【文章內容簡介】 能 、可靠性、經濟性上都具有優(yōu)越性，成為直流調速系統的主要形式。 (3)脈寬調制 (PWM)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關器件通斷實現控制，調節(jié)通斷時間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調的直流電壓，亦稱 DCDC 變換器。 絕大多數直流電動機采用開關驅動方式。開關驅動方式是使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調制 PWM 來控制電動機電樞電壓，實現調速。 直流電機的數學模型 直流電動機的等效電路如圖 所示。 U aR aL aQT e T lE aNS負 載 圖 直流電動機等效圖 電路的電壓平衡方程和力矩平衡方程為： 畢業(yè)設計（論文）報告紙 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電樞反電動勢 J轉動慣量 Ω轉動的角速度 Te電磁轉距 Tl負載轉距 KD轉動部分的阻尼系數 永磁直流電動機的電樞反電動勢可表示為： Ea=Ke*Ω (24) 式中： Ke反 電動勢常數。 電磁轉矩為： Te=KT*Ia (25) 式中： KT磁轉矩常數 [9]。 動態(tài)工作特性是指實際的動作與相應的動作命令之間的響應關系。將式 (22)、式(23)、式 (24)和式 (25)作拉氏變換，得到如下函數 : 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)設計（論文）報告紙 9 K TK aE a ( S )I a ( S )T e ( S )T l ( S )++1L a S + R a1J S + K D 圖 直流電動機數學模型 控制芯片 芯片的選擇 電機控制系統的設計，芯片的選擇是非常重要的一個方面。只有選定了芯片才能進一步對其外圍電路以及系統的其它電路進行設計。目前在電機控制領域，通常選擇單片機、專用集成電路芯片和 DSP 作為電機控制的芯片。本 文根據控制系統的性能要求和芯片應用場合、應用目的以及成本等因素，選擇由 TI 公司生產的 32 位定點 DSP 控制器TMS320F2812，它不但具有傳統微處理器可編程、靈活性強、集成度高等良好性能，而且其 DSP 內核頻率高達 150MHz，采用改進的哈佛結構使得運算的速度、精度和處理能力大幅度提高，是目前控制應用領域最先進數字處理器之一，能夠實時在線地處理許多復雜的控制算法，如，有無位置傳感器控制、遺傳控制、蟻群控制等算法，從而達到減少控制系統轉矩波動和諧波的目的。同時 DSP 控制器的事件管理單元有非常適合電機控制信號的 PWM 輸入和輸出通道，通過對 PWM 的控制就可以實現電機的換相和位置的檢測。 F2812 是高性能 32 位定點 DSP，采用 的內核電壓， 的外圍接口電壓，最高頻率 150MHz，指令周期為 ，片內有 18K 的 RAM， 128K 高速 Flash，事件管理EVA 和 EVB 包括通用時鐘、 PWM 信號發(fā)生器等?？蓮V泛應用于電力系統控制、電力轉換以及通信設備、數字馬達控制、工業(yè)自動化、電機控制以及工業(yè)現場控制等，是高性能余信號如 CLK 和 HOLD 可以與 F2812 的脈寬調制信號線接在一起。 表 DSP2812 與 DSP2407 性能比較 芯片的名字 CPU 片內FLASH 片內RAM 指令周期 PWM輸出 片內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)設計（論文）報告紙 10 DSP2812 與 DSP2407 的性能比較見表 。正是因為 TMS320F2812 芯片與傳統的MCU 芯片系統以及 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 前電機控制領域最熱門的研究問題。 TMS320F2812 部分功能介紹 TMS320F2812 的系統結構如圖 所示，它被稱為電機控制的專用芯片，主要是因為該芯片有 2 個功能強大的事件管理器模塊 EVA 和 EVB[11]、 [12]、 [13]。這兩個 EV 模塊具有相同的功能，比如他們模塊中的定時器、比較單元以及捕捉單元的功能都是完全一樣的，只是各個單元的名稱因為 EVA 和 EVB 有所區(qū)別而已。 圖 TMS320F2812 系統結構圖 A 通用定時器 圖 為通用定時器的結構圖， T1PR 和 T1CMPR 分 別是 T1 定時器的周期寄存器和比較寄存器，它們的功能是用來專門存儲為定時器 T1 設置的周期值和比較值的。而T1CNT 是定時器 T1 的計數寄存器，它會跟隨時鐘脈沖要么增加要么減少的，每產生 1個 HSPCLK 的脈沖， T1CNT 的數值就會增加 1 或者減少 1。通常情況下 T1PR 和 T1CMPR是在初始化的時候才開始進行賦值的，然后就作為一個參考標準， CPU 會實時的將T1CNT 的數值同這兩個參考值進行比較，一旦 T1CNT 的數值與 T1PR 數值相等時，T1CNT 就會重新開始計數或者逐漸變小直到為 0，這樣就完成 1 個周期的計數過程，接著 再從 0 重新計數至 T1PR 里面，如此循環(huán)不斷下去。當 T1CNT 的數值和 T1CMPR 的數值相等時，就會發(fā)生比較事件， PWM 波形就是根據這一原理產生的。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 11 圖 通用定時器結構模塊圖 B PWM 事件管理器的比較機制能夠產生多路 PWM 功能。 EVA 的兩個通用定時器可以產生T1PWM 與 T2PWM2 路波形，并且每一個比較單元都可以產生一對互補的 PWM 波形，從上面的分析可以得出 T1 與 T2 能夠分別產生 1 路 PWM 波形，下面以 T1 為例進行介紹 PWM 波產生的原理。 （ 1）當 T1CNT 的計數方式為連續(xù)增計數時， T1PWM 引腳 輸出不對稱的 PWM 波形。 當 T1 定時器的控制寄存器 T1CON 的 TMODE1 和 TMODE0 分別為 1 與 0 時，定時器 T1 處于連續(xù)增工作模式。如果 T1CNT 的數值計數到和 T1CMPR 的數值相等的時候，就會發(fā)生比較匹配事件。當 T1CON 的第 1 位定時器比較使能位 TECMPR 是 1，定時器比較操作就會被使能，并且 GPTCONA 的第 6 位比較輸出使能位 TCMPOE 是 1，同時T1PIN 引腳輸出高電平或者低電平的話， T1PWM 就可以輸出不對稱的 PWM 波形，如圖 所示。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 12 圖 產生非對稱的 PWM 波形 圖 產生對稱的 PWM 波形 （ 2）當 T1CNT 的計數方式為連續(xù)增 /減計數時， T1PWM 引腳輸出對稱的 PWM 波形。 當定時器 T1 的控制寄存器 T1CON 的 TMODE1 和 TMODE0 分別為 0 與 1 時，定時器 T1 處于連續(xù)增 /減計數模式。一旦 T1CNT 數值計數到與 T1CMPR 數值值相同時，就發(fā)生比較匹配事件。當 T1CON 的第 1 位定時器比較使能位 TECMPR 是 1，定時器比較操作就會被使能，并且 GPTCONA 的第 6 位比較輸出使能位 TCMPOE 是 1，同時 T1PIN引腳輸出高電平或者低電平的話， T1PWM 就可以輸出對稱的 PWM 波形，如圖 所示。 C 捕獲單元 TMS320F2812 芯片的事件管理器共有 6 個捕獲單元， EVA 的 CAP13 與 EVB 的CAP46，每個捕獲單元對應一個捕捉引腳端口。每個捕獲單元通過寄存器的設置就可以捕捉到波形跳變沿的狀態(tài)變化，其簡單框圖如圖 所示。與 EVA 中的捕獲單元對應的寄存器有：捕捉控制寄存器 CAPCONA，捕捉 FIFO 狀態(tài)寄存器 CAPFIFOA， 2 級深度FIFO 堆棧 CAPFIFO13， CAP1FBOT， CAP2FBOT， CAP3FBOT。 圖 捕獲單 元結構模塊簡圖 每個捕獲單元都可以把定時器 1， 2 當做自己本身的時基，但是 CAP1 與 CAP2 不可以讓不同的定時器當做它們自己本身的時基，換句話說 CAP1 與 CAP2 必須是相同的定時器來作為他的時基，但是定時器 3 能夠隨意選擇時基。重要的一點是，捕捉端口在捕捉波形跳變沿狀態(tài)時，通常捕捉引腳變化到定時器的計數器鎖存為 2 個時鐘周期，所以，為了準確捕捉到變化狀態(tài)，輸入信號必須是當前狀態(tài)的 2 個時鐘周期。另外捕獲單元的捕捉操作對定時器和 PWM 操作無任何影響。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 13 第三章 硬件電路設計 供電電源模塊 電源是一個控制 系統能夠可靠運行的最基本條件，供電質量的好壞將直接影響到控制系統運行的穩(wěn)定性。本文所設計的控制系統需要的電源種類概括起來有兩類：一類是要為直流電機功率驅動電路這一部分所要提供的電源，另外一類是要為控制系統中的DSP 控制芯片這一部分所要提供的電源。 控制系統中功率驅動電路這一部分的電源又可細分為：要為電機本體所提供的電源、要為驅動電路所提供的電源以及要為光耦所提供的電源。本系統中對于電機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，而對于前置驅動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。功率驅動部分電源電路如圖 和 所示。 控制芯片部分所需要的電源主要是提供給 DSP 的，因為 TMS320F2812 芯片采用低壓供電，內核電壓是 ， I/O 和 Flash 編程電壓是 ，而驅動電路系統己經得到 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 電平的轉換，電平轉換通常有 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、二極管的元器件來達到分壓的目的。這種方法雖然簡單方便，但是通過元器件分壓的辦法得到的電壓不穩(wěn)定，隨負載變化有較大 的波動，并且硬件電路功率消耗很大。 (2)采取電源轉換模塊：目前一些大公司如 Agere、 Ericsson 等生產和推出了基于開關電源技術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現電源隔離。用戶只需要幾個額外的外部元器件，使用非常方便。 (3)利用線性穩(wěn)壓電源轉換芯片。 線性穩(wěn)壓芯片是一種最簡單的電源轉換芯片，基本上不需要外圍元件。但是傳統的線性穩(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，為了解決這個問題，許多電源公司生產推出了低壓差線形穩(wěn)壓器（ LDO）。 本系統采用 TI 公司生產的電源管理芯 和 ，它們都是專門 畢業(yè)設計（論文）報告紙 14 為 DSP 電源供電而設計的單輸出 LDO，可調節(jié)電壓，低靜態(tài)電流的芯片，并且接口電路也非常簡單。這兩個芯片經過 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 轉換為 + 電源電路 圖 DSP2812+ 轉換為 + 電源電路 驅動模塊 功率驅動單元是對來自 DSP 控制器的 PWM 信 號進行功率放大后送給直流電動機的電樞兩端，驅動電機與負載。 直流電動機是最早出現的電動機，也是最早能實現調速的電動機。近年來，直流電動機的結構和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現，使采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制（ Puts Width Modulation，簡稱 PWM）控制方式已成為絕對主流。 PWM（ Pulse Width Modulation）控制 ——脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 PWM 控制技術在逆變電路中應用最廣，應用的逆變電路絕大部分是 PWM 型， PWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子