【正文】 ............................................................................................................... 33 參考文獻 .................................................................................................................... 34 附錄 A ........................................................................................................................ 35 附錄 B ........................................................................................................................ 42 附錄 C ........................................................................................................................ 47 xx 大學學士學位論文 1 第 1章 緒論 課題背景 在各種傳統(tǒng)系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)中，我們經(jīng)常會使用到各種各樣的驅(qū)動電機，由此也產(chǎn)生了各種電機控制系統(tǒng)。軟件采用 C 語言編程方式，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的硬件電路及采用的控制策略，編寫了相應的控 制系統(tǒng)軟件 關(guān)鍵詞 DSP；電機控制系統(tǒng)；脈寬調(diào)制 xx 大學學士學位論文 II Research on Motor Control Technology Based on DSP Abstract Motors play an extremely important role in multifarious electric drive and position servo systems． The aims of motor control are mainly speed and position control． With the fast development of power electronics， microelectronics and materials ， the research of motor control recently bees more and more important and the motor control system with high performance is updated ceaselessly． Motor control is on the way of digital and intergration especially when the DSP technologies which can bine the oneness of hardware with the flexibleness of software are applied to it． This thesis takes a stepper motor which have been used before in some projects for example realizes DSP solutions for the motors ． First of all， the thesis analyses the development and actuality of motor control system, indicates the men existing problem， and introduces the characteristics of DSP solution for motors． Secondly， the basic elements and the operating principle of the stepper motor model is analyzed． The structure of control system and its control strategies are also resaerched in this thesis, at the same time， the design scheme of the syetem based on DSP is expounded. Thirdly， on the basis of the present oute， the hardware and software of syetem based on TMS320C5 produced by TI Company are designedIn the hardware of system， Computer、ICETEK simulater 、 ICETEKVC5509A syetem circuit 、 power line andpowersupply circuit are realized． In the soft ware of the system， the software are written in C according to hardware circuit structure abd con trol strategies of the system． Keywords DSP。本課題以曾經(jīng)在實際工程項目中使用到的步進電機為例，在實現(xiàn)這種電機的DSP 控制的基礎(chǔ)上，建立電機控制機平臺，設(shè)計電機控制系統(tǒng)。 xx 大學學士學位論文 I 基于 DSP 電機控制技術(shù)的研究 摘要 電機在各種電氣傳動和位置伺服系統(tǒng)中占有及其重要的位置，電機控制的目標主要是速度控制和位置控制。 論文首先分析 了電機控制的發(fā)展現(xiàn)狀，指出電機控制的一般問題及 DSP 控制系統(tǒng)的特點。Motor control system。不 難發(fā)現(xiàn)，一部分電機的控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有很多相似之處，只是在具體控制方法和策略的軟件實現(xiàn)上有所不同。從最初的抵消有級控制發(fā)展到現(xiàn)在的高性能智能型控制系統(tǒng)。電機的位置控制系統(tǒng)或位置伺服系統(tǒng)也稱為電機的運動控制 (MotorControl)系統(tǒng)。電機控制的基本手段是如何控制 PWM 波形使得功率控制器件輸出的電壓和電流波形能滿足電機高性能運行的要求。交直交電流型變換器的優(yōu)點在于可實現(xiàn)自然換相，并且容量可以做的很大，但是平波電抗器比較笨重，當電源存在干擾時會造 成換相失敗。 2. 矢量變換控制技術(shù)與現(xiàn)代控制理論的應用 矢量變換控制主要研究感應電機的動態(tài)控制過程，不但控制電流和磁通等變量的幅值，同時也控制這些變量的相位。但是單片機只能處理信息量不大的簡單系統(tǒng)，而對于交流電機等較為復雜的系統(tǒng)就需要存儲多種數(shù)據(jù)、實時處理 能力，此時就可采用微處理器或DSP 芯片的嵌入式解決方案。為此，無傳感器的控制系統(tǒng)成為新的研究熱點。 2．感應電機控制 系統(tǒng)感應電機定子一般為多對稱多相繞組 ，轉(zhuǎn)子可以使繞線式，也可以式鼠籠式繞組。 3．同步電機 控制系統(tǒng)永磁交流電機的驅(qū)動電源波形分為方波和正弦波。主要用于恒速、調(diào)速驅(qū)動以及精度要求較高的位置伺服系統(tǒng)。步進電機的控制可不用反饋控制，一般采用開環(huán)控制，使控制系統(tǒng)簡單并具有很高的精度。 電機 DSP 控制的一般問題 在電機控制系統(tǒng)中，根據(jù)控制電路的器件構(gòu)成可分為模擬電路、模擬數(shù)字混合電路和全數(shù)字電路。對于一般的閉環(huán) (位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán) )電機控制系統(tǒng)，可以看成是機械運動正向控制，信號檢測、傳感，機電禍合關(guān)系與電氣控制這幾個部分。電機內(nèi)部的機電禍合關(guān)系是通過磁場作為媒體。驅(qū)動電機主要靠供給逆變器的動力電，逆變器由滯環(huán)比較器輸出的控制信號按一定規(guī)律觸發(fā)導通，將動力電加到電機繞組上控制電機拖動負載運行 [4]。電量信號有電流、電壓和電功率等。電機的控制離不開驅(qū)動系統(tǒng)，例如直流電機控制系統(tǒng)的可逆 PWM 系統(tǒng)，無刷直流電機的三相全控橋 系統(tǒng)等。同時在一些控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機構(gòu)或是驅(qū)動電機并不是只有一種電機，如果單獨設(shè)計控制器，就需要更多的元器件，從而整個系統(tǒng)變的復雜，可靠性降低。為此，有必要設(shè)計電機控制系統(tǒng)平臺，可以同時實現(xiàn)對多個或多種電機進行控制，從而使控制系統(tǒng)更簡單、可靠。同時以 DSP 為核心的控制系統(tǒng)的以下特點也使設(shè)計電機的 DSP 控制系統(tǒng)更加可行了。 xx 大學學士學位論文 5 DSP 芯片內(nèi)部設(shè)計保證元器件的穩(wěn)定性和可靠性，從而會使整個系統(tǒng)的可靠性提高。 2．實現(xiàn)電機的位置及速度空制。 4．控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。 步進電機結(jié)構(gòu)及原理 步進電機的發(fā)展 步進電機在工業(yè)自動化裝備、辦公自動化設(shè)備中有著廣泛的應用。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅(qū)動方案所選用的步進電機 。 （ 表示半步工作時為 176。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 176。 、五相的為 176。如果使用細分驅(qū)動器，則 ‘ 相數(shù) ’ 將變得沒有 意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。 3． 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降 。 步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應用。 7．步進電機的動態(tài)響應快，易于啟動、正反轉(zhuǎn)及變速。 10. 步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差 [7]。它的傳輸轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好。 步進電機的結(jié)構(gòu) 一個三相反應式步進電動機分成轉(zhuǎn)子和定子。每個磁極的內(nèi)表面都分布著多個小齒，他們的大小相同，間距相同。 θ =2π /Z （ 2— 1） 步進電動機的動力來自于電 磁力。 把定子與轉(zhuǎn)子小齒對其的狀態(tài)成為對齒；把 定 子和轉(zhuǎn)子小齒不對齊的狀態(tài)成為錯齒。當某一處處于對齒狀態(tài)時，該相磁 xx 大學學士學位論文 9 極上定子的所有小齒都與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊 [5]。 A 相 定子磁極上的齒與轉(zhuǎn)子的齒形成對齒，同時， B 相， C 相的齒與轉(zhuǎn)子形成錯齒。 相似地，在 B 相斷電的同時，合開關(guān) KC 給 C 相通電建立磁場，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動了 1/3 個齒距角，與 C 相形成對齒，并且 A 相與轉(zhuǎn)子錯 1/3 個齒距角， B 相與轉(zhuǎn)子錯 2/3 個齒距角。 同樣，如果改變通電順序，即按語上面相反的方向（ ACBA 的順序）通電，則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向也改 如果對繞組通電一次的操作稱為一拍，那么前面所述的三相反映式步進電動機的三相輪流通電就需要三拍。其中“單”指的是每次對一個相通電；“三拍”指的是磁場旋轉(zhuǎn)一周需要換相三次，這是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角。當繞組斷點時 ,存儲在繞組中的電能通過續(xù)流二極管放電。雙三拍實其中之一。仍用 (21)求得。 xx 大學學士學位論文 11 步 進 時 鐘A 相 波 形B 相 波 形C 相 波 形 圖 23 雙三拍工作方式的相電壓、電流波形 3．六拍工作方式 六拍工作方式是三相步進電動機的另一種通電方式。這與 單三拍和雙三拍最大的區(qū)別。 步 進 時 鐘A 相 波 形B 相 波 形C 相 波 形 圖 24 六拍工作方式的相電壓、電流波形 4. 四相步進電機 該步進電機為一四相步 進電機，采用單極性直流電源供電。 當開關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時，由于 C相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， 4 號齒和 C相繞組的磁極對齊。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。同樣，、也可以腿的五項步進電機的工作方式。它的轉(zhuǎn)子由鋼鐵做成，它 的上面沒有繞組，而由許多的齒槽組成。當它處于八拍工作時，在給一次脈沖時，轉(zhuǎn)子只能轉(zhuǎn)過八分之一齒距角 [10]。在步進電機的 DSP 控制中，控制信號是由 DSP 產(chǎn)生的。通常把通電換相這一過程稱為“脈沖分配”。 3. 控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一個步距角，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一個歩距角。 步進電機的位置控制 步進電機的最主要用途就是實現(xiàn)位置控制。絕對位置是有極限的，其極限是執(zhí)行機構(gòu)運行的范圍，超越了這個極限就應報警。對步進電動機位置控制的一般方法是：步進電動機每走一步，步數(shù)減 1，如果沒有失步存在，當執(zhí)行機構(gòu)到達目標位置時，步數(shù)正好見到 0，因此用步數(shù)等于 0 來判斷是否移動到目標位