基于DSP的直流电机控制技术实现毕业论文设计说明书.docx
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基于DSP的直流电机控制技术实现毕业论文设计说明书
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毕业设计说明书
基于DSP的直流电机控制技术实现
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本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
基于DSP的直流电机控制技术实现
摘要：
直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，可以独立控制，因此具备良好的调速性能，出力大、调速范围宽和易于控制，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。
本设计采用美国TI公司专门为电机数字化控制设计的16位定点DSP控制器TMS320LF2407作为微控制器。
该芯片集DSP信号高速处理能力及适用于电机控制优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制技术提供可靠高效的信号处理与控制硬件。
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，其中DSP控制器是电机控制系统的关键部分，负责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。
关键词：
直流电机；DSP；PID控制器；PWM
TheDesignofDCMotorControlSystemBasedOnDSP
Abstract:
TheDCmotorarmaturemagneticfieldandtheexcitationcompletelydecoupled,itcanbeindependentlycontrolled,soitelectricdrivesystems.Withthemotorcontrolrequiredforcontinuousimprovement,commonsingleMCUcan'tmeetrequirementsofthemotorcontrolwell,DSPtechnologyjustfortheadvancedcontroltheoryandcomplexcontrolalgorithmimplementationprovidesastrongsupport.
ThisdesignusestheAmericanTIcompanyspeciallyformotorcontroldesignofdigital16fixed-pointDSPcontrollerTMS320LF2407asthecontroller.ThechipsetDSPsignalthemotorcontroloptimizationtheperipheryofthecircuitinabody,devices,themaincontroller,powerdriverandPCcomponents,whichDSPcontrollerisakeypartofthemotorcontrolsystem,responsibleforthemotorfeedbacksignalprocessingandoutputcontrolsignaltocontroltherotationofthemotor
KeyWords:
DCmotor,DSP,PIDcontroller,PWM.
盐城工学院新校区基于DSP的直流电机控制技术实现
1课题概述
1.1课题研究背景
电气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气传动和交流电气传动两大类。
纵观电气传动的发展过程，交、直流两大电气传动并存于各个时期的工业领域内，虽然它们所处的地位和作用不同，但是它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子学和微电子学的发展，在相互竞争、相互促进中完善着自身。
发生着变更。
由于直流电动机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，因而在工业场合应用广泛。
近代，由于生产技术的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、和动态响应方面都提出了更高的要求，所以用计算机控制电力拖动控制系统成为计算机应用的一个重要内容。
直流调速系统在工农业生产中有着广泛的应用。
随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展，两者的有机结合使电力拖动控制产生了新的变化。
计算机技术、电力电子技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉，具有广泛的应用前景。
有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究。
直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程。
随着数字信号处理器DSP的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。
将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中，在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法，为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作。
用计算机技术实现直流调速控制系统，计算机的选型很多。
经过选择，选取DSP芯片作为控制器。
直流调速系统的内容十分丰富，有开环控制系统，有闭环控制系统;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。
在电气时代，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。
在一个电机控制系统或运动控制系统中，为了得到希望的运动轨迹，人们需要对电动机进行控制。
随着电子技术的不断发展，电子设备的使用日益增多。
电脑、手机、空调、电视等许多电子产品，已经成为我们生活中必不可少的一部分这些都离不开电机的控制。
开展本课题研究的控制对象是双闭环直流调速系统;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。
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将发挥越来越重要的作用。
1.2课题研究的目的及意义
一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，一直在现代化生产和生活中发挥着十分重要的作用。
无论是工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电机。
据资料统计，现在有90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分。
电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。
其中，直流电动机在八十年代以前一直处于调速传动领域的主导地位，这主要源于其完美的转矩控制特性，即通过调节电枢电压和励磁电流就可以任意调节其转速和转矩。
以微控制器为核心的运动控制系统首先需要说明的是，这里的微处理器事实上是指以MCS－51、MCS－96等为代表的8位或16位单片机。
利用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器，所构成的系统具有如下优点：
（1）使电路更简单。
模拟电路为了实现逻辑控制需要许多分立电子元件，从而使电路变得复杂。
采用微处理器以后，绝大多数控制逻辑可采用软件实现。
（2）可以实现较复杂的控制算法。
微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、具有大容量的存储器，因此有能力实现较复杂的控制算法。
（3）灵活性和适应性强。
微处理器的控制方式主要有软件来实现，如果需要修改控制规律，一般不必修改系统的硬件电路，只需对软件进行修改即可。
（4）无零点漂移，控制精度高。
数字控制系统中一般不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题，控制器的字长一般可保证足够的控制精度。
（5）可提供人机界面，实现多机联网工作。
一些性能要求不是很高的场合，现在普遍使用单片机作为电动机的控制器。
实际上与单片机功能类似，可作为电动机控制器的元件还有很多种，如工控机、可编程逻辑控制器等。
工控机的功能十分强大，它有极高的速度、强大的运算能力和接口功能、方便的软件环境，但由于工控机成本高、体积大，所以一般只用于大型系统。
可编程逻辑控制器则正好相反，它只能完成逻辑判断、定时、计数和简单的运算，由于功能太弱，它一般也只用于较简单的电动机控制系统设计。
单片机处于工控机和可编程逻辑控制器之间，拥有强大的控制功能、低廉的成本，可以较好地满足任意类型电动机控制系统设计的需要。
然而，由于微处理器一般采用冯－诺依曼总线结构，处理器的速度有限，处理能力也有限；另外，单片机系统比较复杂，软件编程的难度较大。
同时，一般单片机的集成度较低，片上不具备运动控制系统所需要的专用外设，如PWM产生电路等。
因此，基于微处理器构成的电动机控制系统仍然需要较多的元器件，这增加了系统电路板的复杂性，降低了系统的可靠性，也难以满足运算量较大的实时信号处理的需要，难以实现先进控制算法，如预测控制，模糊控制等。
以可编程DSP控制器为核心构成的运动控制系统为了满足世界范围内运动控制系统的需要，TI公司推出了它的TMS320240x系列DSP控制器。
x240x系列DSP控制器将一个高性能的DSP核、大容量的片上存储器和专用的运动控制外设电路（PWM产生电路、可编程死区、SSVPWM产生电路、捕获单元等）以及其他功能的外设电路（16通道模拟数字转换单元、串行通信接口、CAN控制器模块等）集成在单芯片上，保持了传统微处理器可编程、集成度高、灵活性适应性好、升级方便等优点；同时，其内部的DSP核可提供更高的运算速度、运算精度核处理大量数据运算的能力。
x240x系列DSP控制器采用改进的哈佛结构，分别用独立的总线来访问程序和数据存储空间，配合片内的硬件乘法器、指令的流水线操作和优化的指令集。
DSP较好地满足了系统的实时性要求，实现复杂的控制算法如Kalman滤波、模糊控制、神经元控制等。
通过上面各种方法的对比，可以得到以下结论：
基于以DSP控制器构成运动控制系统可满足任意场合的需要，将是运动控制系统实现技术的发展方向。
本毕业设计制作了一个小型的直流电动机调速装置，虽然实际应用中较难用到这么小的直流电动机调速装置，但万变不离其宗，实际应用中的直流电动机调速装置大致原理与本设计相差无几，因此，本设计有着很强的理论和指导意义。
设计的主线是“控制”2字，与本人所学专业密不可分，通过完成此次毕业设计的工作，能够加深对本专业精髓的理解，同样能够增强自学能力、实践能力和钻研精神，而且设计过程中理论充分地联系了实际，对以后工作也有很大的帮助。
本毕业设计基于TI公司的TMS320LF2407控制器，对直流电动机进行调速测速的控制系统，进行了设计研究。
1.3课题研究内容
在研究了全数字直流电动机控制系统基础上，提出一种以DSP为控制器的直流电动机智能控制系统。
系统选用TI公司的TMS320LF2407高性能数字处理器，设计出基于DSP的数字直流电机控制系统。
对直流调速原理分析，针对本文用到的调压调速原理以及特点进行说明。
系统硬件结构整体设计方案，给出了系统整体设计框图，在此基础上介绍了本系统实现的主要功能；设计了以TMS320LF2407A为核心的硬件系统系统软件的设计，主要根据硬件设计所要实现的功能进行了系统整体设计，依据软件的整体功能设计了各个功能模块程序。
系统硬件电路的设计与制作：
在DSP硬件设计方面，完成控制系统方案设计的论证和系统硬件控制电路的设计，并进行系统基本功能的调试工作，主要工作包括:
（1）方案论证:
根据系统性能指标要求，确定系统的控制方案;
（2）原理图绘制:
根据系统设计方案完成控制系统DSP电路原理图的设计工作，包括DSP本体电路设计和直流直线电机驱动电路设计;.
（3）硬件调试:
制作PCB电路板。
系统控制软件的设计与实现
按照控制系统技术指标的要求，对系统进行合理的分析与规划，寻求合适的控制规则并确定软件流程，主要工作包括:
（1）系统软件总体需求分析与设计;
（2）系统软件整体结构设计;
（3）统各部分功能的软件实现;
（4）组成完整程序进行调试。
2.直流电机的DSP控制
2.1直流电动机的控制原理
根据图2-1它励直流电动机的等效电路，可以得到直流电动机的数学模型。
电压平衡方程为：
（2-1）
式中，
为电枢电压；
为电枢电流；
为电枢电路总电阻；
为感应电动势；
为电枢电路总电感。
其中感应电动势为：
（2-2）
式中，
为感应电动势计算常数；
为每极磁通；
为电动机转速。
将式（2-2）代入式（2-1）可得：
（2-3）
直流电动机的电磁转矩为：
（2-4）
转矩平衡方程为：
（2-5）
式（2-4）和式（2-5）中，
为折算到电动机轴上的转动惯量；
为电动机的电磁转矩；
为负载转矩；
为电动机角速度；
为电动机转矩常数。
图2-1直流电动机等效电路
由式（2-3）可得，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
进行控制的电枢电压控制法。
励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时，通过调整励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速的。
这种调速法的调速范围小，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的很少。
电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压来实现调速的。
在调速时，保持电枢电流不变，即保持电动机的输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的大调速范围，因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。
本章主要介绍这种方法的DSP控制。
对电动机的驱动离不开半导体功率器件。
在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式：
线性放大驱动方式和开关驱动方式。
线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。
这种方式的优点是：
控制原理简单﹑输出波动小﹑线性好﹑对邻近电路干扰小。
但是功率器件在线性区工作时会将大部分电功率用于产生热量，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率直流电动机的驱动。
绝大多数直流电动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）来控制电动机的电枢电压，实现调速。
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
。
t1时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为零。
t2时间后，栅极输入重新变为高电平，开光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
（2-6）
压波形如图2—2（b）所示。
电动机的电枢绕组两端的电压平均值为：
（2-7）
式中a为占空比。
（a）原理图
（b）输入输出电压波形
图2-2PWM调速控制原理和电压波形图
占空比a表示了在一个周期T里，开关管导通的时间长短与周期的比值。
a的变化范围
。
由式（2-6）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a的大小，改变a的值就可以改变端电压的平均值，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a是一个重要的参数。
以下3种方法都可以改变占空比的值：
（1）定宽调频法。
这种方式是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。
（2）调宽调频法。
这种方法是保持t2不变，而改变t1，这样使周期T（或频率）
（3）定频跳宽法。
这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。
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。
TMS320LF2407xA系列电动机专用DSP集成了PWM控制信号发生器，它可以通过调整事件管理器的定时器控制寄存器来设定PWM工作方式和频率；通过调整比较值来调整PWM的占空比；通过调整死区控制寄存器来设定死区时间；通过专用的PWM输出口输出占空比可调的带有死区PWM控制信号，从而省去了其他控制器所用的外围PWM波发生电路和时间延迟（死区）电路。
电动机专用DSP的高速运算功能可以实现直流电动机的实时控制，通过软件实现名副其实的全数字控制，从而省去了外围的PID调节电路和比较电路。
因此，使用DSP控制直流电动机可以获得高性能和低成本。
直流电动机通常要求工作在正反转的场合，这时需要使用可逆PWM系统。
可逆PWM系统分为单极性驱动和双极性驱动，以下分别介绍单极性驱动和双极性驱动可逆PWM系统。
2.2直流电动机单极性驱动可逆PWM系统
单极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈单一性（或者正﹑或者负）变化。
单极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆系统的组合，由于形状像横放的“T”字，所以称为T型。
T型单极性驱动由于电流不能反向，并且两个开关管动态切换（正反转切换）的工作条件是电枢电流等于零，因此动态性能较差，很少采用。
另一种称为H型，其形状像“H”字,也称桥式电路。
H型双极性驱动应用较多，因此在这里将详细介绍。
图2-3H型单极性可逆PWM驱动系统
图（2-3）是H型单极可逆PWM驱动系统。
它由4个开关管和4个续流二极管组成，单电源供电。
当电动机正转时，V1开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V2开关管则受PWM反相控制信号控制，V3保持常闭，V4保持常开。
当电动机反转时，V3开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V4开关管则受PWM反相控制信号控制，V1保持常闭，V2保持常开。
单极性驱动系统的PWM占空比仍用式（2-7）来计算。
当要求电动机在较大负载情况下正转工作时，平均电压
大于感应电动势
。
在每个PWM周期的0~t1区间，V1导通，V2截止，电流
经V1﹑V4从A到B流过电枢绕组，如图2-3中的虚线1。
在每个PWM周期的t1~t2区间，V2导通，V1截止，电源断开，在自感电动势的作用下，进二极管D2和开关管V4进行续流，使电枢中仍然有电流流过，方向是从A到B，如图2-3中的虚线2。
这时由于二极管D2的箝位作用，V2实际不能导通，电流波形见图2-4（a）。
当电动机在进行制动时，平均电压
小于感应电动势
。
在每个PWM周期的0~t1区间，在感应电动势和自感电动势共同作用下，电流进二极管D4﹑D1流向电源，方向是从B到A，如图2-3中虚线4，电动机处在再生制动状态。
在每个PWM周期的t1~t2区间，V2导通，V1截止，在感应电动势的作用下，电流经D4﹑V2仍然是从B到A流过绕组，如图2-3中虚线3，电动机处在耗能制动状态。
电动机制动时的电流波形如图2-4（b）所示。
当电动机轻载或空载运行时，平均电压
与感应电动势
几乎相等。
在每个PWM周期的0~t1区间，V2截止，电流先是沿虚线4流动，当减小到零后，V1导通接通电源，电流改变方向，沿虚线1流动。
在每个PWM周期的t1~t2区间，V1截止，电流先是沿虚线2续流，当续流电流减小到零后，V2导通，在感应电动势的作用下，电流改变方向，沿虚线3流动。
因此，在一个PWM周期中，电流交替呈现再生制动﹑电动﹑续流电动﹑耗能制动4种状态，电流围绕着横轴上下波动，如图2-4（c）所示。
由此可见，单极性可逆PWM驱动的电流波动较小，可以实现4个象限运行，是一种应用非常广泛的驱动方式。
使用时要注意加“死区”，避免同一桥臂的开关管发生直通短路。
图2-4H型单极性可逆PWM驱动电流波形
2.3直流电动机双极性驱动可逆PWM系统
双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。
双极性驱动电路也有T型和H型两种。
T型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。
而H型双极性驱动应用较多，因此在这里将详细介绍。
图2=5是H型双极可逆PWM驱动系统。
4个开关管分成两组，V1﹑V4为一组，V2﹑V3为另一组。
同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。
（2-7）
图2-5H型双极可逆PWM驱动系统
在每个PWM周期里，当控制信号
高电平时，开关管V1﹑V4导通，此时
为低电平，因此V2﹑V3截止，电枢绕组承受从A到B得正向电压；当控制信号
低电平时，开关管V1﹑V4截止，此时
为高电平，因此V2
﹑V3导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压，这就是所谓“双极”。
由于在一个PWM周期里电枢电压经历了正反两次变化，双极性可逆PWM驱动时，电枢绕组所受的平均电压取决于占空比a大小。
当a=0时，
电动机反转，且转速最大；当a=1时，
电动机正转，转速最大；当a=12时，
，电动机不转。
虽然此时电动机不转，但电枢绕组中仍然有交变电流流动，使电动机产生高频振荡，这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦，提高动态性能。
下面讨论电动机电枢的电流。
电
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