基于DSP的PWM双闭环直流调速系统精文档格式.docx
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LINLi1
TANGXu2
ZHANGXu2yi2
HUANGSheng2hua3
（1.
ShaoyangUniversity,Shaoyang422004;
2.
ScienceandTechnology
TeachingApparatusesCompanyofQiuShiinZhejiang,Hangzhou310000;
3.HuaZhongUniversityofScinceandTecnology,Wuhan430074,China
ABSTRACT:
InordertogetgoodperformanceinDCmotorspeedcontrolsystems,thispaperintro2ducesdoubleclosedPWMsystemsofvelocitymodulationofdirectcurrentmotorbasedonDSPs,thissys2temcometurethedigitalcontrol.
Inthepaper,speedcontroltheoryandhardwareandsoftwarearede2
scribedindetail,thisspeedcontrolofsystemhaveachievedtheenterpriseproducesproductionrequest.Theexperimentindicatesthatthiscontrolsystemstructureissimpleandperformanceisgood.Thissys2
temscanbeusedinadvancedcontrolfieldallovertheagricltueandindustry.
KEYWORDS:
DSP;
Hbridgecircuit;
DCmotor;
Speedcontrol;
Bipolarcontrol;
Engineeringde2signmethods
收稿日期:
2006206219
邵阳学院科学基金资助项目（2005B17
0 引 言
随着电力电子技术和微处理器的快速发展,
运动控制系统的控制方式由硬件控制转向软件控制,智能化的软件控制将成为运动控制系统的发展趋势。
运动系统控制器的实现方式在数字控制中也在向硬件方式发展。
在软件方式中也是从运动系统的外环向内环,进而向接近电动机环路的更深层发展。
目前,运动系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式,其中软件控制方式一般是利用微机实现的。
1 结构与原理
调速系统如图1所示。
这是以TMS320LF2407A为控制核心的PWM电流内环和转速外环的双闭环直流调速系统。
主电路采用三相不可控整流,经电容滤波H桥直流斩波调压后给直流电动机供电。
控
制电路利用调节器的工程设计方法[1]
求出实际系统各个环节的传递函数后将电流内环按典型1型系统进行校正设计,转速外环按典型2型系统进行校正设计,分别确定2个PI调节器的比例与积分参数,从而满足稳、准、快等性能指标的要求。
整个系统的控制实现了数字化。
其中2个PI调节器的参数经离散化后由DSP编程来实现。
H桥直流斩波调压的控制信号是由DSP的事件管理器控制产生的4路PWM脉冲波进行双极性控制的。
同时利用DSP
—
15—基于DSP的PWM双闭环直流调速系统 林 立 唐 旭 张续义 黄声华
的QEP引脚和光电编码器实现对电机速度的检测
利用ADCIN引脚可以完成模数转换,利用PDPINT引脚进行故障保护。
ASR2转速调节器 ACR2电流调节器 TG2测速发电机TA2电流互感器 UPE2电 i2U3n2转n2Ui图1 DSP2 硬件组成
DSP数字控制PWM双闭环直流调速系统的硬
件结构如图2所示。
其硬件结构由主电路和控制电路两部分组成。
主电路由三相不可控整流、H桥双极性直流斩波、泵升电压电路与直流电动机构成。
H桥双极性直流斩波电路驱动信号的产生由DSPTMS320LF2407A控制输出。
转速的检测采用数字测速器。
它是用DSP读取与电动机联轴的光电编码器输出的脉冲数,经DSP计算后得出转速值。
泵升电压的控制经与事先设定值比较后由DSP发出控制信号实时控制启动泵升电压电路,进行能量泄放,护主电路。
系统利用故障保护引脚P
DPINT,及时封锁4路PWM信号,以及通过I/O口控制开关K1的动作实现保护。
该DSP控制系统有完善的保护体系。
图2 DSP控制的PWM双闭环直流调速系统硬件结构图
211 主电路
三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源,再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压,给直流电动机供电。
直流PWM变换器采用双极性斩波控制,其结构如图3所示。
212 控制电路
控制电路由数字信号处理器、检测电路、驱动电路与故障保护等组成。
1数字信号处理器
选用专为为控制器
配以显,这种控制芯片本身都带有A/D转换器,通用I/O口和通信接口,还带有一般控制器并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能,大大简化了数字控制系统的硬件电路。
图3 桥式可逆双极性直流脉宽调速系统主电路原理图
2检测电路
检测电路包括电压、电流、温度和转速检测,其中电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入DSP控制器。
3驱动电路
图3通过DSP产生5路PWM信号,其中DSP的引脚PWM1-PWM4输出4路控制信号对H桥电路的电力电子开关进行控制。
桥式电路的电力电子开关采用电力晶体管D202。
PWM1-PWM44路信号经驱动芯片M57215BL后控制晶体管（D202V1-V2-V3-V4的通断。
另外,PWM5信号经M57215BL后对图3的Vb进行泵升保护。
具体结构
如图4所示。
4故障保护
在检测回路中,对电压、电流、温度等信号进行分析比较,若发生故障或者与给定的动态参数不符,立即反馈到DSP控制器,进行及时处理,通过数字调节转速和电流调节器,将动态参数调
25—微电机 2007年 第40卷 第4期（总第160期
整到规定的标准,避免误差或故障进一步扩大
。
图4 直流电动机DSP控制的驱动电路
3
软件设计
采用T计。
。
按工程设计方法,电流内环按典型Ⅰ型系统设计,转速外环按典型Ⅱ型系统设计。
结合调节器设计、H桥双极性直流斩波控制算法、模数转换和故障保护,本调速系统的软件设计由3部分组成:
即主程序、初始化程序和中断服务子程序。
主程序完成实时性要求不高的功能,完成系统初始化和其他外设通信等功能。
其流程如图5所示。
初化始后,实现键盘处理、刷新处理与上位计算机和其他程序完成硬件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。
其流程如图6所示。
中断服务子程序主要完成实时性强的功能,如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等。
中断服务子程序由相应的中断源提出申请,CPU实时响应。
它包括了3种中断服务申请,其中,转速调节中断服务子程序流程如图7所示。
电流调节中断服务子程序流程如图8所示。
故障保护中断服务子程序流程如图9所示。
本系统设计脉冲编码器在每个PWM周期（50μs都对直流调速系统进行一次电流采样和电流PI调节,因此电流采样周期与PWM采用定时器1周期中断标志来启动A/D转换,转换结束后申请ADC中断。
图10是ADC中断处理子程序框图。
全部控制功能都通过中断处理子程序来完成。
由于速度时间常数较大,在本程序中设计每90个PWM周期（即415ms对速度进行一次PI调节。
速度反馈量是按以下方法计算的:
在每个PWM周期都通过读编码器求一次编码脉冲增量,并累计。
设电动机的最高转速是200r/min即10/3r/s。
采用1024线的编码器,经DSP4倍频后每转发出4096个
脉冲。
所以在这个转速下,每秒发出10/3×
4096=
40960/3个脉冲。
那么415ms发出的最大脉冲数为
40960/3×
415×
103
=61144。
令编码器脉冲速度转
换系数KSPEED=1/61144,其Q22格式为KSPEED=222
/61144,即10AAAH。
用编码器的脉冲累计值乘以KSPEED就可以得当前转速反馈量相对于最高转速的比例值n,当前转速反馈量等于200n/222
程序中的速度PI调节器和电流PI调节器的各个参数可以根据要求在初始化程序中改写。
常规的模拟PI控制系统由模拟PI调节器和被控对象组成。
采用DSP对电动机进行控制时,使用的是数字PI调节器,而不是模拟PI调节器,也就是说用程序取代PI模拟电路,用软件取代硬件。
数字PI调节器的算法:
uk=KP
ek+
TI
∑k
j
=0
e+u0
35—
或uk=KPek+TKI∑k
j=0
ej+u
图10 式中,kk2,;
uk为第k
;
ek为第k次采样时刻输入的偏差值;
kI为积分系数,KI=KP/TI;
u0为开始进行PI控制的原始初值。
根据工程设计方法,按照实际系统的具体要求计算得到两个调节器的实际参数,然后将模拟PI调节器离散化得到数字PI调节器后,求得以下数字调节器的参数:
电流比例系数I_KP=4A14H,Q12格式;
电流积分系数I_KI=134AAAH,Q12格式;
电流积分饱和修正系数I_KC=000DH,Q12格式;
速度比例系数N_KP=5666H,Q12格式;
速度积分系数N_KI=71000H,Q12格式;
速度积分饱和修正系数N_KC=0199H,Q12格式;
电流最大值IMAX=7666H,Q12格式。
4 结 论
本文根据上海一精密仪器加工系统进行了设
计。
该系统的基本参数和设计要求是[2][7]
:
电动机功率PN=200W,UN=48V,IN=317A,nN=
200r/min,电枢电阻Ra=6
Ω,电枢回路总电阻R=8Ω,电动势系数Ce=0112V・min/r,允许电流过载倍数λ=2,电磁时间常数T1=01015s,机电时间常数Tm=012s,电流反馈滤波时间常数Toi
=01001s,转速反馈滤波时间常数Ton=01005s。
设调节器输入输出电压Unm3=Uim3=Ucm=10V,
调节器输入电阻R0=40k
Ω。
已知电力晶体管D202的开关频率f=1kHz,PWM环节的放大倍数Ks=418。
要求是:
进行动态参数设计,设计指标为:
稳态无静差,电流超调量σiΦ5%,有抗负载性能,空载起动到额定转速时的转速超调量σnΦ20%,过渡过程时间ts≤011s;
进行数字化控制;
有完善的自动保护功能。
利用高性能的专DSPT的强大运算能力和快PWM双闭环直流调,实现了全数字化控制,结构简单、性能良好。
与模拟直流调速系统相比,具有易于改变控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好、调速范围宽、静差率小、功率因数高等优点。
这种系统在可逆、小功率驱动、精密仪器制造生产线等领域中有着广泛的应用。
参考文献
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运动控制系统—3版[M].
北京:
机械工业出版社,2003.
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教程[M].北京:
[3] 江思敏.
TMS320LF240xDSP硬件开发教程[M].北京:
机
械工业出版社,2003.
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西安
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科学
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ControlofElectricalDrives3rded.
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机械
工业出版社,2000.
作者简介:
林 立（1972年-,男,湖南武冈市人,硕士研究生,讲师,研究方向为电力电子与电力传动。
45—
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