速度负反馈预处理电路

1、基于DSP技术的数字式直流调速系统介绍DSP技术应用于直流电动机调速系统是近十年的事情。利用DSP功能多、容量大、运算速度快、控制规律容易改变等优点，可以很方便的通过软件编程实现速度调节器、电流调节器和电压调节器的控制算法，并且可提高闭环精度，具有比模拟系统高许多的动、静态性能指标。并且DSP引入到调速系统后，整个系统可具有自诊断能力，维护检修方便，可靠性提高等特点。基于DSP芯片TMS320LF2407A的数字式直流调速系统原理框图如下：图1 基于DSP技术的数字式直流调速系统原理框图此处我们选用TI公司出品的16位高性能DSP芯片TMS320LF2407A作为主控器件，由于TMS320LF

2、2407A本身带有高精度A/D转换器，使得A/D转换非常方便，可以省去单独的模拟转换器。另外，TMS320LF2407A还带有多达12路的脉宽调制输出通道，可方便的产生对称式或非对称式的PWM脉冲信号，这样我们便可以省去模拟电路中脉宽调制器UPW及调制波发生器GM等模拟环节。设计中在主控电路方面保留了相应的隔离驱动电路部分，速度、电流和电压检测仍采用模拟电路。由于结合了模拟电路和数字电路的优点，使得整个调速系统既具有响应速度快，稳定度好的特点，又可提高速度精度和系统的动、静态性能指标，并且充分利用DSP自身特点，使整个控制器体积减小、方便灵活、价格低廉。图1中是基于DSP技术的数字式直流调速系

3、统原理框图，大体可分为两大部分，其一是由DSP芯片TMS320LF2407A所构成的数字式核心控制器部分，主要包括数字式速度调节器、脉宽调制电路、捕获单元和A/D器等四部分。其二是由模拟电路所构成的外围硬件电路部分，主要用于为DSP构成的控制器服务，包括速度给定预处理电路、速度负反馈预处理电路、隔离驱动电路和PWM变换器。 图1中描述的基于DSP技术的数字式直流调速系统的基本工作原理为：首先，由用户给定电机转速信号经速度给定预处理电路处理后送入DSP芯片的A/D转换通道ADCIN00，经过A/D转换后送入DSP片内由软件生成的数字式速度调节器与来自光电开关和码盘转换，再经过速度反馈预处理电路后

4、，送入DSP芯片的捕获单元转换通道中的数字速度信号进行运算处理，处理后的信号送入DSP芯片的PWM脉宽调制电路，根据运算处理的相应结果修改EVA模块中比较单元的16位比较寄存器和的值并装入，再通过与EVA模块中周期寄存器的值相比较并通过软件编程对其它相关寄存器进行相应设置，便可自动生成四路对称式PWM信号。由DSP芯片生成的四路对称式PWM信号经过外围硬件隔离驱动电路的处理，用于进一步为由四只功率MOSFET组成的H型PWM变换器和有刷直流电动机构成的主电路提供相匹配的驱动信号。当用户给定速度信号发生变化时，电压、电流和速度负反馈预处理电路中的反馈信号也将发生实时变化，并经过DSP构成的高速数

5、字调节器进行运算处理后重新生成相应脉冲宽度的四路PWM信号，通过调节PWM脉冲宽度便可轻松达到调压调速的目的，从而实现对直流电动机转速的实时控制，完成对数字式直流调速系统的设计速度检测方案方案一： 光电开关传感器测速光电开关传感器的定义:光电开关传感器是利用光束如近红外线和红外线的来检测、判别物体。通过光电装置瞬间发射的微弱光束能被安全可靠的准确的发射和接收。光是一种电磁射波，传递速度约为300000千米/秒，在发射的一瞬间被其接收，使传感器快速响应。光电开关测速传感器的原理： 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成它们分为：发送器、

6、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。分类和工作方式槽型光电传感器把一个光发射器和

7、一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。反光板型光电开关把发光器和收光器装入

8、同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。 光电开关测速传感器的特点： 检测距离长 对检测物体的限制少 响应时间短 分辨率高 可实现非接触的检测 可实现颜色判别 便于调整 硬件电路的设计：设计采用了红外光电传感器，

9、进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。系统在光电传感器收发端间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平，即可算出轮子即时的转速。转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之间的距离过大，而正好在过孔之间或者是

10、在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术的限制。为了达到预定的效果设计在转盘过孔的设计上采用12个过孔，从而留下了11个同等的间距。这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出脉冲频率。脉冲发生源的硬件结构如下图所示。光电传感器测速电路原理图及示意图：光电传感器速度控制系统方框示意图：方案二：霍尔传感器测速霍尔传感器的定义：霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这

11、现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。霍尔传感器的原理：其工作原理是：利用霍尔开关元件测转速，内部具有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路，其输出电平和TTL电平兼容。在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多分辨率越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度M 旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的速度。

12、霍尔传感器的特点：1、 霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压2、 原边电路与副边电路之间完全电绝缘3、 精度高4、 线性度好：优于0.1%5、 动态性能好6、 霍尔传感器模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。7、 工作频带宽8、 过载能力强9、 模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。10、 模块的高灵敏度11、 可靠性高12、 抗外磁场干扰能力强硬件电路的设计：测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间

13、内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。图2是测速电路的信号获取部分，在电源输入端并联电容C2用来滤去电源尖啸，使霍尔元件稳定工作。HG表示霍尔元件，采用CS3020，在霍尔元件输出端（引脚3）与地并联电容C3滤去波形尖峰，再接一个上拉电阻R2，然后将其接入LM324的引脚3。用LM324构成一个电压比较器，将霍尔元件输出电压与电位器RP1比较得出高低电平信号给单片

14、机读取。C4用于波形整形，以保证获得良好数字信号。LED便于观察，当比较器输出高电平时不亮，低电平时亮。微型电机M可采用 型，通过电位器RP1分压，实现提高或降低电机转速的目的。C1电容使电机的速度不会产生突变，因为电容能存储电荷。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)： 当“”输入端电压高于“”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当“”输入端电压低于“”输入端时，电压比较器输出为低电平；比较器还有整形的作用，利用这一特点可使单片机获得良好稳定的输出信号，不至于丢失信号，能提高测速的精确性和稳定性。方案三： 变磁阻传感器测速变磁阻传感器的定义

15、：利用磁路中磁阻的变化，将被测量变化转换成交流电压变化的传感器。 磁阻式传感器。变磁阻传感器的原理：将位移、转速、加速度等非电物理量转换为磁阻变化的传感器。它包括电感式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器。 变磁阻式转速传感器 它属于变磁阻式传感器。变磁阻式传感器的三种基本类型，电感式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器都可制成转速传感器。电感式转速传感器应用较广，它利用磁通变化而产生感应电势，其电势大小取决于磁通变化的速率。这类传感器按结构不同又分为开磁路式和闭磁路式两种。开磁路式转速传感器结构比较简单，输出信号较小，不宜在振动剧烈的场合使用。闭磁路式转速传感器由装在转轴上的外齿轮、内齿

16、轮、线圈和永久磁铁构成。内、外齿轮有相同的齿数。当转轴连接到被测轴上一起转动时，由于内、外齿轮的相对运动，产生磁阻变化，在线圈中产生交流感应电势。测出电势的大小便可测出相应转速值。在可变磁阻传感器中,模拟信号必须经过信号处理电路使输出与转速成比例的脉冲信号。变磁阻传感器特点：1.结构简单 2.灵敏度高分辨率大。 3.重复性好线信度优良 方案选择论证：光电传感器与霍尔传感器、可变磁阻传感器的性能比较： 1) 结构。目前在结构上0.1 mA/1 V光电传感器与5 mA/25 mA霍尔传感器完全相同，引脚定义只是光电传感器在引脚上多了地线引脚，其他相同。如图1所示。2) 规格。维博电子公司的光电传感

17、器规格是0.1 mA/1 V、12 V电源，另外两家霍尔传感器是5 mA/25 mA、12 V电源。3) 电源拉偏。光电传感器电源拉偏范围为10.813.2 V，霍尔传感器电源拉偏范围是416 V。4) 功耗。功耗测试方法是检测电源线上电流，然后再以电源电压与线上电流的乘积来计算功耗。测试发现光电传感器的静态功耗为16 mA，霍尔传感器的静态功耗为12 mA。测试表明从产品的内部功耗来看，霍尔传感器要优于光电传感器。但是，计算前端采样电阻的功耗，再算产品的功耗，光电传感器就会明显优于霍尔传感器。5) 频带。频带测试方法是将产品在50 Hz标定，然后改变频率、额定输入电流大小不变，测试输出电压。

18、截止频率是额定输入电流大小不变、改变频率使输出值为额定值的0.707倍时的频率。测试发现光电传感器在01 500 Hz时输出引用误差在0.5级精度范围内。霍尔传感器在0200 Hz时输出引用误差在0.5级精度范围内，截止频率为1.5 kHz。6) 隔离耐压。光电传感器的隔离耐压为DC 3 000 V，霍尔传感器的隔离耐压为AC 3 000 V。霍尔传感器在隔离耐压方面明显优于小体积的光电传感器。7)响应时间。响应时间的测试方法是输入方波信号，用示波器监视输入输出信号，以输入信号从最小值上升到最大值时，输出信号上升到最大值的90%时的时间，如图2所示。测试发现，光电传感器的响应时间为45 s，霍尔传感器的响应时间为250 s。8) 温漂。温漂的计算方法是温漂(106/)= 最大漂移量/(量程范围温度变化值)106温度实验表明在07 0时，光电传感器的温漂为100106/，霍尔传感器的温漂为300106/。光电传感器在频带、响应时间、温漂、整体