【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(shí)相當(dāng)于短路,會(huì)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(gè)限流電阻R1,合上電源后,延時(shí)用開(kāi)關(guān)將R1短路,防止在運(yùn)行中造成附加損耗。 對(duì)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(jī)制動(dòng)時(shí)起吸收運(yùn)行系統(tǒng)電能的作用。由于直流電源通過(guò)二極管整流器供電,不可能回饋電能,電機(jī)制動(dòng)時(shí)只能對(duì)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(shí),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(kāi)關(guān)器件G5在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值的時(shí)候接通。這就是通常所說(shuō)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(jì)控制電路以DSPTMS320F2812為控制核心,以隔離驅(qū)動(dòng)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(hào)，光電編碼器QEP輸入接受反饋的位置和速度信號(hào)，兩個(gè)事件管理器EV分別控制一路相互獨(dú)立的PWM信號(hào)并控制電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)。 控制芯片DSPTMS320F2812簡(jiǎn)介T(mén)MS320F2812是一款32位定點(diǎn)DSP控制器,為目前控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一。其最高頻率可達(dá)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(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù),從而在定點(diǎn)處理器上能夠方便地實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)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(xiàn)的哈佛結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了處理器的處理能力。還具有精簡(jiǎn)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(chǔ)器及接口等,大大簡(jiǎn)化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì),并降低硬件成本提高系統(tǒng)的可靠性。[11] DSP電源設(shè)計(jì),且對(duì)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(jìn)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(diǎn), ,完全能夠滿(mǎn)足DSP對(duì)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(gè)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(jì)如圖32。圖中/RS引腳接的是DSP的復(fù)位引腳,。圖32a 圖32b 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)型號(hào)選用的驅(qū)動(dòng)芯片是專(zhuān)用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的H橋組件BTS7960。BTS7960是一款應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的大電流半橋芯片，它自身帶有一個(gè)P溝道的MOSFET和一個(gè)N溝道的MOSFET和以及驅(qū)動(dòng)集成電路。P溝道高邊開(kāi)關(guān)由于沒(méi)有電荷泵的需求, 因而減小了電磁干擾。通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(shí)間、防止欠電壓、過(guò)電流、短路結(jié)構(gòu)輕易地連接到一個(gè)微處理器上。BTS7960的通態(tài)電阻典型阻值為16mΩ，驅(qū)動(dòng)電流最高可達(dá)43A。[12]BTS7960有單極性和雙極性?xún)煞N驅(qū)動(dòng)方式。采用雙極性驅(qū)動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)的電樞電壓極性呈正負(fù)變化,雖然低速能夠平穩(wěn)運(yùn)行,但是還存在功率損耗大、電流波動(dòng)大的缺點(diǎn),而且還有存在上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管直通的危險(xiǎn),必須增加死區(qū)控制來(lái)避免這種危險(xiǎn)。[13]此種方法也限制了開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率的提高。因此本系統(tǒng)采用單極性驅(qū)動(dòng)方式,它的驅(qū)動(dòng)電路如圖33所示。圖33 全橋驅(qū)動(dòng)示意圖在圖33中,BTS7960的芯片內(nèi)部為一個(gè)半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET導(dǎo)通。IN=1且 INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時(shí)，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(shí)間，具有防電磁干擾的功能。[14]IS引腳是電流檢測(cè)輸出引腳。 圖34 BTS7960B原理圖 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路轉(zhuǎn)速檢測(cè)是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因?yàn)樗寝D(zhuǎn)速控制的反饋量,所以檢測(cè)的精度直接影響閉環(huán)控制的精度。目前的常用測(cè)速裝置有測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電旋轉(zhuǎn)編碼器等。然而,測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的是一個(gè)脈動(dòng)的電壓值,并且在實(shí)際的運(yùn)行中,會(huì)因周?chē)h(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(xiàn)性誤差。但是,具有數(shù)字測(cè)速功能的光電旋轉(zhuǎn)編碼器具有分辨能力強(qiáng)、測(cè)速精度高、受器件影響小等優(yōu)點(diǎn),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(cè)元件,它與電動(dòng)機(jī)同軸相連,當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),光電編碼器的碼盤(pán)會(huì)隨著電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),從而會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)速信號(hào)或轉(zhuǎn)角信號(hào)。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器分為增量式和絕對(duì)式兩種。絕對(duì)式光電編碼器通常用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)角,而增量式光電編碼器通常用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速,并且可以測(cè)定電機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(pán)上均勻分布著一定數(shù)量的光柵,在紅外對(duì)射式發(fā)光裝置存在物體隔斷紅外光線(xiàn)時(shí),輸出低電平,反之,當(dāng)沒(méi)有物體隔斷紅外光線(xiàn)時(shí),它會(huì)輸出高電平。因此,把對(duì)射式紅外光電傳感器和具有一定數(shù)量光柵的碼盤(pán)一起使用時(shí),可得到轉(zhuǎn)速與頻率成正比的方波脈沖系列,再通過(guò)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(hù)電路TMS32OF2812為用戶(hù)提供了兩個(gè)功率器件故障保護(hù)硬件電路接口和,兩個(gè)管腳功能一樣,當(dāng)管腳電平被拉低時(shí),DSP立即將其對(duì)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(hù)一般會(huì)采用軟、硬件聯(lián)鎖的方式,對(duì)于故障信號(hào)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(gè)故障輸出信號(hào),分別是驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)流和過(guò)熱輸出信號(hào)。但它們都不能直接接到事件管理器的管腳,需要對(duì)其進(jìn)行處理和光電隔離之后才能接管腳。[16]其保護(hù)電路如下圖所示。由于過(guò)熱信號(hào)和過(guò)流信號(hào)剛好相位相反(即過(guò)熱信號(hào)引腳輸出為高電平時(shí),則表示正常,輸出是低電平時(shí),表示過(guò)熱。而過(guò)流信號(hào)剛好與之相反),所以要對(duì)過(guò)熱信號(hào)先進(jìn)行反相,再和過(guò)流信號(hào)進(jìn)行或操作,然后通過(guò)光耦芯片接入事件管理器的引腳。圖36 故障保護(hù)電路 DSP與JTAG接口設(shè)計(jì)DSP仿真器通過(guò)DSP芯片上提供的掃描仿真引腳實(shí)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(guò)長(zhǎng)會(huì)引起的信號(hào)失真及仿真插頭的可靠性差等問(wèn)題。采用掃描仿真,使得在線(xiàn)仿真成為可能,給調(diào)試帶來(lái)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(jì) 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(jì)算機(jī)接口相連接，必須在EIA．232與TTL電路之間進(jìn)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(jì)算機(jī)的異步串行通信，電路設(shè)計(jì)如圖38所示。圖38 串行接口電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) DSP軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介一個(gè)好的軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境不僅功能強(qiáng)大、使用便捷,而且可以使開(kāi)發(fā)人員工作效率高、縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間,因此,這里選用的開(kāi)發(fā)軟件是目前最先進(jìn)、使用范圍最廣泛、功能最齊全的CCS軟件。CCS是TI公司針對(duì)自己所有系列DSP開(kāi)發(fā)而研發(fā)的一個(gè)完整的集成開(kāi)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(jī)和目標(biāo)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞(RTDX)；智能化的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,包括CodeMaestro技術(shù)；實(shí)時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)(DSP/B105)；高級(jí)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(qiáng)大的調(diào)試功能,如設(shè)置斷點(diǎn),斷點(diǎn)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(yùn)行模式,具有可視化界面能監(jiān)視信號(hào)數(shù)據(jù)等功能,為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供便捷的軟件調(diào)試環(huán)境。[17]基于CCS的開(kāi)發(fā)流程如下圖41所示。 直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)制系統(tǒng)的硬件一般通過(guò)軟件來(lái)實(shí)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(jì)的基于DSP直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要通過(guò)主程序和中斷服務(wù)子程序兩個(gè)部分構(gòu)成,用以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)達(dá)到的控制