基于DSP的直流电动机数字控制系统设计--毕业设计(共33页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上华中科技大学文华学院毕业设计(论文)基于DSP的直流电动机数字控制系统设计 学 生 姓 名： 徐聪颖 学号： 1 学 部 （系）： 机械与电气工程学部 专 业 年 级： 08级电气工程及其自动化 指 导 教 师： 杨风开 职称或学位： 高工 2012 年 5 月20日目 录99999基于DSP的直流电动机数字控制系统设计摘要目前工业生产中绝大多数采用无刷直流电机，为了保证电机控制的准确方便，随着现代技术的进步，我们开始研究数字控制技术。本文对基于DSP的直流电机调速控制系统进行了设计研究。根据系统的调速原理，选择TMS320LF2407 芯片为本方案的控制芯片，根据调

2、速原理上的比较研究，决定利用H型电路进行对直流电机的调速控制，并采用了PWM调速方式进行调速。我们对直流电机的工作原理进行了研究，并设计了数字控制方案，在TMS320LF2407为核心的基础上设计了外围硬件电路、搭建了仿真平台。我们设计了电源电路、电机驱动电路设计以及电机测速电路等所必需工作电路，并采用C语言编写了整个控制程序，最后在CCS软件上进行仿真调试。本次设计为实现平稳准确的进行无刷直流电机的启动停止、加速减速控制为目的，旨在通过本次毕设设计增强对无刷直流电机的工作原理以及DSP控制的设计原理进行学习掌握，未进行实际的实物制作，旨在对理论方面进行学习，掌握整个设计的流程。在本文中对直流

3、电机、DSP的工作原理以及本次设计的详细过程进行了介绍，并列出了所引用的参考文献，在最后对设计中遇到问题和感悟进行了汇总。关键词:直流电动机 DSP 调速DSP based DC motor digital control system designAbstractIn industrial production at present most of the brushless DC motor，in order to ensure the accuracy and convenience for motor control，with the advances in modern techno

4、logy,we start to study the digital control technology.This article is based on DSP DC motor speed control system design research. According to the system of the speed regulating principle, selection of TMS320LF2407 chip for the program control chip, according to the principle of speed regulation on

5、the comparative study, decided to use the type H circuit for DC motor speed control, and adopted the PWM speed control mode of speed regulation.The DC motor working principle was studied, and the design of the digital control scheme in TMS320LF2407 as the core, on the basis of the external circuit i

6、s designed, built and simulation platform. We designed a power circuit, motor drive circuit design as well as the motor speed detecting circuit and other necessary work circuit, and uses C language to write the control program, the last in the CCS software simulation and debugging.The design for the

7、 smooth conduct accurate brushless DC motor start and stop, acceleration deceleration control for the purpose, aimed at the complete set design of Brushless DC motor and the principle of DSP control design principle was to learn, not the actual physical production, designed for theory study, master

8、the whole design process. In this paper the DC motor, the working principle of DSP and the design process were introduced, and a list of references cited, in the final design of the problems and understanding are summarized.Keywords:DC Motor;DSP;Speed Regulation前言自从直流电机进入工业生产以来，伴随着工业的进步，对直流电机的控制也逐步的

9、趋向成熟，事实证明要想发展工业，加大对直流电机控制的研究是必不可少的。随着科技的进步，目前数字系统控制电机已经成为主流，其卓越的控制性能使其在直流电机控制领域占据着不可取代的地位。无刷直流电机既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等特点，故在各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺、家电和航空航天等方而的应用日益普及。由于无刷直流电机不存在机械电刷，会带来电机的电子换向问题，在无刷电机控制中的一个关键问题是要解决电子换向控制器的设计和实现。随着科技的发展，电予换向控制器经历了模拟控制电路、模拟数字混合控制电路、专用集成控

10、制电路、微处理器控制电路、数字信号处理器控制电路等阶段。传统的无刷直流电机控制器一般由模拟器件以硬接线的方式构成。模拟控制系统价格便宜，使用方便，在很长的一段时间里，它们是构成各类电机控制系统的主要手段。然而模拟元件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元器件的老化和温漂问题等，由于采用了硬接线， 系统升级困难。由于模拟控制系统的本质缺陷，使它很难满足现代电子系统的设计要求，应此，数字、控制系统应运而生。最初的数字控制系统都是以单片机为主控芯片，受单片机本身结构的限制，以其为核心所组成的单片机控制系统仍然需要较多的外围器件，系统中元器件的增加使得系统的可靠性、可维护性降低。在单片机控制

11、系统发展的同时，一些厂家开发出了电动机控制专用芯片，电机专用芯片不具有用户可编程的特点，它以硬件方式对电机的各类传感器信号进行检测，根据外部输入命令输出相应的控制信号。这类芯片价格便宜，执行速度快，但是所能实现的控制功能简单，难以满足高性能控制场合的需要。从目前的发展趋势来看，以数字信号处理器(DSP：Digital Singal Processor)为核心的控制电路将代表无刷直流电机电子换向控制器的发展方向。针对电机控制所设计的DSP芯片运算速度远远高于单片机，而且片内集成了模拟数字转换器、数字IO以及专门用于电机控制的PWM脉冲发生器等，使得它们从硬件机制上可以较好地满足电机控制系统的要求

12、。此外，DSP强大的事件管理器可以实时地执行一些高精度的复杂控制算法，减少传感器信号采样到控制命令输出之后的延迟，改善速度控制中的动态行为。可以看到，基于DSP控制器构成的电机控制系统具有传统单片机电机控制系统和专用芯片电机控制系统的优势，同时又克服了它们的各自缺点。而且，随着电子技术的不断发展，DSP芯片的成本在不断下降，目前TI的C2000系列芯片的价格和普通的单片机已经不相上下。1 因为控制技术的进步使得电动机控制在近些年内发生了巨大的变化。计算机、DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。我们必须把研究数字化、智能化的控制技术作为我们的研究方向。电动机的数字控制系统的发展

13、趋势主要表现为：(1)性能上高速、高精、高效化。速度、精度和效率是工业制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的数字伺服系统，同时采取了改善电机动态、静态特性等有效措施，电机的高速高精高效化已大大提高。(2)控制实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能

14、控制这一新的领域。(3)系统集成化、模块化、网络化。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度；硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化；电机联网可进行远程控制和无人化操作；利用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式结构。31 课题完成内容1.1 完成内容本课题主要完成以下几个内容的工作：1. 对硬件的设计，包括驱动电路、采样电路等电路的设计。2. 对软件方面的设计，主要包括编写程序来实现控制功能。3. 进行功能模拟，主要在CCS软件上实现模拟功能。 4.进行课题成果以及研究过程的分析整理。

15、1.2 章节安排 第一章介绍课题内容以及章节安排。 第二章主要介绍电机工作原理以及调速控制原理。 第三章主要对所选用的单片机进行介绍以及分析。 第四章主要进行硬件方面的设计。 第五章主要进行软件程序方面的编写。 2 直流电机工作原理以及调速原理介绍2.1 调速方法2.1.1 直流电机调速系统 直流电机具有很好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统已经已经逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用。因此，掌握直流拖动控制系统的基本规律和控

16、制方法是非常必要的。根据生产机械的要求，电力拖动自动控制系统有调速系统、伺服系统、张力控制系统、多电动机同步控制系统等多种类型。各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统中最基本的系统。直流电动机的稳态转速可表示为： (2-1)式2-1中，各变量如下。电枢端电压(V)；电枢电流(A)；电枢电路总电阻()；每极磁通量(Wb)；与电机有关的常数。由以上式子可以看出，有三种调节电动机转速的方法：1) 调节电枢供电电压U；2) 减弱励磁磁通；3) 改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有极调速；减弱磁通虽然能

17、够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。变压调速是直流调速系统的主要调速方法，系统的硬件结构至少包含了两个部分：能够调节直流电动机电枢电压的直流电源和产生被调速的直流电动机。随着电力电子技术的发展，可控直流电源主要有两大类，第一类是相控整流器，它把交流电源直接转换成可控的直流电源；第二类是直流脉宽变换器，他先用不可控整流把交流电变换为直流电，然后用PWM脉宽调制方式输出直流电压。自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉宽调制的高频开关控制方法，与V-M系统相比，直流PWM调速系统在很多方

18、面有较大的优越性：1) 主电路简单，需要的电力电子器件少；2) 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小；3) 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；4) 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；5) 电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，开关频率适当时，开关损耗不大，因而装置效率较高；6) 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。2 由于PWM调速控制具有以上优点，在应用中已经完全取代了V-M系统，本次课程设计中就是采用的该调速方法，因此主要对该方法进行介绍。 2.1.2 PWM调速原理介绍 PWM调速装置是利用大功率晶闸管的开关特

19、性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内接通和断开时间的长短，通过改变直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。因此，这种装置又称开关驱动装置，PWM控制的示意图，如图2-1所示。图2-1 PWM控制示意图电动机两端得到的电压波形，如图2-2所示。电压平均值Uav可用下式表示为 (2-2) (2-3)公式中，为占空比。图2-2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。在图2-2(a)中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压。时间后，栅极输入变为低电平，开关

20、管截止，电动机电枢两端电压为零。时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-2（b)所示。T图2-2 （a) 原理图 图2-2（b)输入输出电压波形占空比表示了在同一个周期T里，开关导通的时间长短与周期的比值。的变化范围为。由公式(2-2)可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变值就可以改变电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下三种方法都可以改变占空比的值。(1)定宽调频法。 这种方法是保持不变，只改变，这样使周期T(

21、或频率f)也随之改变。(2)调宽调频法。 这种方法是保持不变，只改变，这样使周期T(或频率f)也随之改变。(3)定频调宽法。 这种方法是使周期T(或频率f)保持不变，而同时改变和。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期T(或频率f)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用的很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。PWM又分为单极性控制和双极性控制，单极性和双极性控制相比，电机电流波动较小，而且在双极性PWM控制状态下，6个功率开关都处于开关状态，功率损耗较大，因此采用单极性控制作为本次的控制方式。无刷直流电动机的绕组通常是多相的，常见的是三相无

22、刷直流电机，其驱动电路如图2-3所示。图2-3三相无刷直流电机全桥驱动 通过控制上图6个场效应管上的PWM信号的有无，即控制各场效应管的工作状态，可以控制三相绕组上的电流的有无和方向，从而起到无刷换向及改变电机旋转方向的作用。同一时间，只有一对场效应管处于工作状态。电机转子处于不同旋转角度时，各场效应管工作状态及各绕组中的电流方向如表2-1。表2-1 三相无刷直流电机通电工作状态通电顺序正传反转转子位置0-6060-120120-180180-240240-300300-360360-300300-240240-180180-120120-6060-0开关管1，4 1，63，63，2 5，25

23、，43，61，61，45，45，23，2A相+B相+ +C相+按照表2-1中规律，在转子不同的位置，将PWM控制信号作用到相应场效应管的控制级上，就能使三相直流电机正常运行并改变旋转方向。固定PWM的信号频率，改变脉冲宽度，就可以调节电机转速。2.2 测量装置介绍2.2.1 电动机转速测量对电机进行调速控制，通常要测量电机的转速，某些电机调速系统，还需要测量转子的角位移。电机转速的测量方法，早期一般使用测速发电机或旋转变压器的方法。由于测速发电机的惯性较大，并且不能测量转子的角位移，通常不能满足电机数字控制的精度要求，因此，在电动机的数字控制系统中，一般采用光电编码器或者霍尔传感器来测量转速。

24、1、 光电编码器 光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。光电编码器是目前电机转速测量中应用最为广泛的转速传感器。本次主要介绍增量式正交光编码器的原理。如图2-4为增量式正交光编码器的原理图。图中左侧为光码盘。在光码盘的一侧放一发光元件，另一侧装三套感光电路，当光码盘旋转时根据光透过或被挡住的情况，分别在三套感光电路中各产生一组脉冲信号.从原理上来说，任取A信号或B信号都可以测量转速，并且每转脉冲数越多，速度测量越精确，响应时间越快。

25、但是受制作工艺的制约，光码盘的刻度不能够太多，常见的光电编码器每转输出A信号或B信号的脉冲数为600个。如果分别测取A信号、B信号的上升沿和下降沿的产生时间，并以此为基准利用特定的硬件电路重新产生一个脉冲序列，即可获得一个4倍于A信号（或B信号）频率的脉冲信号。工程实例中都是用这个4倍频信号测量转速，以利于现在的传感器。图2-4 增量式正交光编码器的原理图2、 霍尔传感器如果将三个开关型霍尔传感器在电机转子同轴线的圆圈上每隔120度安放一个，在电机的转子上安装一个磁珠，则电机转子每旋转一周，将在每个传感器上各产生一个脉冲信号，三个传感器输出端的三个波形共有6个边沿，调节传感器的参数，使每个脉冲

26、的宽度为180度，则时间上相邻的两个边沿之间的角度为60度。测量这6个脉冲的边沿到达时间，可以获得转速信号，同时根据这六个边沿到来的时间，可以测量、计算电机转子的角位移。3、 转速测量方法可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。M法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法，电机的每分钟的转速为： (2-5)在实际的测量中，时间Tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么M1就应该大于50。在一定的

27、转速下要增大检测脉冲数M1以减小误差，可以增大检测时间Tc单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0.01秒以下。由此可见，减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。M法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数N机测量时间Tc条件下，转速越高，计数脉冲M1越大，误差也就越小。T法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法。 (2-6)为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此T法测速适用于低速运行的场合。但转速太低，一个编码器输出脉冲的时间太长，时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出;另外，时间太长也会影响

28、控制的快速性。与M法测速一样，选用线数较多的光电编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。 M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的脉冲个数M1和M2进行计数，则电机每分钟的转速为实际工作时，在固定的Tc时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数，定时器定时Tc时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。采用M/T法既具有M法测速的高速优点，又具有T法测速的低速的优点，能够覆盖较广的转速范围，测量的精度也较高，在电机的控制中有着十

29、分广泛的应用。 (2-7)2.2.2 电流的测量某些电机控制系统中，要对电枢电流进行测量，数字电机控制系统中，电枢中的电流为脉冲信号，包含较高频率的谐波成分，电流互感器的高频性能较差，因此电机的数字控制系统中，一般不采用电流互感器获取电流信号，而是用取样电阻或霍尔电流传感器的方法获取电流信号。取样电阻法测量电流，优点是电路简单，成本低；缺点是测量回路和被测回路之间存在直接电气联系，系统的安全性和可靠性都存在不足。因此，取样电阻法只适合于被测电压不高，系统可靠性要求不高的应用场合。霍尔电流传感器能够测量较高频率的信号，与被测回路是电气隔离的，因而在实际的电机数字控制系统中被广泛采用。霍尔电流传感

30、器电流测量作用如图2-6。图2-5 霍尔电流传感器作用3 DSP控制器介绍TMS320LF240X是TI公司目前流行的一个控制类DSP系列，主要用于电机的数字控制。所谓控制类DSP，其实就是一种单片式微型数字计算机系统（单片机）。因此要了解控制类DSP的原理，首先要了解计算机及单片机的原理。3.1 DSP发展生产DSP器件的厂家众多，TI公司是占有市场份额最大的企业之一，目前TI公司得到最广泛应用的DSP器件，有TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000三大系列每个系列都有繁多的品种，新的品种层出不穷，更新的速度也非常快。TMS320C5000系列主要用于手机、调制

31、解调器等无线通讯领域，TMS320C6000主要用于视频、无线基站等应用领域，TMS320C2000系列主要用于微控制器，主要用于数字控制领域。DSP与普通计算机、单片机的区别主要在于中央处理单元CPU。普通计算机、单片机的CPU，一般由算术逻辑单元ALU控制单元组成，乘法运算也由算术运算单元完成。DSP的CPU与普通计算机、单片机相比较，具有以下几个特点：1) 采用增强型的改进哈佛总线结构和流水线作业方式，提高了取程序指令和数据存取操作的速度，哈佛结构运算原理图见图3-12) 为了提高乘法运算速度，专门增加了一个乘法运算器。3) 为了适应数字信号处理算法的特点，增加了三个移位定标寄存器。4)

32、 为了增加寻址的灵活性和快捷性，增加了一个专门的辅助寄存器算术运算单元。 这些电路部分，使得DSP在指令集设计和应用上具有自身的特色。图3-1哈佛总线运算原理3.2 TMS320LF2407介绍3.2.1 TMS320LF2407发展 TMS320LF240X系列是TMS320C2000系列目前正在广泛应用的一个分支，是继TMS320C20X、TMS320C2X、TMS320C5X之后出现的一种性能优越、价格低廉的定点DSP芯片。 TMS320LF240X系列DSP包括TMS320LF2407、TMS320LF2402、TMS320LF2406等几种芯片，其中以TMS320LF2407片上资源

33、最多，应用最为广泛。TMS320LF2402、TMS320LF2406为在TMS320LF2407的基础上删除部分功能的芯片。 为了适应数字信号处理的算法特点，TMS320LF240X型DSP设计了独特的CPU结构，使之具有各种DSP器件所共有的适合进行数字信号处理计算特性。TMS320LF240X系列是为电机数字化而设计的，其独特的外设事件管理器特别适合进行电机的数字控制，这是TMS320LF240X作为DSP器件所具有的特性。53.2.1 TMS320LF2407特点在TMS320系列DSP基础上，TMS320LF2407控制器具有以下特点。(1)中央处理单元32位中央算数逻辑单元(CAL

34、U)。32位累加器。3个比例移位器。16位*16位乘法器。间接寻址用的8个16位辅助寄存器和辅助算数单元(ARAU)。4级流水线操作。8级硬件堆栈。6个可屏蔽硬件中断。(2)存储器32K字片内FLASH程序存储器。544字的片内外设DARAM和2K字的片内SARAM。可用空间：程序存储空间64K，数据存储空间35.5K字，I/O空间64K字。(3)指令集单周期乘加指令。具有FFT倒序位序交址寻址能力。单周期指令执行时间为25ns(40MIPS)。源代码与定点TMS320C2X、C2XX、C5X兼容。(4)电源3.3V静态CMOS工艺。3种低功耗模式，且可以灵活开启和关闭具体外设的时钟。LF24

35、07具有一些与单片机不同的硬件特点。(1)时钟通过对晶振倍频后，LF2407的内部时钟是CPU时钟，最高可以高达40MHz。但是很多外设并不能承受这么快的时钟。通过对CPU时钟分频，LF2407所有外设都可以单独设置外设时钟。(2)中断DSP的中断有其内核中断、事件管理模块的中断和系统模块中断组成。DSP内核中断包括：由指令INTR，NMI和TRAP产生的软件中断和来自复位RS，非屏蔽NMI和可屏蔽INTx(x=1，2，3，4，5，6)的硬件中断；事件管理模块的中断包括：通用定时器的周期事件中断、通用定时器的比较事件中断、通用定时器的溢出事件中断、单比较中断、全比较中断、捕获中断和电源驱动保护

36、中断(PDPINT)；系统模块中断包括：A/D转换中断、串行通信SCI的接收中断、串行通信SCI的发送中断、串行外设接口SPI中断、外部引脚XINTx(x=l，2，3)产生的可屏蔽中断和外部非屏蔽引脚NMI中断。(3)存储器空间LF2407A包含三个独立的存储空间，在调试过程中，对于片上的引脚，可以做出选择，将其置于高电平时，进入微处理器(Micro Processor)模式，寻址将对外程序存储器。在程序调试阶段，常译码一个外部RAM存储器，通过CCS中的file-load Program命令，下载编译好的程序到外部RAM中运行。当把MP/MC引脚置位为低电平时，进入微控制器(Micro Co

37、ntroller)模式，寻址内部FLASH程序存储器，等最后将程序调试完毕，再烧写到内部FLASH。同时LF2407A还可以通过GEL语言来设置寄存器SCSR2的MP/MC位，从而决定程序存储器映射于内部还是外部空间。43.2.2 TMS320LF2407开发环境首先是选择编程语言编写源程序。TMS320LF240x DSP支持3种编程语言：汇编语言和C，C+语言。对于完成一般功能的代码，这3种语言都可以使用，但是对于一些运算量较大的关键代码，和一些对时间要求较高的程序，最好还是采用汇编语言来完成，以提高程序的运算效率。当源程序编写完成后，就要选择开发工具和环境，来进行调试和完善。这里有两种环

38、境可供TMS320LF240x进行选择。一种是非集成的开发环境，另一种是集成开发环境Code Composer Studio，简称CCS。CCS在平时所用的Windows操作系统中运行，它集成了非集成开发环境的所有功能，并扩展了许多其它的功能。在CCS中带有C编译器和其它相关的开发软件，使得用户可以直接利用C语言进行开发，同时，它还带有一个功能齐全的优化编译器，使用一种先进的优化扫描技术产生高效简洁的C代码，面向TMS320LF240x的专用优化，则充分利用了TMS320LF240x独有的结构特点，另外还提供了一些其它的措施用以提高C代码的执行效率，如函数嵌入等。目前DSP软件开发有三种方式：

39、一种是直接写汇编语言程序进行汇编链接；一种是编写C语言程序，用C语言优化软件编译链接；还可以进行混合编程，来完成整个功能。4 硬件设计4.1 整体控制方案设计ad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨

40、德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿

41、萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad

42、阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saa

43、d阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad阿萨德saad 图4-1 DSP整体控制原理图如图4-1所示，DSP整体控制结构包含了电源模块、逆变电路、电流检测、转子位置速度检测、DSP2407芯片以及外部扩展等。4.2 电源电路设计由于常规的单片机电源为5V，而本次我们要用的电压为3.3V，所以我们需要将原有的5V电压转换为3.3V电压。设计转换电路如图4-2。图4-2 电源转换电路4.3驱动电路的设计控制驱动电路包含有电压驱动、电压逆变、电流检测电流、位置检测电路、电机保护电路、按键控制电路以及显示电路等。因为本次设计以设计研究学习为主

44、，未进行实际的硬件连接，所以对按键控制电路和显示电路只进行一些介绍。4.3.1 驱动方案及器件选择1) 驱动方案设计设计功率驱动电路主要有两种解决方案：方案一是电压驱动加逆变电路，方案二是采用智能功率模块。方案一的电路较为简单，元件的价格也相对较为便宜，缺点在于电路不够紧凑，逆变电路的功率元件需要另外的散热措施。方案二的智能功率模块将各元件集成在一个芯片里面，结构很紧凑，但是造价也是很高的，而且它还需要三相独立的直流电源给电机三相供电，操作麻烦还增大了电源压力。所以综合以上的几方面，作为实验阶段，建议采用方案一作为该实验的驱动方案。2) 驱动芯片的选择本设计预计采用IR2132的驱动芯片，该芯

45、片为为三相桥式驱动设计的专用芯片，是一种高压、高速、高功率的MOSFET和IGBT驱动芯片。供电电压为10到20V，开关频率在20KHZ以上。主要优点：1 运用自举技术形成悬浮的高压侧电源，因而只用一路电源即可驱动三相桥式逆变电路中母线电压不超过600V的六个功率MOSFET,所需外围电路较少，可以简化整个驱动电路；2 逻辑输入与5VCOMS或TTL输出兼容；3 开关时间典型值ton/toff为675ns/475ns,死区时间的存在可以防止由于开关管断延时造成的直臂导通现象；4 具有过流管断、欠压及过压逻辑封锁功能；5 内部集成比较器CC和线性放大器CA，从而省去了通常功率驱动电路中电流反馈和

46、过电流检测所需的外部比较器和放大器。 IR2132的各引脚功能：1 HIN1-HIN3、LIN1-LIN3:逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效；2 VB1-VB3:高边悬浮电源连接端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，VS1-VS3是其对应的高边悬浮电源地端；3 H01-H03、L01-L03:逆变器上下桥臂功率开关元管驱动信号输出端；4 ITRIP:过流信号检测输入端，可通过输入信号来完成过流或直通保护；5 FAULT：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号，他在芯片里面是漏极输出端，低电平有效；6 VCC、VSS：芯片

47、电源连接端，VCC接正电源，VSS接电源地。 IR2132的驱动原理：输入的6路驱动信号经过发生器后变成了6路输出的脉冲，驱动下桥臂功率管的信号LIN1-LNI3经过片内的驱动器放大后，输出LO1-L03能够被送入驱动下桥臂的栅极中去。而驱动上桥臂功率管的信号HIN1-HIN3要先经过IR2132内部的3个脉冲发生器和电平转换器进行电位变换，变为3路电位悬浮的驱动脉冲，在经过对应的3路输出锁存器及驱动检验后送到片内驱动器进行功放。最后输出的HO1-HO3可以加到被驱动的上桥臂功率管。3） 功率开关的选择功率开关主要分为IGBT和MOSFET，他们各有优缺点：1 MOSFET是电压控制元件，功率

48、增益高，驱动功率小，驱动电路相对简单；2 MOSFET的工作频率范围宽，开关速度高，功耗比较小；3 价格便宜，保护电路比较简单。 随意建议采用MOSFET管作为本驱动电路的功率开关，根据实验需要和市场行情，可以采用IRF640（N沟道）作为功率开关。该功率开关的参数见表4-1。表4-1 IRF640（N沟道）参数参数名称数值单位VDSS漏极击穿电压180VRDS通态电阻0.150欧姆ID漏极电流18Adt/dv二极管电压恢复峰值斜率5V/nsIDM最大漏极电流72ATd(on)开通延迟时间13nsTd(off)管断延迟时间21nstr上升时间27nstf下降时间25nsP最大功耗125WTn最

49、大工作温度1504.3.1 驱动电路原理单片机2407的时间管理器EVA或者EVB输出的6路PWM信号经过光耦合隔离后接到驱动芯片IR2132的HIN1-HIN3和LIN1-LIN3六路输入端，驱动芯片把PWM信号电压放大，输入到逆变桥驱动电机工作，以实现调速功能。IR2132芯片工作电压取15V的直流电压，高边悬浮电源VB1-VB3分别通过快恢复二极管FR157D1-D3和VCC电源相连。高边悬浮电源地端VS1-VS3分别经过自举电容C1-C3和高边悬浮电源VB1-VB3相连接，由上桥臂的驱动器提供内部电源。其中Q1、Q3、Q5为上桥臂，Q2、Q4、Q6为下桥臂。上桥臂的功率管漏极接电机电压

50、，下桥臂的漏极和源极相接。下桥臂功率管的源极和电源地之间接一个0.1欧的采样电阻。HO1-HO3分别经过51欧的电阻和逆变器上桥臂功率管相接，LO1-LO3分别经过20欧的限流电阻和下桥臂的三个功率管相接。驱动电路原理图见图4-3。图4-3 驱动电路原理图4.3转速测量电路在前面我们介绍了光电编码器测速和霍尔传感器测速，在这里我们拟采用光电传感器进行设计研究。其工作原理是测取单位时间输出的脉冲个数，用来计算这段时间内的平均转速，采用的是M法测速，将信号传给DSP芯片TMS320LF2407，计算单位时间内检测到的脉冲个数，得到直流电动机的转速，其转速测量电路设计如图4-4所示。图4-4 转速测

51、量电路由于捕获单元通常也是用于电机转速和位置的测量，对于一台电机的控制来说，一般无需两套测量信号，因此光电编码器接口引脚QEP1、QEP2，分别和捕获引脚CAP1、CAP2共用。来至光电编码器的A脉冲和B脉冲分别连接到LF2407的QEP1和QEP2引脚，经过内部的解码单元后，输出两路信号。其中一路为A脉冲的4倍频信号，通过对T2CON有关位置进行设置，作为定时器2的计数脉冲。另一路为对A脉冲和B脉冲初相位进行比较产生的表征电机旋转方向的信号，通过T2CON有关位进行设置，作为定时器2计数方向的控制信号。4.4 JTAG接口电路设计JTAG扫描逻辑电路用于仿真调试，采用JTAG电路可实现线仿真

52、，同时也可以在调试过程中装载数据、代码。通过JTAG接口能够把仿真器和目标系统连接起来。本系统拟采用TI公司提供的JTAG仿真接口来进行设计研究，用以调试DSP的硬件和软件。该接口电路硬件连接如图4-5所示。DSP的EM和EM0之间需要加上上拉电阻，在本设计中采用10K的电阻。图4-5 JTAG接口电路设计4.5 电流检测电路设计采样电流信号一般情况下有2种情况可以采用，采样电阻和电流传感器。采样电阻可以将主电路的电流信号转换为电压信号直接送给控制电路，电路简单易行。可以发现，我们在驱动电路设计中加入了采样电阻，在下桥臂和芯片接口间有个0.1欧的采样电阻，但是采样信号太小，所以我们需要设计一个

53、放大电路。如图4-6。图4-6 电流反馈电路5 程序设计5.1 主程序设计系统初始化定时器初始化开始判断是否有键按下N执行按键功能Y测速显示返回主程序比较初始化图5-1 主程序流程图主程序部分程序设计如下：Void main(void)Initsysctrl（）；/系统初始化EALLOW;GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x00ff;/设置GPIO功能，使PWM输出引脚GpioMuxRegs.GPBDIR.all=0x00ff;GpioDateRegs.GPBDAT.all=0x00ff;EDIS;DINT;/禁止和清除CPU中断Initpiectrl();/初始化Pie控制寄存

54、器为默认状态IER=0x0000;IFR=0x0000;InitpieVectTable();capInit();/捕获单元初始化ADCInit();/AD初始化InitEn();/中断初始化Pwminit();/EV初始化Huoer_flag=read_huoer();/读取转子位置Startmotor();/起动电机For(;);/等待中断5.2 主要模块的设计5.2.1 PWM发生模块开始设置PWM口清除中断定时器1赋值生成PWM波返回图5-2 PWM发生模块以该流程图为基础，用C语言编写了相关的程序如下。void PWM_Init() MCRA=MCRA | 0x00C0;/PA6-PA7为PWM口 EVAIFRA=0xFFFF;/清除中断标志 ACTRA=0x000A; /PWM1,2高有效 DBTCONA=0