【文章內(nèi)容簡介】 程集成電路 FPGA、 CPLD以及專用集成電路 ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運(yùn)行速度；硬件模塊化易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化；電 機(jī)聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無人化操作；利用計(jì)算機(jī)組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式結(jié)構(gòu)。 課題完成的內(nèi)容及選題意義 完成 內(nèi)容 本課題主要完成以下五方面工作 。 ，設(shè)計(jì)硬件電路，實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入命令控制，使直流電動(dòng)機(jī)停止和以不同速度前進(jìn)或后退，并將實(shí)時(shí)速度和正反狀態(tài)顯示在 LCD 上； ，編寫程序，實(shí)現(xiàn)硬件功能； ； ； ，將系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試， 實(shí)現(xiàn)不了功能 的地方進(jìn)行修改以便完成系統(tǒng)的綜合效果 。 選題 意義 一個(gè)多世 紀(jì)以來，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，一直在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活中發(fā)揮 著十分重 要的作用。無論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù) 與辦 公設(shè)備，還是日常生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電機(jī)。據(jù)資料統(tǒng) 計(jì)， 現(xiàn)在有 90%以上的動(dòng)力源來自于電動(dòng)機(jī)，我國生產(chǎn)的電能大約有60%用于電動(dòng)機(jī) ，電動(dòng) 機(jī)與人們的生活息息相關(guān)，密不可分 [5]。 電動(dòng)機(jī)主要類型有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)三種。其中，直流電動(dòng)機(jī) 在八 十年代以前一直處于調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，這主要源于其完美的轉(zhuǎn)矩控制特 性， 即通過調(diào)節(jié)電樞電壓和 勵(lì)磁電流就可以任意調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)制作了一個(gè)小型的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置， 雖然實(shí)際應(yīng)用中較難用到這么小的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置，但萬變不離其宗，實(shí)際應(yīng)用中的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置大致原理與本設(shè)計(jì)相差無幾，因此，本設(shè)計(jì)有著很強(qiáng)的理論和指導(dǎo)意義。 設(shè)計(jì)的主線是 “控制 ”2 字，與本人所學(xué)專業(yè)密不可分，通過完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 的工作，能夠加深對(duì)本專業(yè)精髓的理解， 同樣能夠增強(qiáng)自學(xué)能力、實(shí)踐能力和鉆研精神， 而且 設(shè)計(jì)過程中 理論 充分地 聯(lián)系 了 實(shí)際 ，對(duì)以后工作也有很大的幫助。 本 畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 TI 公司的 TMS320LF2407 控制器 ，對(duì)直流電動(dòng)機(jī) 進(jìn)行調(diào)速測速 的控制系統(tǒng)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。 課題研究的主要內(nèi)容及章節(jié)安排 在研究了全數(shù)字直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出一種以 DSP 為控制器的直流電動(dòng)機(jī)智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用 TI 公司的 TMS320LF2407 高性能數(shù)字處理器， 設(shè)計(jì)出基于 DSP 的數(shù)字直流電機(jī)控制系統(tǒng)。論文共分為 七 大章節(jié)，內(nèi)容如下綜述 。 第 l章為 引言 ，介紹數(shù)字控制的特點(diǎn)，本論文研究意義及工作內(nèi)容； 第 2章為直流調(diào)速原理分析，針對(duì)本文用到的調(diào)壓調(diào)速原理以及特點(diǎn)進(jìn)行說明； 第 3章為介紹 DSP控制器發(fā)展以及其芯片結(jié)構(gòu)原理，著重說明了 本文所用到的TI公司的 DSP(TMS320LF2407A)芯片的主要特征； 第 4章為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖，在此基礎(chǔ)上介紹了本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能；設(shè)計(jì)了以 TMS320LF2407A為核心的硬件系統(tǒng)，包括 電源電路的設(shè)計(jì)、脈沖觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、電機(jī)信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)、 DSP最小系統(tǒng)、 DSP驅(qū)動(dòng) 獨(dú)立按鍵 鍵盤控制電路以及 DSP驅(qū)動(dòng) 12864F顯示電路的設(shè)計(jì) ； 第 5章為系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，主要根據(jù)硬件設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，依據(jù)軟件的整體功能設(shè)計(jì)了各個(gè)功能模塊程序； 第 6章為結(jié)論 ，在完成系統(tǒng)軟硬件的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，并進(jìn)行了分析 ，最后總結(jié)全文并對(duì)此系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行展望。 5 2 直流調(diào)速原理 在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機(jī)械都不停地運(yùn)轉(zhuǎn)著，幾乎無處不使用電力傳動(dòng)裝置。由于各種不同的生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律不一樣，對(duì)傳動(dòng)裝置性能的要求也不一樣。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)量，提高生產(chǎn)效率，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與相應(yīng)的自動(dòng)化控制，并且對(duì)電力傳動(dòng)裝置的拖動(dòng)性能要求也越來越高。本章分析了直流調(diào)速系統(tǒng)原理，通過分析可以明確硬件總體設(shè)計(jì)以及軟件實(shí)現(xiàn)的功能。 調(diào)速方法 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法 由電機(jī)學(xué)基本理論可知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性方程式 如下 [6] [7]。 ( / m in )eU I RnrC? ? ???? ? (21) 式 21中 ，各變量如下。 U? —電樞端電壓 (V)； I? —電樞電流 (A)； R?? —電樞電路總電阻 (? )； ? —每極磁通量 (Wb)； eC —與電機(jī)有關(guān)的常數(shù)。 從上式可以看出，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n的控制方法有三種 。 (1)改變電樞電路電阻值 R，在電動(dòng)機(jī)電樞外串電阻進(jìn)行調(diào)速。這種方法只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，平滑性差、機(jī)械特性軟、效率低； (2)改變電機(jī)主磁通 ? 。這種方法只能減弱磁通，使電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較饅，雖能無級(jí)平滑調(diào) 速，但調(diào)速范圍?。? (3)調(diào)節(jié)電樞電壓 U，從而改變轉(zhuǎn)速。屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)。 在這幾種方法中，改變電阻只能有級(jí)調(diào)速，而且缺點(diǎn)很多，目前很少采用；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速 (額定轉(zhuǎn)速 )以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。改變電樞電壓主要有三種方式：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止變流裝置 (晶閘管變流裝置 )、PWM(脈寬調(diào)制 )變換器 (或稱直流斬波器 )。 (1)旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī) 組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱 。 ，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、效率低、運(yùn)行 6 有噪音、維護(hù)不方便。 (2)采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱 VM系統(tǒng)，通過改變晶閘管觸發(fā)控制角 a，進(jìn)而改變整流電壓 Ud的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 VM系統(tǒng)在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性上具有一定的優(yōu)越性，但操作不是太方便，所以現(xiàn)在使用更多的是下面介紹的 PWM(脈寬調(diào)制 )。 (3)PWM(脈寬調(diào)制 )變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關(guān)器件通斷實(shí)現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時(shí)間比例，將固定的直流電源電壓變成 平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DCDC變換器。 PWM(脈寬調(diào)制 )變換器 不僅 在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性上都具有優(yōu)越性， 而且控制起來非常方便 ，實(shí)用性很強(qiáng)，因此 成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 本次設(shè)計(jì)主要就 是 通過 DSP芯片 TMS320LF2407A中的 PWM口 ，對(duì)其編寫程序產(chǎn)生 PWM波 來輸出控制電機(jī)的平均電壓來對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，需要對(duì)直流電動(dòng)機(jī)搭建H型電橋 驅(qū)動(dòng)電路 才能實(shí)現(xiàn) PWM調(diào)速， 下面將詳細(xì)介紹直流電動(dòng)機(jī) PWM調(diào)速原理。 PWM調(diào)速控制原理 PWM(脈寬調(diào)制 )即為開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器 件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 (PWM)來控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速 [8]。 圖 PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖 21(a)中， 當(dāng)開關(guān)管 MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓 。 1t 時(shí)間后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為零。 2t 時(shí)間后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。這樣，對(duì)應(yīng)著輸入的 電平高低， 直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖21(b)所示。 電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值 aU 如下。 1 1120sa s stU tU U a Ut t T?? ? ?? (22) 1ta T? (23) 公式中， a 為占空比。 7 圖 21 PWM調(diào)速控制原理和電壓波形圖 iU sU 直流電動(dòng)機(jī) V1 D1 (a)原理圖 iU 0 0 sU oU t t T t1 t2 (b)輸入 /輸出電壓波形 8 占空比 a 表示了在同一個(gè)周期 T里，開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間長短與周期的比值。 a 的變化范圍為 01a??。由公式 (22)可知，當(dāng) 電源 電壓 sU 不變的情況下，電樞的端電壓的平均值 aU 取決于占空比 a 的大小，改變 a 值就可以改變電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是 PWM調(diào)速原理。 在 PWM調(diào)速時(shí)，占空比 a 是一個(gè)重要參數(shù)。以下 3種方法都可以改變占空比的值 。 (1)定寬調(diào)頻法。 這種方法是保持 1t 不變，只改變 2t ，這樣使周期 T(或頻率 f)也隨之改變。 (2)調(diào)寬調(diào)頻法。 這種方法是保持 2t 不變，只改變 1t ，這樣使周期 T(或頻率 f)也隨之改變。 (3)定頻調(diào)寬法。 這種方法是使周期 T(或頻率 f)保持不變，而同時(shí)改變 1t 和 2t 。 前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期 T(或頻率 f)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此這兩種方法用的很少。目前，在直流電動(dòng)機(jī) 的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 TMS320LF240x系列電動(dòng)機(jī)專用 DSP集成了 PWM控制信號(hào)發(fā)生器，它可以通過調(diào)整事件管理器的定時(shí)器控制寄存器來設(shè)定 PWM工作方式和頻率；通過調(diào)整比較值來調(diào)整 PWM的占空比；通過調(diào)整死區(qū)控制寄存器來設(shè)定死區(qū)時(shí)間；通過專用的 PWM輸出口輸出占空比可調(diào)的帶有死區(qū)的 PWM控制信號(hào)，從而省去了其他控制器所用的外圍 PWM波發(fā)生電路和時(shí)間延遲 (死區(qū) )電路。 電動(dòng)機(jī)專用 DSP的高速運(yùn)算功能可以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制，通過軟件實(shí)現(xiàn)名副其實(shí)的全數(shù)字控制，從而省去了外圍的 PID調(diào)節(jié)電路和比 較電路。因此，使用 DSP控制直流電動(dòng)機(jī)可以獲得高性能和低成本。 直流電動(dòng)機(jī)通常要求工作在正反轉(zhuǎn)的場合，這時(shí)需要使用可逆 PWM系統(tǒng)?？赡鍼WM系統(tǒng)分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)。單極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè) PWM周期里，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈單一性 (或者正、或者負(fù) )變化。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè) PWM周期里，電動(dòng)機(jī)電樞極性呈正負(fù)變化。 我們常說的 “H”型電路是直流電動(dòng)機(jī) PWM系統(tǒng)中的一種， 上面 已經(jīng)介紹了直流電動(dòng)機(jī) PWM系統(tǒng)分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)，不論是單極性驅(qū)動(dòng)還是雙極性驅(qū)動(dòng)，都有 “T”型和 “H”型 2種。 T型電路由兩個(gè) 開關(guān)管組成，采用正負(fù)電源，相當(dāng)于兩個(gè)不可逆系統(tǒng)的組合，由于形狀像橫放著的 “T”字，所以稱為 T型。 單極性驅(qū)動(dòng)電路中的 T型單極性驅(qū)動(dòng)由于電流不能反向，并且兩個(gè)開關(guān)管切換(正反轉(zhuǎn)切換 )的工作條件是電樞電流等于零，因此動(dòng)態(tài)性能較差，很少采用。雙極性驅(qū)動(dòng)電路中的 T型電路雙極性驅(qū)動(dòng)由于開關(guān)管要承受較高的反向電壓，因此只能 9 用在低壓小功率直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。所以無論是單極性驅(qū)動(dòng)還是雙極性驅(qū)動(dòng)， T型電路的應(yīng)用都較少。 H型電路，顧名思義，其形狀像 “H”字，也稱橋式電路，無論是單極性驅(qū)動(dòng)還是雙極性驅(qū)動(dòng)， H型電路的應(yīng)用都較多。 而 本次設(shè)計(jì)用到的便是 “H”型單極性可逆 PWM驅(qū)動(dòng)電路，所以接下來對(duì)直流電動(dòng)機(jī) H型單極性可逆 PWM驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。 圖 22 H型單極性可逆 PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 如圖 22所示。其為一單極性可逆 PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它由 4個(gè)開關(guān)管和 4個(gè)續(xù)流二極管組成，單電源供電。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)， V1開關(guān)管根據(jù) PWM控制信號(hào)同步導(dǎo)通或關(guān)斷，而 V2開關(guān)管則受 PWM反相控制信號(hào)控制， V3保持常閉， V4保持常開。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí) ,V3開關(guān)管根據(jù) PWM控制信號(hào)同步導(dǎo)通或關(guān)斷，而 V4開關(guān)管則受 PWM反相控制信號(hào)控制， V1保持常閉， V2保持常開。 單極性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 PWM占空比仍用式 (23)來計(jì)算。 當(dāng)要求直流電動(dòng)機(jī)在較大負(fù)載情況下正轉(zhuǎn)工作時(shí)，平均電壓 aU 大于感應(yīng)電動(dòng)勢aE 。在每個(gè) PWM周期的 0~ 1t 區(qū)間， V1導(dǎo)通， V2截止，電流 aI 經(jīng) V V4從 A到 B流過電樞繞組，在每個(gè) PWM周期的 1t ~ 2t 區(qū)間， V2導(dǎo)通， V1截止，電源斷開，在自感電動(dòng)勢的作用下，經(jīng)二極管 D2和開關(guān)管 V4進(jìn)行續(xù)流，使電樞中仍然有電流流過，方向是從 A到 B，這時(shí)由于二極管 D2的箝位作用， V2實(shí)際不能導(dǎo)通。 當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，平均電壓 aU 小于感應(yīng)電動(dòng)勢 aE 。在每個(gè) PWM周期的 0~ 1t 區(qū)間，在感應(yīng)電動(dòng)勢和自感電動(dòng)勢共同作用下，電流經(jīng)二極管 D D1流向Us V1 V3 V2 V4 D1 D3 D2 D4 A B 10 電源，方向是從 B到 A，直流電動(dòng)機(jī)處在再生制動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè) PWM周期的 1t ~2t 區(qū)間， V2導(dǎo)通， V1截止，在感應(yīng)電動(dòng)勢的作用下，電流經(jīng) D V2仍然是從 B到 A流過繞組，直流電動(dòng)機(jī)處在耗能制動(dòng)狀態(tài)。 當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)輕載或空載運(yùn)行時(shí)，平均電壓 aU 與感應(yīng)電動(dòng)勢 aE 幾乎相等。在每個(gè) PWM周期的 0~ 1t 區(qū)間， V2截止，當(dāng)減小到零后， V1導(dǎo)通接通電源，電流改變方向。在每個(gè) PWM周期的 1t ~ 2t 區(qū)間， V1截止，電流先是續(xù)流，當(dāng)續(xù)流電流減小到零后， V2導(dǎo)通，在感應(yīng)電動(dòng)勢的作用下，電流改變方向。因此，在一個(gè) PWM周期中，電流交替呈現(xiàn)再生制動(dòng)、電動(dòng)、續(xù)流電動(dòng)、耗能制動(dòng) 4種狀態(tài)，電流圍繞著橫軸上下波動(dòng)。