直流电机控制系统设计

PAGEPAGE10附件1：四年一贯制技术技能型本科安徽工程大学四年一贯制技术技能型本科芜湖职业技术学院《DSP原理及应用》课程设计课题名称直流电机控制系统设计院（系）电气与自动化学院专业自动化姓名学号起讫日期2021.6.7-2021.6.11

指导教师贾冕茜2021年6月11日摘要TI16DSP控制器TMS320LF2407DSPDSP出控制信号来控制电机的转动。关键词：直流电机；DSP；PID控制器；PWM目录第1章 绪论 41.1课题概述 41.2课题研究的现状 51.3课题研究的内容 6第2章 整体设计 72.1 系统的组成 72.2硬件方案论证 72.3 本章小节 9第3章 系统硬件设计 103.1 电源电路的设计 103.2 功率驱动单元的设计 103.3 123.4 显示单元的设计 143.5 通信单元的设计 153.6 本章小节 16第4章 系统总体调试 174.1调试准备 174.2系统调试 17参考文献 19第1章 绪论1.1课题概述1.1.1研究背景直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用。随着计算机技术和电力电DSPDSPDSP控制系统；有单闭环控制系统，有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统，有不可逆调速系统等[9]。开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；研究的目的是利用计算机硬件和软件发展的最新成果，对控制系统升级进行研究；研究工作是在对控制对象全面回顾总结的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件环境的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。目前，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着技术的发展，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。DSP提高，DSP将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用。1.1.2研究目的及意义长期以来，直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高质高效的平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其它电动机的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍无其它电动机可比。在控制系统的构成上，本课题对硬件电路进行了设计，而这个硬件系统具有一定的通用性，也即可以将它作为一个硬件平台，在其它过程控制中应用。另外，由DSP的特点量身订做，可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设不浪费资源。本直流电机控制系统采用经典的数字增量式PID控制算法，在本文中对数字增量式PID控制的理论、设计和实现进行了较为详细的论述。1.2课题研究的现状近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。除了人们己经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等。另一方面，由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高，如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子[1]。使用高性能的数字信号处理器（DSP）来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前较为普遍的做法。将一系列外围设备如模数转换器D制发生器和数字信号处理器集成在一起，就获得一个既功能强大DSPDSP的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好，价格却大幅度降低。低端产品的价格已接近单片机的价格水平，但却比单片机具有更高的性能价格比。越DSP器件取代高档单片机的时机己成熟[13]。与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的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A/D和采样/PWM器件为精简指令器件，大多数指令都能在一个周期内完成，并且通过并DSP采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线，使DSP器件具有高速的数据计算能力。而单片机为复杂指令系统计算机（CIS2-3.诺依曼结构，ALU乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指令周期，也就是说速度比较慢。所以，DSP168-1016-30DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提供了FFT快速傅立叶变换和滤波器的运算。此外，DSPJTAG（JointTestAction接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便。DSP现复杂的实时控制。1.3课题研究的内容DSP的直流电机控制系统，通过控制算法和调速方法的分DSPDSP制的脉冲控制整流电压，改变串入主回路中的直流电动机的电磁转矩，实现电动机的转速调节。第2章 整体设计2.1 系统的组成2-1DSP元、通信单元五个部分。DSP控制单元：对来自上位机的给定信号和来自传感器的反馈信号按一定的算法进行处理，输出相应的PWM波，经过光电隔离部分，送给功率驱动单元；DSPPWM信号进行功率放大后送给直流电动机的电枢两端，驱动电机与负载；速度检测单元：采集电机的速度信息，并送给主控制器；显示单元：将采集到的电机转速信息予以显示；通信单元：负责主控制器与上位机及外设的信息交换。本论文选择TITMS320LF2407DSP作为直流电机控制系统的微处理器。2.2硬件方案论证2.2.1测速传感器的选择EnE=knk是常数。改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。旋转时，每当磁体经过霍尔元件，霍尔元件就发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，送运算。方案三：在电机的转轴上套一码盘，利用光电对管测脉冲，每转一圈OUT端输出若干个脉冲。（本设计中码盘每转一圈，输出4个脉冲）经比较，方案一中的测速放电机安装不如方案二中霍尔元件安装方便，并且准确率也没方案二的高，并且方案二不需A/D转换，直接可以被DSP接收。但方案T，这样每分钟0也可以采用记数的方法：具体是通过DSP记单位时间S（秒）内的脉冲数N，每分钟的转速：M=N/S×15。比较两个计数方法，方法一所产生的误差主要是标准误差和硬件设计误差，因为此次测速所使用的码盘为自行制作，间隔不均匀，容易使脉冲之间产生时间差。而方法二的误差主要是±1（量化误差故选方案三。2.2.2功率驱动单元方案论证方案一：采用专用小型直流电机驱动芯片。这个方案的优点是驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。HPWMDSP控制达林顿管使之工和截止模式下，效率非常高；HPWM调速技术。通过比较和对市场因素的考虑，本设计采用方案一。2.2.3键盘显示方案论证3×4缺点是功耗大，不符合智能化趋势而且不美观。方案二：使用3个按键，进行逐位设置。一个按键控制正转，一个反转，一个停止。优点是美观大方，一目了然；缺点是抗干扰能力较差。由于方案一中电机转动级数设置可以通过软件实现，且方案二中干扰也可通过软件克服。因此，本设计完全采用方案二。2.2.4PWM实现方案论证PWMNE555NE555产生的信号要通过功率放大才能NE555SG3525构成的控制电路较为复杂，且智能化、自动化水平较低，在工业生产中不利于推广和应用。方案二：基于DSP由软件来实现PWM。在PWM调速系统中占空比是一个重要参数。在电源电压Ud不变的情况下，电枢两端电压的平均值取决于占空比的大小，改变的值可以改变电枢两端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比的值有三种方法：At1不变，只改变t2，这样使周期(或频率)Bt2t1，这样使周期(或频率)也随之改变。CT(或频率)不变，同时改变t1和t2。图2-2电枢电压占空比图前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起震荡，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。所以选择方案二，采用定频调宽法。本章小节本章对系统的总体设计模块和各大系统方案的选择做了简要的阐述，确定了系明确了各大功能模块和主控制器之间的逻辑关系，为各大模块的功能实现提供了强有力的支持。第3章 系统硬件设计电源电路的设计TMS320LF2407采用高性能静态CMOS，供电电压为低电压+3.3V，而系统中还有其他一些TTL芯片，需要+5V电压，为此，系统为一个多电源的系统。电源转换电路的功能是用来产生稳定可靠的3.3V直流电源，提供给TMS320LF2407以及整个数字电路工作[10]。图3-1电源电路J1标识为内正外负，+5V稳压直流电源输入。TPS7333电源转换芯5V3.3V,DSP的733310uF0.1uF3.3V压。功率驱动单元的设计直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PutsWidthModulation，简称PWM）控制方式已成为绝对主流。WidthModulation）——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。图3-2PWM调速控制原理图和电压波形电机驱动电路本设计的功率驱动电路采用的是H桥型脉宽调制方式（PWM）的L298N[14]。L298NSGSH桥的高电压大电TTL46伏、2安培以下的电机，25°130°3-1是其使能引脚，输入引脚和输出引脚之间EnAOUT1OUT2IN1IN2OUT1OUT2EnA为高，IN1IN2IN1IN2电平相同时，电机停转。表3-1L298N功能逻辑表EnAIN1IN2电机转向HHL正转HLH反转H同IN2同IN1停止LXX停止输入对应LF2407IOPA6IN2分别对应LF2407IOPF3IOPF43-3所示。图中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。需要注意的是，三个引脚信号都应通过光电隔离的变换后再作用于L298N，目的是为了防止因电机启动停止瞬间产生的尖峰脉冲对主控制器的影响。本设计中的光电隔离采用的是高速光耦6N137，信号经过6N137的隔离后不改变逻辑状态。IOPF3IOPF4IOPA6DSPPWM信号的占空比决定了电机两端电枢电压的大小，从而实现电机调速。同样，当电机要求反转时，IOPF3给出低电平信号，IOPF4给出高电平信号。

图3-3L298N接口电路速度检测单元通过传感器采集电机转速信息，并传送给主控制器，同时与主控制器构成一个闭环回路[7]。转速的测量主要是借助光电或磁电传感器来实现，其具体做法是：与电机同轴连接一均匀分布的码盘或直接利用电机来带动码盘旋转，使该码盘与电机轴同步旋通过计算即可得出电机的转速。速度检测电路设计电机测速模型如图3-4，将栅格圆盘变化通过光电发射器和接收器以及外围转换电路的作用送给DSP通过数学运算得到电机的转速[11]。图3-4电机测速模型光电对管产生的脉冲在经过施密特触发器SN74LS14后送入LF2407的捕获单元，捕获单元可以记录在某个时间段内捕获到的脉冲数，从而计算出电机的转速。具体的接口电路如图3-5所示。图3-5速度检测电路需要注意的是，光电对管出来的信号一般为+5V的方波信号，为此需要经过一SN74LVC245隔离才能与LF2407的CAP3-6所示。显示单元的设计显示单元要求将采集到的电机转速信息予以显示，实时监测电机的转速状态。显示单元接口电路设计1602的V0口外接一个10K的电位器，用以调节液晶显示器的对比度，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高； RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器，与芯片的IOPA3口连接；R/W为读写信号线，高电平进行读操作，低电平进行写操作，与芯片的 IOPA4口连接为使能端下降沿使能和芯片的IOPA5口连接数据端和LF2407的口连接。具体电路连接如图3-9所示。通信单元的设计

图3-9液晶显示接口电路为了实时地监控下位机的工作状态，本设计还建立了上位机与下位机通信的电路模块[1]TMS320LF2407RS-232DSPPC机之间的异步通信。上位机PCRS-232串行口与下位机（DSP）进行通信，进行上位机与下位机之间的数据交换，有效的RS-232CTTL电平不一致，本设计中利MAX232TMS320LF2407+3.3VMAX232TMS320LF2407之间也需3-10所示。图3-10通信单元接口电路本章小节本章从硬件出发，针对直流电机控制系统的要求，对系统的功率驱动电路、速度检测电路、按键电路、显示电路以及通信电路的设计方法进行了详细的论述，对硬件电路展开了细致的讨论。由于涉及各种电路之间的密切配合，所以本章中各种电路的设计都是从工程实际出发，作了较细致的考虑。实践证明，系统的硬件可靠性较高。第4章 系统总体调试4.1调试准备DSP备工作。DSP-2407开发板、DSPPC机。开TMS320LF2407TDS510Ver3.1DSP软件调试使用的CCS2.2forC2000的软件开发环境[17]。CCS是TI公司DSP软件的集成开发环境，在Windows下工作，类似于VC++的集成开发环境；采用图形接口界面，有编辑工具和工程管理工具；它将汇编器、链接器、C/C++编译器、建库工具等集成在一个统一的开发平台中；CCS所集成的代码调试工具具有各种调试功能，能对TMS320系列DSP进行指令级的仿真和可视化的实时数据分析；同事具有丰富的输入/出库函数和信号处理库函数。C2000在安装成功之后，还需要进行一系列的配置。这就需要按照芯片的类型和仿真器的种类进行相应的选择。4.2系统调试在硬件和软件都准备充足的前提下，就可以进行系统的总体调试了。首先按照自己事先设计好的电路图进行连接，由于该系统较为复杂，模块部分较多，排线的连接应格外小心，对于每根排线的接头我都是用绝缘的橡胶层包裹起DSPPCCCS2.2开发环境下进行编译，编译成功之后系统会生成一个outhexDSPDSPPC机的连接已经TDS510Ver3.1DSP仿真器的驱动软件安装成功。我在最初进行硬件调试的时候就是把仿真器的驱动软件安装错误，导致系统无法进行调试仿真，最后在老师的指导下才解决了这个问题。所以对于驱动软件的安装是系统进行硬件调试的前提。outDSP后，运行系统。此时，观察到的唯一现象是LED1不断闪烁。我在进行调试的时候为了便于观察程序是否跳转到中断服务程序，特别在LEDK1开关后，电机转动起来，正转模式指示灯亮，同时，电机的转速信息也在第一时间反1602K1K1K3开关，则电机反转，反转指示灯亮，其现象和正转模式没有区别。如果在电机开始转动