(完整word版)基于DSP的电机控制模块课程设计

1、电机控制模块课程设计目录前言一. 课设要求1. 1课题研究的R的1、2任务二、系统总体设汁2.1、系统组成框图2.2.系统上电路23. 采样调理电路24、滤波电路设讣三. 控制策略与算法3.1、PID 算法3.2. SPWM波程序设计321、SPWM波概念322、产生SPWM波算法323、SPWKI实现程序流程图33、交流釆样测量程序实现33.1、交/S流变换采样方式332、均方根法333、基于瞬时无功理论的检测方法324、傅里叶级数法四. 实验的MATLAB仿真实现五. 课设总结 六、参考文献 附录一.各模块原理图与PCB图 附录二.源程序代码前言：直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，可

2、以独立控制，w此具备良好的调速 性能，出力犬、调速范眉宽和易于控制，广泛应用于电力拖动系统中。而随着对电机控制要 求的不断提高，普通的单片机越来越不能满足对电机控制的要求，DSP技术的发展正好为先 进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持。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，其屮DSP控 制器是电机控制系统的关键部分，负资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。电'（传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电动机转速控 制的自动化系统。根据电动机的不同，工程上通常把电气传动分为直流电'传动和交流电气 传动

3、两大类。纵观电气传动的发展过程,交流与直流两大电气传动并存于各个时期的各大工业领域内, 虽然它们所处的地位和作用不同，但它们始终随看工业技术而发展的。特别是随着电力电子 技术和微电子学的发展，在相互竞争中完善着自身，发生着变更O * T-直流电机具有良好的 线性调速特性，简单的控制性能，因此在工业场合应用广泛。近代，随着生产技术的发展， 对电气传动在起制动、正反转以及调速能力、静态特桝和动态响应方面都提出了更高的要求， 所以计算机控制电力拖动控制系统已成为计算机应用的一个巫要内容。开展本课题研究的控制对级是闭环直流调速系统：重点对控制部分展开研究，它包对 实现控制所需要的硬件和软件环境的探讨，

4、控制策略和控制算法的探讨等内容.冃前，对于控制对象的研究和讨论很多，有比较成熟的理论，但实现控制的方法和手段 随看技术的发展，特别是计算机技术的发展，不断地进行技术升级。这个过程经历了从分立 元件控制，集成电路控制和单片计算机控制等过程。每一次的技术升级都是控制系统的性能 有较大地提高和改进。随着新的控制芯片的出现，给技术升级提供了新的可能电机控制是DSP应用的主要领域，随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高， DSP将在电机控制领域中发挥越来越巫要的作用01课题研宪的目的1,2、止电源：一、课设要求巩固电机控制课程的理论知识。学习和IMS中电力电子系统控制系统设计的基木方法，设计一个三相

5、400HZ中频静3、4,养学生独立分析和解决工程问题的工作能力及实际工程设计的基本技能; 提高编写技术文件和制图的技能。1、2任务对三相400HZ中频静止电源的理论进行研究，设计一台样机，参数为400HZ.电压36V, 容S为100VA.电压稳定度96%,失真度小于5%,效率80%.二. 系统总体设计2、1系统组成框图图1系统组成框图由图1可知系统主电路由采样调理电路、控制电路、光电隔离驱动电路和保护电路组成。2、2系统主电路图2主电路系统组成框图系统主电路是典型的AC-DC-AC逆变电路，由整流电路、中间电路、逆变电路和隔离变 压器构成。整流电路将输入的三相交流电经整流；中间电路滤波后的直流

6、电供给逆变器：逆 变电路将直流电逆变为400Hz的三相正弦交流电.主业路系统组成框I划如闻2所示。2、3采样调理电路该检测调理电路由霍尔检测、偏置电路和滤波三部分组成。若采样电压有效ffl 22OV,hI 以选择LEM的LV25-P电压传感器测最电压，转换率为2500:1000由于进入DSP的信号范鬧为0-3V. LT308-S7的制边额定有效电流为150mA,所以选择 RM=20欧姆的测量电阻。该电压传感器原边额定有效值电流为10mA.因此原边选择Rl=22k 的限流电阻；副边额定有效值电流为25mA,选择RM=120欧姆的测最电阻。偏置电路和滤波R体参数如图3所示：a oiajTh*15n

7、 1BJ 5)K.2-_r=la 刃 K -3, 1-rkQ1A TWttCKMlrr 'HIr- RTDIB rxxegror>图3电压检测调理电路2、4滤波电路设计常见的滤波电路右LC,LCL等，LC滤波的电路如图4所示:0I图4 LC滤波电路1ZJ滤波电路的输入输出传递函数为:jnqCH( je) = JmJ +为 n®C,则:本系统采用DSP2812为主控器件,软件代码釆用C语言编程，所有小数运算均转化为式中.为基波角频率，为谐波次数。令截止频率4 =H(e) - |H( j<y)| Q的选择决定了幅频特性的基本待征。5越人，对高频的衰减能力越差5越小,对

8、髙频的衰减能越强，但是C参数值增犬会使滤波器成本増加体枳变人，因此需要 介理选择5。由于根据图4所示，设濾波电路后端等效负®阻抗为Z。则在该处H1抗满足匹配条件: 令截止频率6 丿么疋，则:继而町得,U |N|6三、控制策略与算法Q15格式处理以提高运算速度。程序由主程序和一个中断服务程序组成主程序主要完成初始化和均方根值得计算：定 时卜溢中断完成信号的采集、运算和PWM波的输出。程序流程如图5所示:在该实验的程序设计时，根据控制系统需要实现的功能，涉及到了 PID控制算法的应用、SPWM波程序设计和交流釆样程序设计三个方面。3.K PID控制算法在本系统中选用数字PID拎制算法，数

9、字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的 控制方法，将偏差的比例(P).积分®和微分(D)通过线性组合构成控制量对被控对彖进行 控制，故称PID控制器。数字PID控制是一种釆样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计 算控制量。W此.需要采用离散化方法。u(t) = K J e(t) +1 血)dt + 罟2m U(s)G(沪丽=Kp(b)定时器卜溢中斯讹程(c>A/r)采样于粹图5 DSP的序流程图控制器立即产生PID控制器各校正环节的作用如H：(1) 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信5c(t),偏差一旦产生,控制作用，以减小偏差。(2) 枳分环节主要用于消除静差，提高系统

10、的无差度。枳分作用的强弱取决于积分时间常数T. T越大.枳分作用越弱，反之则越强。(3) 微分环节：反映偏差信y的变化趙势(变化速率)，并能在偏差信号变得太人之前在系统中引入一个有效的早期修正传号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。在软件中实现PID调节的程序如下所示:ek=JQ15(0-8)-u;7/22937,45220给定电压1.38V的Q15(开环m05时)的峰峰值用来做闭坏的参考)if(ek>=6553Xk=6553;/对输入偏差进行限幅 if(ek<=-6553)ek=-6553.uk-ukl+_IQ 15mpy(_IQ 15(0.6),(ck-ckl)+_IQ 1

11、5mpy(_IQ 15(0, l)xk);/+ki*ck;/'P I 调节ekl=ek;ukl=uk;if(uk>=29491)uk=29491; 09的Q15,输出限幅if(uk<=3276)uk=3276; /01的(215 /if(uk<-3276)uk-3276.m=uk;32、SPWM波程序设计321、SPWMiR念SPWKI技术目前己经在实际得到非常普遍的应用。经过长期的发展，大致可分成屯压 SPWM,电流SPWM和磁通SPWM。其中电压和电流SPWM是从电源角度出发的SPWbl, 而磁通SPWM则是从电动机角度出发的SPWM。电压SPWKI技术是通过生成

12、的SPWM波信号来控制逆变器的开关管，从而实现电动机 电源变频的一种技术。3.2.2、产生SPW、I的算法产生电斥SPWM信号的方法有硬件法和软件法。其中软件法是便41路成木最低的方法, 它通过实时计算來生成SPWM波。但是实时计算对控制器的运算速度要求非常高。DSP无 疑是能满足这一要求的最理想的控制器。电压SPWM倍巧实时计算需要数学模型。建立数 学模型的方法很多，有谐波消去法、等面积法、采样型SPWM法以及由它们派生出的各种方 法对称规则采样法的数学模型非常简单，但是由于每个裁波周期只采样一次，因此所形 成的阶梯波与正弦波的逼近程度仍然存在较大的误差。如果既在三角波的顶点对称轴采样, 又

13、在三角波的底点对称轴位置采样，也就是每个载波周期采样两次，这样所形成的阶梯波的 逼近程度会人大提离0由于这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点并不対称，W此称其为 不对称规则采样法。与规则采样法相比每个我波周期采样两次，这样形成的阶梯波与正弦波 的遍近程度会人大提高。rti于采用了内存大运算速度高的DSP,软件控制算法选用不对称 规则采样法。不对称规则采样法生成SPWM波如图5所示：由于采用不对称规则的算法，要用到正弦函数、浮点数的计算，单独用汇编语言实现 较为麻烦，同时为提高运行速度，故采用C语言与汇编混合编程实现。当在三角波的顶点对称轴位置tl时刻采样时，则有：= -a4“一+aoni 4o

14、ff 1当在三角波的底点位置t,时刻釆样时，则右a _ Um sin 朋?将三角形相似关系式2cUm sin 朋24b互4代入上面两个式子得:=(1 M sin 6Ut> )4 '"onl (1 + M sill 勿1)4'tonz =茅(1 + M Sin 见) toff 2 =善(1-Msin<axj生成SPWM波的脉宽为:'on onl + on2,M z1 H(SIU 舛 + SIU由于每个我波周期采样两次所以t, =k (k = 0,2,4A ,2N-2) t, =k (k = 1,3,5A ,2N-1)T 舷<yt. = 2加1

15、= 2;zf k =(k = 024A ,2N 2) ftX. =2;zfi, =2;rfk = (k = 1,3,5A .2N-1)2 NU +M sm 善)(k = 0,2,4A ,2N-2)7 = ¥(l + MsmN 丿式中为偶数时代表顶点采样，£为奇数时底点采样。不对称规则采样法的数学模型尽1?略微复杂一些，但由于其阶梯波更接近于正弦波，所以谐 波分斎的幅值更小，在实际中得到更多的使用。以匕是单相SPWM波生成的数学模型。如果要生成三相SPWM波，必须使用三条正弦波和 同一条三角波求交点。三条正弦相差120度，即：(k = 13,5A ,2N-1)Uq = Sin

16、 I N丿(/de 2/r、I N 3 )(/de 4/r、I N 3 丿JUg = sinUa = sin如果使用不对称规则采样法，则顶点采样时冇：c =onl l + Msm 严I NB _ onlAonl1 + M sin、亍丁丿.(-Tk 4兀) + M sin + In 3丿(k = 0,2,4L ,2N-2)底点采样时有:l+Msui丿onZ(k = t3,5L ,2N-1)Aon1+Msm(;rk 4 +In 3)所以，各相的脉宽为:on严ontAononlon 2B onl+t爲A+ t AonlT %n2C>=tSPWM实现程序流程图SPWM程仔实现的流程图如图7所示:

17、3.3、交流采样测量程序设计系统中交流特征参数U、I . P. Q、COS0、f的采样测最是系统设计中一个敲富要的环节。交流采样右以卜3种方法:3AU交/直流变换釆样方法这种釆样方法将交流电流和电压U浹、I,、Utb Ic先转成直流信号再送A/D转换器进行釆样，通过检测电压.电流以及两者之间的相位差，再用公式计算出三相电路的冇功 功率P、无功功率Q、功率W数COS0P = UbIbCos(ai30° )+6丄 cos®. 30°)Q = U.J, sm(a】 30° )+U収 sin(a,-30®)交/直流变换釆样计算方法的优点是运算简单.对A

18、/D转换器的速度要求低.运算工 作量小.对处理器的速度和性能要求也高，电流电压测量的稳定性好：它的缺点是Tt先増 加了交/直流变换环节变换器反应速度慢（至少45周期）且精度不高（一般人于0.2 级），所以这种方法测SW度差、反应速度慢0其次，由丁釆用过零比较器相位差测量比 较容易受到干扰且不易被滤除。另外.相位差测最要占用较多的资源使得这种方法不适 合用于多路测呈。使用商化的功率模块可以避开测呈柑位差，但成本提高了很多。因此这 种方法只适用丁要求不高的场合。332.均桶法根据电工学上对周期性信号令效值利平均功率的基本定义，并将其离散化可以得到:U =珂屮g石訥）Ph挣ig蕊y为了提高W度，在连

19、续一个周期内取N-20均匀地对交流信号Ujb、h、Ucb、L釆样16次.算出有效值及对应的有功功率Pl、P2和无功功率Q1、Q再根据两表法的原理.计算出各种交流电的特征参数。这种测量方法的优点足«度高、速度快。测量的右效值和平 均功率一次就町以计算出来其包含了基波和备次谐波的综合参数，真实地反应了被测信号的实际情况但缺点是无法将基波和其它谐波分离开来，因此不能反映电源的供电质 另外为保证平均功率的精度必须在同一时刻对电压电流进行采样而增加了部分fiSH牛的投资。33,3.基于瞬时无功理论的检测方法建立在矢最变换基础上的瞬时无功理论足由口本学者Akngi在1984年提出的。其核心是采用

20、一变换矩阵将三相电路的各相电压和电流瞬时值变换到两柑正交的ap坐标系上 研究，使基波电流对应的瞬时功率为一n流量以便分离。该检测方法分为P叫运算方式和ip也 运算方式。二相电路瞬时无功功率理论.苗先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应 用。目前有源滤波器和静止无功发生器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方 法应用域多，伺关这方面的内容将在第五章内容中详细讲述，本节主要讲述基波信号的检测。下面以三相电流信号为例简要说明。设三相电流信号为:sin(加+ 0)< * = ImSin(2M + e-120°)(=IeSm(<yt +0+120°)坐标变

21、换理论前而已有介绍图8a和8b分别以框图形式给出了从二相静止到两相静止坐标系和从三相静止到两相旋转的坐标系变换示总图.图8坐标变换示童图坐标变换可釆用上述两种方式进行以图b为例转换到旋转坐标系下的关系式为:XpLbsin 8COS&Xsin(&-120°)COS(&120°)%sin(& + 120°)cos(&+120°)Nlb1基波电流的幅值和相位为:m 一=aictau *同理町求的电压的人小和相位。其它交流恃征参数P、Q、cosA f町参照上节进行求33.4. «里叶级数法根据信号分析理论，周期函

22、数f(t)的傅里叶级数展开式经推导、离散处理可以得出:7 -7MW9n-l-) 1討 fl：t)coskfi?tdt =需 RTj )cos-式中：心.心 Ahn分别是k次谐波的实部幅值、虚部幅值和正弦波幅值。平術测最W度和计算工作量，在连续一个周期的时间间隔内均匀地对交流信号Ujb .h、Ucb . Ic进行12次釆样，町以算出各信号基波的电压实部Uwm . Uchrnx、电压虚部Uabxm和Utbxm电压幅值5咼和咲血、电流实部I皿和Rm、电流虚部Ig和I«a、电流幅值和Ig 进而町以算出三相有效功率P.无功功率Q和功率W数COS01 U J +U J 1 UJ rU J p T

23、T T <tam 畑KQ J J T dm 皿 dom imr T U亓 j7 U 血匕pI-U畑1山-u遍GA- 1口 T 皿皿 1U阪I 迦+U込1讽QjU蟲飞厂+列mpL用冋样的方法町以算出坯它谐波的特征参数。从上而的计算过e可以看出，傅里叶级 数法M以计算出各次谐波的各种特征参数，计算精度校爲。这对电源输出质量的分析是非常 仃用的。根据以上比较，四种采样方法各有优缺点、各有适用场合。根据冃前需要分析电源输出 交流电的质量用傅里叶级数法测量交流特征参数较为适宜。系统用DSP(TMS320LF2812) 作处理器，利用Jt高速的处理能力町以做到釆样速度快.精度高、稳定性好、硬件投资和

24、软 件运算工作最适中。在该仿W系统屮，通过对逆变电压进行釆样，并进行均方根的运算然后，对实际值和 给定值进行比较，并进行PI调节，从而改变SPWM波中的幅值比m,使最终达到逆变变圧 梯定在给定值左右的冃的。AC-OC-AC PWM ConvertrerIOWAMM4T»<2*-W«serwPowefLiiodscOr the specVt/n 0 Scopel signals uorttf nM pfibtnd r sirucbrw-理论值为20 7 6=49.经调试后实验值达到了理论值。PI调节模块90 KZScopel五、课设总结经过三周的努力，我们终于完成了课程

25、设计.在这三周里我学到了很多有用的知识， 对CCS软件有了更深的了解，温习了 Protel 99se的使用，学冋了使用multisim利Visio软件， 这些都对以后工作很有用处。课设中我遇到了很多问题，在老师和同学的帮助下我学到了很 多东西，提高了发现问题、分析问题和解决问题的能力，这次课程设计锻炼了我们的综合实 验能力，对我们很有意义。六、参考文献1 王兆安，刘进军.电力电子技术.第五版北京:机械工业出版社，2009,2 康华光.电子技术基础第五版北京：高等教育出版社，2006.3 胡寿松.自动控制原理M.第四版.北京：科学出版tt，2004.4 万山叽TMS320F281XDSP原理及应

26、用实例.2007.附录:U1丄:veeR2VA-：51tQ:R5：-VsA-7.810:Ria : Wv5UO KSVK4r/A/vSlkOR3 15 VTLW1ACP8 U2R6 -VA* 14.7MC2 Ih ，:W IpF V丄V3 Cl刊 (l?2pF1I-检测调理电路1 5 5 T,AsaI »RBUEtnftrp：R1 RCS2 c-CZU3BrtTrEflYjpi HEADER 5HznSr auQCUX3U4暑TEOY H n-n (:二TJZKzs3a Sd 3fflZ3FMo-rCl 3 一 一；AaEYmZF3 zsaa coQCS2卜 “检测调理电路PCB板附

27、录二:SPWM波程序include ”DSP28-Deviceh”#include *'IQmathLib.h"Uintl6 pp=733jjJl=O,k=OJIag=O,r=O,adl=OA=Os=O3Y=0;/"全局变量定义,pp=Tc/4*/long int U;Jql5 sinne(512,al(16,a216,m,square=0,sum=0;厂中断函数声明/ 广函数声明/Jql5 u,uk,ek,ekl=0,ukl=0;interrupt void spwm(void);void Adc(void);void main(void)广初始化系统T 广关中断

28、InitSysCtrlO;DINT;IER = 0x0000;IFR = 0x0000;厂初始化PIE控制寄存器/厂初始化PIE矢最表*/广初始化I/O I I */*初始化EV/广初始化ADC*/厂允许访问EALLOW */厂把中断地址赋给中断向最表中定时器1的卜溢中InitPieCtrlO;InitPieVectTableO;/InitGpioO;InitEvO;InitAdcO; EALLOW;PieVectTable.TlUFINT = & spwm;断*/PieVectTable.ADCINT = &ad_isr; /*把adjsr的地址赋给中断向量衷中模数转换中断*

29、/ EDIS;/* 更新对 EALLOW 保护 protected registers*/广便能PIE级中断-7厂使能PIE级中断第二组第六位(T1UFINT)豐！/厂使能PIE级中断第一组第六位(ADCINT) ai> 7PieCtrLPIEIER2.all |=MJNT6;/PieCtrl.PIEIERl.all = M_INT6;厂使能CPU第二组中断7 厂使能CPU第二组中断/ 广使能全局中断审/厂使能实时中断厂使能CPU级中断*/lER 1= MJNT2;/lER |=MJNT1;EINT;/ERTM;for(i=0;i<512;i+)sinnei=JQ15sin(i*J

30、Q15(6283/512); /*做sin :花为dq变换做准备用。并且将所有的 值转换为Q15格式，/EvaRegs.TlCON.all| =0x0040;/件管理器eva的通用定时器1控制寄存器1的第七位写 1.定时器1使能./tvaKegs.l2CON.all| =0x0U40;/p件管理器eva的通用定时器2腔制奇存益1的第七位 写1,定时器2使能while(l)if(flag=l)int t,s,sy;flag=O;sum=O;for(t=0;t<16;t+)sum+=alt;sum=JQ15div(sum,JQ15(16);for(t=0;t<16;t+)a2t=alt

31、-sum; 因为所采集到的正弦波是单极性的，即其中含有直流分量，就足偏上去的值。减i之后就足关于零轴上下对称了。此处应注意，将数组1中的数 减去偏置最之后存入数组2;a2t=(a2t*3)«3; 对上卜对称的正弦波进行数据还原，square=O; for(sy=0;sy<16;sy+)square=square+JQ15mpy(a2sy,a2sy); 在循环语句内部做平方计算square=JQ15div(square,_IQ15(16);/ 方和除以总数 /square=JQ15sqrt(square);/开方，求出均方根值其实就是整个正弦波的有效值u=_IQ15sqrt(sq

32、uare);开方，求出均方根值其实就是整个正弦波的有效值 /u=square;/将值赋给u,做卜一步运算调节部分*/ek=JQ15(0.8)-u;/22937,45220 给定电压 1.38V 的 CU5(开环 m=0.5 时的肆峰値，用来做闭环的参考)if(ek>=6553)ek=6553;/对输入偏差进行限幅if(ek<=-6553)ek=-6553;uk=ukl+JQ15mpyLlQ15(O.6)4ek-ekl)+JQ15mpy(JQ15(O.lhek);/+ki*ek;/PI 调ekl=ek;ukl=uk;if(uk>=29491)uk=29491; /0.9 的 Q15,输出限幅if(uk<=3276)uk=3276; /04 的 Q15/if(uk<=3276)uk=3276;m=uk;vo