要有很强的可操作性，用户可以用多种手段进行控制，例如用液 晶和键盘控制。 综上所述，本课题设计的电机调速平台整体结构如图3-3所示： 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 16 装 订 线 QEP3、QEP4 DSP TMS320F2812 EV 模 块 直流电机 驱动电路 直流 电机 转速 检测 液晶 显示 电源 电路 JTAG 接口