【文章內(nèi)容簡介】 器產(chǎn)生,采用大電容C濾波,這樣獲得恒定的直流電壓Us。由于一般電容容量較大,突加電源時相當(dāng)于短路,會產(chǎn)生很大的充電電流,這樣容易損壞整流二極管。為了限制充電電流,一般在整流器和濾波電容之間串入一個限流電阻R1,合上電源后,延時用開關(guān)將R1短路,防止在運行中造成附加損耗。 對于PWM變換器中的濾波電容,作用除了濾波之外,還有當(dāng)電機制動時起吸收運行系統(tǒng)電能的作用。由于直流電源通過二極管整流器供電,不可能回饋電能,電機制動時只能對濾波電容充電,將使電容兩端電壓升高,即泵升電壓。在含大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中,不能只靠電容器做到限制泵升電壓,這時,可以采用上圖中的鎮(zhèn)流電阻R2消耗部分電能。分流電路靠開關(guān)器件G5在泵升電壓達到允許數(shù)值的時候接通。這就是通常所說的“卸載”。[9] 圖31 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路3．2 控制電路硬件設(shè)計控制電路以DSPTMS320F2812為控制核心,以隔離驅(qū)動單元、電源模塊、AD采樣單元為輔助電路,再配以顯示、按鍵等外圍電路。[10]A/D采集給定的速度信號，光電編碼器QEP輸入接受反饋的位置和速度信號，兩個事件管理器EV分別控制一路相互獨立的PWM信號并控制電機的啟停和正反轉(zhuǎn)。 控制芯片DSPTMS320F2812簡介TMS320F2812是一款32位定點DSP控制器,為目前控制領(lǐng)域最先進的處理器之一。其最高頻率可達150MHz,因此性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器,能夠大大提高控制系統(tǒng)的芯片處理能力和控制精度。這款芯片基于C/C++高效32位TMS320C28xDSP內(nèi)核,并提供了浮點數(shù)學(xué)函數(shù)庫,從而在定點處理器上能夠方便地實現(xiàn)浮點運算。F2812采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),I/,這樣大大減小了控制器的功耗。還采用多總線的哈佛結(jié)構(gòu),增強了處理器的處理能力。還具有精簡指令系統(tǒng)(RISC),使CPU能單周期執(zhí)行寄存器到寄存器的操作,并能夠工作在馮諾伊曼模式。片上還集成了豐富的外設(shè)資源,如事件管理器EV,ADC模塊、外部中斷接口、SCI和SPI通信接口、存儲器及接口等,大大簡化了外圍硬件電路的設(shè)計,并降低硬件成本提高系統(tǒng)的可靠性。[11] DSP電源設(shè)計,且對電源的可靠性要求高,輔助電源模塊所提供的是最低電壓是5V,需要進行電壓轉(zhuǎn)換。AMS1117是一款電壓調(diào)節(jié)器,輸出電壓可以是固定的,也可以是可調(diào)的。,它其具有功耗小,低漏失電壓等特點, ,完全能夠滿足DSP對電源(最小3V,)的要求,而且TPS7333的/reset引腳在系統(tǒng)剛上電后或系統(tǒng)欠壓恢復(fù)后提供一個寬度為20ms的低電平,幫助微處理器可靠復(fù)位。DSP電源設(shè)計如圖32。圖中/RS引腳接的是DSP的復(fù)位引腳,。圖32a 圖32b 電機驅(qū)動電路本系統(tǒng)根據(jù)電機型號選用的驅(qū)動芯片是專用于驅(qū)動直流電機的H橋組件BTS7960。BTS7960是一款應(yīng)用于驅(qū)動直流電機的大電流半橋芯片，它自身帶有一個P溝道的MOSFET和一個N溝道的MOSFET和以及驅(qū)動集成電路。P溝道高邊開關(guān)由于沒有電荷泵的需求, 因而減小了電磁干擾。通過驅(qū)動集成技術(shù)，邏輯電平輸入、電流取樣診斷、轉(zhuǎn)換速率調(diào)整器，失效發(fā)生時間、防止欠電壓、過電流、短路結(jié)構(gòu)輕易地連接到一個微處理器上。BTS7960的通態(tài)電阻典型阻值為16mΩ，驅(qū)動電流最高可達43A。[12]BTS7960有單極性和雙極性兩種驅(qū)動方式。采用雙極性驅(qū)動時,電動機的電樞電壓極性呈正負(fù)變化,雖然低速能夠平穩(wěn)運行,但是還存在功率損耗大、電流波動大的缺點,而且還有存在上、下兩個開關(guān)管直通的危險,必須增加死區(qū)控制來避免這種危險。[13]此種方法也限制了開關(guān)動作頻率的提高。因此本系統(tǒng)采用單極性驅(qū)動方式,它的驅(qū)動電路如圖33所示。圖33 全橋驅(qū)動示意圖在圖33中,BTS7960的芯片內(nèi)部為一個半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個MOSFET導(dǎo)通。IN=1且 INH=1時，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時，低邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出低電平。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，具有防電磁干擾的功能。[14]IS引腳是電流檢測輸出引腳。 圖34 BTS7960B原理圖 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速檢測是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因為它是轉(zhuǎn)速控制的反饋量,所以檢測的精度直接影響閉環(huán)控制的精度。目前的常用測速裝置有測速發(fā)電機、光電旋轉(zhuǎn)編碼器等。然而,測速發(fā)電機輸出的是一個脈動的電壓值,并且在實際的運行中,會因周圍環(huán)境的溫度變化、換向器與電刷的接觸電阻隨負(fù)載電流的變化而變化等因素影響,造成輸出存在線性誤差。但是,具有數(shù)字測速功能的光電旋轉(zhuǎn)編碼器具有分辨能力強、測速精度高、受器件影響小等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于調(diào)速要求高、調(diào)速范圍大的伺服系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)。光電旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)角或旋速的檢測元件,它與電動機同軸相連,當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時,光電編碼器的碼盤會隨著電機的軸一起轉(zhuǎn)動,從而會發(fā)出轉(zhuǎn)速信號或轉(zhuǎn)角信號。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器分為增量式和絕對式兩種。絕對式光電編碼器通常用來檢測轉(zhuǎn)角,而增量式光電編碼器通常用來檢測轉(zhuǎn)速,并且可以測定電機的運動方向。[15]本系統(tǒng)采用的光電編碼器是歐姆龍E6A2CS3C,工作原理是:在刻度盤上均勻分布著一定數(shù)量的光柵,在紅外對射式發(fā)光裝置存在物體隔斷紅外光線時,輸出低電平,反之,當(dāng)沒有物體隔斷紅外光線時,它會輸出高電平。因此,把對射式紅外光電傳感器和具有一定數(shù)量光柵的碼盤一起使用時,可得到轉(zhuǎn)速與頻率成正比的方波脈沖系列,再通過一定關(guān)系的變換可得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速值。該編碼器具有如下功能：1有內(nèi)部整形電路及數(shù)字濾波功能。、逆方向脈沖、雙向脈沖及方向指示輸出功能。接口電路圖如下圖34所示：圖35 歐姆龍E6A2CS3C接口電路 故障保護電路TMS32OF2812為用戶提供了兩個功率器件故障保護硬件電路接口和,兩個管腳功能一樣,當(dāng)管腳電平被拉低時,DSP立即將其對應(yīng)的事件管理器所有的PWM管腳設(shè)為高阻態(tài),從而封鎖其PWM輸出。故障保護一般會采用軟、硬件聯(lián)鎖的方式,對于故障信號的反應(yīng)硬件比軟件更迅速。在本系統(tǒng)主要考慮的有兩個故障輸出信號,分別是驅(qū)動電路的過流和過熱輸出信號。但它們都不能直接接到事件管理器的管腳,需要對其進行處理和光電隔離之后才能接管腳。[16]其保護電路如下圖所示。由于過熱信號和過流信號剛好相位相反(即過熱信號引腳輸出為高電平時,則表示正常,輸出是低電平時,表示過熱。而過流信號剛好與之相反),所以要對過熱信號先進行反相,再和過流信號進行或操作,然后通過光耦芯片接入事件管理器的引腳。圖36 故障保護電路 DSP與JTAG接口設(shè)計DSP仿真器通過DSP芯片上提供的掃描仿真引腳實現(xiàn)仿真功能,掃描仿真消除了傳統(tǒng)電路仿真存在的電纜過長會引起的信號失真及仿真插頭的可靠性差等問題。采用掃描仿真,使得在線仿真成為可能,給調(diào)試帶來極大方便。JTAG接口電路如圖37所示。圖37 JTAG接口電路 DSP 串行接口設(shè)計 RS一232是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的一種串行通信接口。EIA232是用正負(fù)電壓表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。為了能夠與計算機接口相連接，必須在EIA．232與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的變換。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，采用MAX202芯片完成智能儀表與計算機的異步串行通信，電路設(shè)計如圖38所示。圖38 串行接口電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 DSP軟件開發(fā)環(huán)境簡介一個好的軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境不僅功能強大、使用便捷,而且可以使開發(fā)人員工作效率高、縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間,因此,這里選用的開發(fā)軟件是目前最先進、使用范圍最廣泛、功能最齊全的CCS軟件。CCS是TI公司針對自己所有系列DSP開發(fā)而研發(fā)的一個完整的集成開發(fā)環(huán)境軟件,它將創(chuàng)建DSP應(yīng)用程序所需的工具全部集成在一起。其中主要成分包括:C/C++編輯器，匯編優(yōu)化器和連接器(代碼生成器)；主機和目標(biāo)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞(RTDX)；智能化的集成開發(fā)環(huán)境,包括CodeMaestro技術(shù)；實時的嵌入式操作系統(tǒng)(DSP/B105)；高級觸發(fā)事件；指令集仿真器；數(shù)據(jù)的可視化；更新指導(dǎo)。CCS具有強大的調(diào)試功能,如設(shè)置斷點,斷點處查看變量或寄存器的值,具有可以選擇的單步跟連續(xù)運行模式,具有可視化界面能監(jiān)視信號數(shù)據(jù)等功能,為系統(tǒng)的開發(fā)提供便捷的軟件調(diào)試環(huán)境。[17]基于CCS的開發(fā)流程如下圖41所示。 直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計數(shù)制系統(tǒng)的硬件一般通過軟件來實現(xiàn)管理,因此系統(tǒng)的硬件是否按預(yù)期的控制規(guī)律正常工作,取決于系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)是否合理。這里所設(shè)計的基于DSP直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要通過主程序和中斷服務(wù)子程序兩個部分構(gòu)成,用以實現(xiàn)控制系統(tǒng)達到的控制