基于DSP的波形发生及监控系统计_开题报告

1、 南京工程学院 毕业设计开题报告课 题 名 称：基于DSP的波形发生及监控系统计姓 名： 刘 欢 班 级： 电科技 111 指 导 教 师： 黄 坚 所 在 系 部： 计算机工程学院 专 业 名 称： 电子信息科学与技术 南京工程学院2015年 3 月18日说 明1根据南京工程学院毕业设计(论文)工作管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见、教研室审查，系教学主任批准后实施。2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。

2、其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于2000字，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。5开题报告检查原则上在第24周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。毕业设计(论文)开题报告学生姓名刘欢学 号专 业电子信息科学与技术指导教师姓名黄坚职 称教授所在系部计算机工程学院课题来源自拟课题课题类型DSP课题名称基于DSP的波形发生及监控系统设计毕业设计的内容和意义1.毕业设计的内容：本课题查找原始材料，经过细致的

3、需求分析，开发一个以数字处理器（Digital Signal Processor， 简称 DSP)为核心的监控系统，该系统可产生正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，简称SPWM）波形；对电压、电流等参量进行检测，并根据检测的结果调整SPWM波形的参数。本项目要求学生具备DSP系统开发方面的知识，以及SPWM波形发生、电参量检测及数据通信等方面的知识。还需运用这些知识构建一个系统。该系统应具备SPWM波形发生、电参量检测、数据传送和显示等功能。2.毕业设计的意义随着电子产业的飞速发展，DSP将越来越广泛的运用在我们的日常生活中，尤其是在通信领域，DS

4、P更是一种不可缺少的工具。而DSP在工业中也得到了广泛的应用，其中基于DSP的SPWM波形发生器在工业控制中尤为常见，可以用它来控制各种电机、电力电子设备、逆变器等。从应用范围看，基于DSP的SPWM波形发生器的市场前景广阔随着DSP芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化方向发展， SPWM 波形发生器日益用于人们的生活，在未来相当长的一段时间，我国在这方面的研发将蓬勃发展。因此，普及SPWM波形发生器的应用，己经成为电力电子技术中的一个重大课题。同时，为了保证通信领域和工业控制领域的安全经济运行，目前许多工业国家和组织都开始了对SPWM波形发生器的深入研究，我国从20

5、世纪以来就开始了对SPWM波形发生器的研究，目前，我国在这方面的发展已经取到了许多重大突破。总之，对SPWM波形发生器的工程应用研究还有待继续深入。文献综述一实际应用方面的价值 运动控制的概念来源于国外的一些教科书，主要是指电动机控制。一般而言，动力和运动是可以相互转换的，从这个意义上来讲，电动机是最常用的运动源。运动控制的最有效的方式就是对运动源的控制，因此在系统中，一般通过对电动机的控制来实现运动控制。在电气时代，电动机一直在现代化的生产和生活中起着中要的作用。无论是在工业生产、交通运输、国防工业还是在日常生活的家用电器（如冰箱、空调、MP3 等） ，都大量使用了大量了电动机。据资料显示，

6、在所有的动力源中，90%以上来自电动机；同样，我国生产的电能中有 60%是用于电动机。电动机和人的生活息息相关，密不可分。在一个运动控制系统中，为了得到希望的运动轨迹，人们需要对电动机进行控制。对电动机的了控制可分为两类：（1）简单控制，是指对电动机进行启动、制动、正反转和顺序控制，这类控制通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。（2）复杂控制，是指对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制。有时这种控制的精度是非常高的。过去，对电动机的简单控制应用比较的多。但随着现代化步伐的加快，人们生活水平不断的提高，对自动化的需求也越来越高，从而使电动机的复杂应用逐渐成为主要的控制方式，

7、其应用领域也不断扩大。 其技术的发展得力于微电子技术、 通用计算机、 DSP控制器等现代化手段构成的数字控制系统的迅速发展。 电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快、控制更容易的全控型功率器件 MOSFET和 IGBT 逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机的控制方法得到实现。其中，脉宽调制方法（PWM、SPWM 和 SVPM） 、变频技术在直流调速和交流调速中得到广泛应用。随着时代的发展，各种电动机的控制技术使其发展成为一门新的技术，即运动控制技术，其中，SPWM 变频系统具有主电路线路简单、调速范围宽、功率因素开业高、电机运动平稳

8、且能有效地抑制谐波电机损耗、 发热都较小等优点， 得到了越来越多的应用。二国内外的研究现状从二十世纪六十年代数字信号处理的崛起到八十年代处理器的产生，数字处理器（Digital Signal Processor， 简称 DSP)的发展异常迅猛。今天，数字信号处理器已广泛应用于社会的各个方面，对人们的日常生活有着十分重要的影响。在当前的工业控制中，脉宽调制（Pulsewidth modulation，PWM）技术的出现，使逆变器得到更为广泛的应用。自 1982 年制造出 IGBT 初样， 1985 年开始生产工业品以来， 90 年代进口的许多变频器大多采用了它。但是随着工业的不断发展，尤其是进入

9、21 世纪之后， 对工业制品的精度也越来越高， 从而对电机的控制方法也有了更进一步的要求，如何能够方便、快捷、准确、安全的控制电机已经成为当前工业发展的一个首要解决的问题。在这种情况下，三相正弦脉宽调制技术 (SPWM )应运而生。它不仅能对三相交流电动机实现变频无级调速， 还可以进行能量回馈制动、控制系统采用矢量变换控制等多种功能。 随着时代的发展，各种电动机的控制技术和微电子技术、电力电子技术的结合正使其发展成为一门新的技术，应用先进的控制算法，开发全数字化的智能运动控制系统将成为新一代的运动系统设计的发展方向 。三相关技术与研发基础1.芯片在电机控制中的应用以前，由于传统单片机的性能价格

10、比较高，在电机中大都采用单片机来控制。但单片机的指令系统较复杂，多数指令需要 2-3 个指令周期才能完成，而且单片机的程序存储器和数据存储器在同一空间、同一时刻只能访问指令或数据。单片机的结构和复杂的指令系统造成其运算速度较慢、处理能力有限，特别是在采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数据量大，实用性和精度要求高，因此，单片机不能满足要求。而 DSP器件具有较高的集成度，具有比单片机更快的 CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和 FIFO 缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。最为突出的是，DSP 器件精简的指令系统（大多数指令能在一个指令周期内完成） 、独立的程序和数据空间等使

11、其具有高速的数据运算能力。采用基于 DSP 的电机专用集成电路的另一个好处是，可以降低对传感器等外围器件的要求。而且，DSP 控制器能自接以动态控制方式运行，无需依赖于过去查寻图表的方式。在高速控制中，使用 DSP 可进行通常的位检测和逻辑运算以及高速数据传送。随着价格的日益下降，性能不断提高，采用 DSP 器件代替单片机来控制电机将成为电机控制的发展趋势。DSP 用于电机控制有很多好处：（1）执行高级运算，减少力矩纹波，从而低振动、长寿命；（2）高级运算使得谐波小，很容易满足国家标准要求，降低滤波器成本；（3）提供无传感器运算，省去位置和速度传感器；（4）减少查询表，降低内存需求；（5）实时

12、产生平滑的、近乎完美的参考模型，获得好的性能；（6）控制逆变器，产生高精度 SPWM 输出；（7）提供单片控制系统。2.SPWM算法研究与实现原理 (1)自然采样法 自然采样法是目前实现SPWM波的一种理想算法， 即一个周期内三角载波与正弦调制波相交的两点作为通断时刻。此方法能够精准算出每个脉冲宽度以及通断时刻，脉冲逼近程度最接近标准正弦波，但求解时得到的脉冲宽度表达式是一种超越方程，在实时控制中难以计算，不利于工程上运用。(2)规则采样法规则采样算法是为解决自然算法计算量大、 复杂等不足而提出的。其主要原理是利用三角载波的对称轴与正弦调制波的交点，并过该点作平行于时间轴的直线且交三角载波与两

13、点，将此两点作为通断时刻值。由几何关系可求得脉冲导通时间宽度。相比自然采样法，规则采样法简化了计算量，但是求解的精度较自然采样法有很大程度的降低。(3)等效面积算法 等效面积算法具有计算量小、精度高、输出电压波形接近正弦波、谐波损耗小等优点。其方法是把半个周期的正弦波分成 N 等份 , 然后把每一份正弦曲线段与横轴所包围的面积都用与之相等面积的等高矩形脉冲来代替 , 即相对应的同一时间段内矩形脉冲波面积的代数和与正弦波和横轴所包围的面积相等。 同样正弦波的负半周也可用该方法来等效。 N 的多少就意味着 SPWM 信号的调制频率高低 , 调制频率越高正弦波的波形越好 , 但频率的选择又受元件频率

14、特性的限制(4) 专用单片机产生 SPWM 波单片机 ( 包括 DSP) 在近年来发展很快 , 其强大的功能使其当然成为正弦脉宽调制控制器的主角。为了进一步简化结构、 提高运算效率、 降低成本、 减少外围硬件电路 , 近年来 , 出现了多种专门产生PWM 的单片机。其结构原理是在原来通用单片机的基础上 , 增加了 PWM 产生电路。同时还增加了相关的辅助电路 , 如 A/ D 电路、 专用通讯口等。比如 :AVR 单片机 AT90PWM2 ,DS87C550 以及 in 2finenon 公司的 C504 ,XC164 等单片机。利用专用单片机 , 可省去大量外部辅助器件 , 降低硬件成本 ,

15、 软件开销也明显下降。四. 主要参考文献如下：1 韩安太，刘峙飞，黄海编著.DSP 控制原理及其在运动控制系统中的应用M.北京:清华大学出版社，20032 陈芳靖，汪淘编著.基于 DSP 的控制变频调速系统 SPWM 波形产生方法J.机电工程技术，2005，04（3） ：27-293 王茂飞，程利编著.DSP 技术与应用开发M.北京：清华大学出版社，20074 刘和平，严利平，张学峰，卓清峰编著.DSP 结构原理与应用M.北京:北京航空航天大学出版社，20025 徐光辉，DSP集成开发与应用实例，M，北京：电子工业出版社，20026 刘员盛，DSP芯片原理与开发应用（第2版）M，20037 戴

16、智鹏，单鸿涛，纪明祥基于TMS320LF2812单相SPWM波形发生设计J装备维修技术， 2012，144（2）：58-608 王小星，范可，陈梦慧，谢立楠单极性倍频SPWM波形生成及其谐波分析J湖北工业大学学报，2012，27（5）：56-609 熊军华， 王亭岭， 陈建明， 等三种SPWM波形生成算法的分析与实现J.微计算机信息， 2008， 24 （7- 1 ） ： 307- 309.10 万山明. TMS320F281xDSP 原理及应用实例M.北京航空航天大学出版社， 200711 袁莉， 李斌， 蒋在芳基于TMS320F2812的三相SPWM波的实现J.现代电子技术， 2008，

17、(3)： 131- 133.12 ZHENG Chunfang，ZHANG Bo，QIU Dongyuan. Digital natural sampling SPWM based on inverse operator method C IEEE 38th Annual Power Electronics Specialists Conference. Orlando，USA：IEEE，2007：792797.13 XU Shungang. Analyzing and restraining on harmonic of the SPWM inverter C 2009 Internatio

18、nal Conference on Communications, Circuits and Systems. Milpitas，USA：IEEE，2009：724727.研究内容1.研究生成SPWM波的算法2.初步的设计方案3.硬件电路的选择 包括芯片的选择，键控电路的设计，显示器的选择4.系统硬件电路的设计 包括时钟电路设计，复位电路设计，JTAG仿真，电源模块设计，按键接口电路设计，显示电路设计，LC滤波检测电路5.软件设计 包括参数的设置，系统硬件初始化和PWM初始化，中断服务程序，键盘扫描和服务程序，显示程序，SPWM算法的实现研究计划第1周（3.23.8）： 查阅资料，学习DSP开发平台和技术第2周（3.93.15）： 对系统功能进行分析，对整体架构进行设计。对软、硬件功能模块进行划分第3周（3.163.22）：撰写并提交毕