【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能 、可靠性、經(jīng)濟(jì)性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 (3)脈寬調(diào)制 (PWM)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。 絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開關(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(guò)脈寬調(diào)制 PWM 來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 直流電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖 所示。 U aR aL aQT e T lE aNS負(fù) 載 圖 直流電動(dòng)機(jī)等效圖 電路的電壓平衡方程和力矩平衡方程為： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 8 EILIRU aaaaaa dtd ??? (22) ????? KTT DledtdJ (23) 式中： Ua電源電壓 Ia電樞電流 Ra電樞電阻 (包括電刷、換向器以及兩者之間的電阻 ) La電樞電感 Ea電樞反電動(dòng)勢(shì) J轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Ω轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 Te電磁轉(zhuǎn)距 Tl負(fù)載轉(zhuǎn)距 KD轉(zhuǎn)動(dòng)部分的阻尼系數(shù) 永磁直流電動(dòng)機(jī)的電樞反電動(dòng)勢(shì)可表示為： Ea=Ke*Ω (24) 式中： Ke反 電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 電磁轉(zhuǎn)矩為： Te=KT*Ia (25) 式中： KT磁轉(zhuǎn)矩常數(shù) [9]。 動(dòng)態(tài)工作特性是指實(shí)際的動(dòng)作與相應(yīng)的動(dòng)作命令之間的響應(yīng)關(guān)系。將式 (22)、式(23)、式 (24)和式 (25)作拉氏變換，得到如下函數(shù) : Ua(s)=RaIa(s)+LaSIa(s)+Ea(s) (26) JSΩ(s)=Te(s)一 Tl(s)一 KDSΩ(s) (27) Ea(s)=KeΩ(s) (28) Te(s)=KTIa(s) (29) 上面的式子可以用圖 [10]。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 9 K TK aE a ( S )I a ( S )T e ( S )T l ( S )++1L a S + R a1J S + K D 圖 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 控制芯片 芯片的選擇 電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，芯片的選擇是非常重要的一個(gè)方面。只有選定了芯片才能進(jìn)一步對(duì)其外圍電路以及系統(tǒng)的其它電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前在電機(jī)控制領(lǐng)域，通常選擇單片機(jī)、專用集成電路芯片和 DSP 作為電機(jī)控制的芯片。本 文根據(jù)控制系統(tǒng)的性能要求和芯片應(yīng)用場(chǎng)合、應(yīng)用目的以及成本等因素，選擇由 TI 公司生產(chǎn)的 32 位定點(diǎn) DSP 控制器TMS320F2812，它不但具有傳統(tǒng)微處理器可編程、靈活性強(qiáng)、集成度高等良好性能，而且其 DSP 內(nèi)核頻率高達(dá) 150MHz，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)使得運(yùn)算的速度、精度和處理能力大幅度提高，是目前控制應(yīng)用領(lǐng)域最先進(jìn)數(shù)字處理器之一，能夠?qū)崟r(shí)在線地處理許多復(fù)雜的控制算法，如，有無(wú)位置傳感器控制、遺傳控制、蟻群控制等算法，從而達(dá)到減少控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和諧波的目的。同時(shí) DSP 控制器的事件管理單元有非常適合電機(jī)控制信號(hào)的 PWM 輸入和輸出通道，通過(guò)對(duì) PWM 的控制就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相和位置的檢測(cè)。 F2812 是高性能 32 位定點(diǎn) DSP，采用 的內(nèi)核電壓， 的外圍接口電壓，最高頻率 150MHz，指令周期為 ，片內(nèi)有 18K 的 RAM， 128K 高速 Flash，事件管理EVA 和 EVB 包括通用時(shí)鐘、 PWM 信號(hào)發(fā)生器等。可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)控制、電力轉(zhuǎn)換以及通信設(shè)備、數(shù)字馬達(dá)控制、工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)控制以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制等，是高性能余信號(hào)如 CLK 和 HOLD 可以與 F2812 的脈寬調(diào)制信號(hào)線接在一起。 表 DSP2812 與 DSP2407 性能比較 芯片的名字 CPU 片內(nèi)FLASH 片內(nèi)RAM 指令周期 PWM輸出 片內(nèi)A/D 電源 TMS320F2812 32 位 16 位 16 位 12 路 16 路 核心電壓 I/O 電壓 TMS320LF2407 16 位 16 位 16 位 33ns 12 路 16 路 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 10 DSP2812 與 DSP2407 的性能比較見表 。正是因?yàn)?TMS320F2812 芯片與傳統(tǒng)的MCU 芯片系統(tǒng)以及 TMS320LF2407 芯片相比，具有前面所敘述的如此多的優(yōu)越特性，因此其成為當(dāng) 前電機(jī)控制領(lǐng)域最熱門的研究問(wèn)題。 TMS320F2812 部分功能介紹 TMS320F2812 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示，它被稱為電機(jī)控制的專用芯片，主要是因?yàn)樵撔酒?2 個(gè)功能強(qiáng)大的事件管理器模塊 EVA 和 EVB[11]、 [12]、 [13]。這兩個(gè) EV 模塊具有相同的功能，比如他們模塊中的定時(shí)器、比較單元以及捕捉單元的功能都是完全一樣的，只是各個(gè)單元的名稱因?yàn)?EVA 和 EVB 有所區(qū)別而已。 圖 TMS320F2812 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 A 通用定時(shí)器 圖 為通用定時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖， T1PR 和 T1CMPR 分 別是 T1 定時(shí)器的周期寄存器和比較寄存器，它們的功能是用來(lái)專門存儲(chǔ)為定時(shí)器 T1 設(shè)置的周期值和比較值的。而T1CNT 是定時(shí)器 T1 的計(jì)數(shù)寄存器，它會(huì)跟隨時(shí)鐘脈沖要么增加要么減少的，每產(chǎn)生 1個(gè) HSPCLK 的脈沖， T1CNT 的數(shù)值就會(huì)增加 1 或者減少 1。通常情況下 T1PR 和 T1CMPR是在初始化的時(shí)候才開始進(jìn)行賦值的，然后就作為一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)， CPU 會(huì)實(shí)時(shí)的將T1CNT 的數(shù)值同這兩個(gè)參考值進(jìn)行比較，一旦 T1CNT 的數(shù)值與 T1PR 數(shù)值相等時(shí)，T1CNT 就會(huì)重新開始計(jì)數(shù)或者逐漸變小直到為 0，這樣就完成 1 個(gè)周期的計(jì)數(shù)過(guò)程，接著 再?gòu)?0 重新計(jì)數(shù)至 T1PR 里面，如此循環(huán)不斷下去。當(dāng) T1CNT 的數(shù)值和 T1CMPR 的數(shù)值相等時(shí)，就會(huì)發(fā)生比較事件， PWM 波形就是根據(jù)這一原理產(chǎn)生的。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 11 圖 通用定時(shí)器結(jié)構(gòu)模塊圖 B PWM 事件管理器的比較機(jī)制能夠產(chǎn)生多路 PWM 功能。 EVA 的兩個(gè)通用定時(shí)器可以產(chǎn)生T1PWM 與 T2PWM2 路波形，并且每一個(gè)比較單元都可以產(chǎn)生一對(duì)互補(bǔ)的 PWM 波形，從上面的分析可以得出 T1 與 T2 能夠分別產(chǎn)生 1 路 PWM 波形，下面以 T1 為例進(jìn)行介紹 PWM 波產(chǎn)生的原理。 （ 1）當(dāng) T1CNT 的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增計(jì)數(shù)時(shí)， T1PWM 引腳 輸出不對(duì)稱的 PWM 波形。 當(dāng) T1 定時(shí)器的控制寄存器 T1CON 的 TMODE1 和 TMODE0 分別為 1 與 0 時(shí)，定時(shí)器 T1 處于連續(xù)增工作模式。如果 T1CNT 的數(shù)值計(jì)數(shù)到和 T1CMPR 的數(shù)值相等的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生比較匹配事件。當(dāng) T1CON 的第 1 位定時(shí)器比較使能位 TECMPR 是 1，定時(shí)器比較操作就會(huì)被使能，并且 GPTCONA 的第 6 位比較輸出使能位 TCMPOE 是 1，同時(shí)T1PIN 引腳輸出高電平或者低電平的話， T1PWM 就可以輸出不對(duì)稱的 PWM 波形，如圖 所示。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 12 圖 產(chǎn)生非對(duì)稱的 PWM 波形 圖 產(chǎn)生對(duì)稱的 PWM 波形 （ 2）當(dāng) T1CNT 的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增 /減計(jì)數(shù)時(shí)， T1PWM 引腳輸出對(duì)稱的 PWM 波形。 當(dāng)定時(shí)器 T1 的控制寄存器 T1CON 的 TMODE1 和 TMODE0 分別為 0 與 1 時(shí)，定時(shí)器 T1 處于連續(xù)增 /減計(jì)數(shù)模式。一旦 T1CNT 數(shù)值計(jì)數(shù)到與 T1CMPR 數(shù)值值相同時(shí)，就發(fā)生比較匹配事件。當(dāng) T1CON 的第 1 位定時(shí)器比較使能位 TECMPR 是 1，定時(shí)器比較操作就會(huì)被使能，并且 GPTCONA 的第 6 位比較輸出使能位 TCMPOE 是 1，同時(shí) T1PIN引腳輸出高電平或者低電平的話， T1PWM 就可以輸出對(duì)稱的 PWM 波形，如圖 所示。 C 捕獲單元 TMS320F2812 芯片的事件管理器共有 6 個(gè)捕獲單元， EVA 的 CAP13 與 EVB 的CAP46，每個(gè)捕獲單元對(duì)應(yīng)一個(gè)捕捉引腳端口。每個(gè)捕獲單元通過(guò)寄存器的設(shè)置就可以捕捉到波形跳變沿的狀態(tài)變化，其簡(jiǎn)單框圖如圖 所示。與 EVA 中的捕獲單元對(duì)應(yīng)的寄存器有：捕捉控制寄存器 CAPCONA，捕捉 FIFO 狀態(tài)寄存器 CAPFIFOA， 2 級(jí)深度FIFO 堆棧 CAPFIFO13， CAP1FBOT， CAP2FBOT， CAP3FBOT。 圖 捕獲單 元結(jié)構(gòu)模塊簡(jiǎn)圖 每個(gè)捕獲單元都可以把定時(shí)器 1， 2 當(dāng)做自己本身的時(shí)基，但是 CAP1 與 CAP2 不可以讓不同的定時(shí)器當(dāng)做它們自己本身的時(shí)基，換句話說(shuō) CAP1 與 CAP2 必須是相同的定時(shí)器來(lái)作為他的時(shí)基，但是定時(shí)器 3 能夠隨意選擇時(shí)基。重要的一點(diǎn)是，捕捉端口在捕捉波形跳變沿狀態(tài)時(shí)，通常捕捉引腳變化到定時(shí)器的計(jì)數(shù)器鎖存為 2 個(gè)時(shí)鐘周期，所以，為了準(zhǔn)確捕捉到變化狀態(tài)，輸入信號(hào)必須是當(dāng)前狀態(tài)的 2 個(gè)時(shí)鐘周期。另外捕獲單元的捕捉操作對(duì)定時(shí)器和 PWM 操作無(wú)任何影響。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 13 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 供電電源模塊 電源是一個(gè)控制 系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行的最基本條件，供電質(zhì)量的好壞將直接影響到控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)需要的電源種類概括起來(lái)有兩類：一類是要為直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路這一部分所要提供的電源，另外一類是要為控制系統(tǒng)中的DSP 控制芯片這一部分所要提供的電源。 控制系統(tǒng)中功率驅(qū)動(dòng)電路這一部分的電源又可細(xì)分為：要為電機(jī)本體所提供的電源、要為驅(qū)動(dòng)電路所提供的電源以及要為光耦所提供的電源。本系統(tǒng)中對(duì)于電機(jī)本體自己所需要的電源，采用 220V 交流電整流變壓濾波后得到，而對(duì)于前置驅(qū)動(dòng)電路與光耦所需電源，則采用 24V 或者 15V 直流穩(wěn)壓 電源直接提供。功率驅(qū)動(dòng)部分電源電路如圖 和 所示。 控制芯片部分所需要的電源主要是提供給 DSP 的，因?yàn)?TMS320F2812 芯片采用低壓供電，內(nèi)核電壓是 ， I/O 和 Flash 編程電壓是 ，而驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)己經(jīng)得到 5V電源電壓，所以要使控制芯片正常穩(wěn)定的工作，只需要解決 5V 到 和 電平的轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換通常有 3 種方法： (1)采取元器件分壓：在硬件電路上串并接電阻、電容、二極管的元器件來(lái)達(dá)到分壓的目的。這種方法雖然簡(jiǎn)單方便，但是通過(guò)元器件分壓的辦法得到的電壓不穩(wěn)定，隨負(fù)載變化有較大 的波動(dòng)，并且硬件電路功率消耗很大。 (2)采取電源轉(zhuǎn)換模塊：目前一些大公司如 Agere、 Ericsson 等生產(chǎn)和推出了基于開關(guān)電源技術(shù)的低電壓輸出電源模塊。這些模塊的可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊可以實(shí)現(xiàn)電源隔離。用戶只需要幾個(gè)額外的外部元器件，使用非常方便。 (3)利用線性穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換芯片。 線性穩(wěn)壓芯片是一種最簡(jiǎn)單的電源轉(zhuǎn)換芯片，基本上不需要外圍元件。但是傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器都要求輸入電壓比輸出電壓高 2V3V 以上，否則不能正常工作，為了解決這個(gè)問(wèn)題，許多電源公司生產(chǎn)推出了低壓差線形穩(wěn)壓器（ LDO）。 本系統(tǒng)采用 TI 公司生產(chǎn)的電源管理芯 和 ，它們都是專門 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 14 為 DSP 電源供電而設(shè)計(jì)的單輸出 LDO，可調(diào)節(jié)電壓，低靜態(tài)電流的芯片，并且接口電路也非常簡(jiǎn)單。這兩個(gè)芯片經(jīng)過(guò) 5V 輸入后，可得到 和 的穩(wěn)定輸出，完全滿足DSP 供電的需要，其供電電路如圖 和 所示。 圖 DSP2812+5V 轉(zhuǎn)換為 + 電源電路 圖 DSP2812+ 轉(zhuǎn)換為 + 電源電路 驅(qū)動(dòng)模塊 功率驅(qū)動(dòng)單元是對(duì)來(lái)自 DSP 控制器的 PWM 信 號(hào)進(jìn)行功率放大后送給直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載。 直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。近年來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制（ Puts Width Modulation，簡(jiǎn)稱 PWM）控制方式已成為絕對(duì)主流。 PWM（ Pulse Width Modulation）控制 ——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 PWM 控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是 PWM 型， PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子