【文章內容簡介】 電動勢共同作用下，電流進二極管D4﹑D1流向電源，方向是從B到A，如圖23中虛線4，電動機處在再生制動狀態(tài)。在每個PWM周期的t1~t2區(qū)間，V2導通，V1截止，在感應電動勢的作用下，電流經D4﹑V2仍然是從B到A流過繞組，如圖23中虛線3，電動機處在耗能制動狀態(tài)。電動機制動時的電流波形如圖24（b)所示。當電動機輕載或空載運行時，平均電壓與感應電動勢幾乎相等。在每個PWM周期的0~t1區(qū)間，V2截止，電流先是沿虛線4流動，當減小到零后，V1導通接通電源，電流改變方向，沿虛線1流動。在每個PWM周期的t1~t2區(qū)間，V1截止，電流先是沿虛線2續(xù)流，當續(xù)流電流減小到零后，V2導通，在感應電動勢的作用下，電流改變方向，沿虛線3流動。因此，在一個PWM周期中，電流交替呈現再生制動﹑電動﹑續(xù)流電動﹑耗能制動4種狀態(tài)，電流圍繞著橫軸上下波動，如圖24（c)所示。由此可見，單極性可逆PWM驅動的電流波動較小，可以實現4個象限運行，是一種應用非常廣泛的驅動方式。使用時要注意加“死區(qū)”，避免同一橋臂的開關管發(fā)生直通短路。圖24 H型單極性可逆PWM驅動電流波形 直流電動機雙極性驅動可逆PWM系統(tǒng)雙極性驅動是指在一個PWM周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性驅動電路也有T型和H型兩種。T型雙極性驅動由于開關管要承受較高的反向電壓，因此只用在低壓小功率直流電動機驅動。而H型雙極性驅動應用較多，因此在這里將詳細介紹。圖2=5是H型雙極可逆PWM驅動系統(tǒng)。4個開關管分成兩組，V1﹑V4為一組，V2﹑V3為另一組。同一組的開關管同步導通或關斷，不同組的開關管的導通與關斷正好相反。 (27)圖25 H型雙極可逆PWM驅動系統(tǒng)在每個PWM周期里，當控制信號高電平時，開關管V1﹑V4導通，此時為低電平，因此V2﹑V3截止，電樞繞組承受從A到B得正向電壓；當控制信號低電平時，開關管V1﹑V4截止，此時為高電平，因此V2﹑V3導通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓，這就是所謂“雙極”。由于在一個PWM周期里電樞電壓經歷了正反兩次變化，雙極性可逆PWM驅動時，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比a大小。當a=0時，,電動機反轉，且轉速最大；當a=1時，電動機正轉，轉速最大；當a=1/2時，電動機不轉。雖然此時電動機不轉，但電樞繞組中仍然有交變電流流動，使電動機產生高頻振蕩，這種振蕩有利于克服電動機負載的靜摩擦，提高動態(tài)性能。下面討論電動機電樞的電流。電樞繞組中的電流波形見圖26。分成以下3種情況。圖26 H型雙極性可逆PWM驅動電流波形當要求電動機在較大負載情況下正轉工作時，平均電壓大于感應電動勢。在每個PWM周期的0~t1區(qū)間，V1﹑V4導通，V2﹑V3截止，電樞繞組中電流的方向是從A到B，如圖2—5中的虛線1所示。在每個PWM周期的t1~t2區(qū)間，V2﹑V3導通V1﹑V4截止，雖然電樞繞組加反向電壓，但由于繞組的負載電流較大，電流的方向仍然不變，只不過電流幅值的下降速率比前面介紹的單極性系統(tǒng)要大，因此電流的波動較大。當電動機在較大負載的情況下反轉工作時，情形正好與正轉是相反，電流波形如圖26（b）所示，這里不再介紹。當電動機在輕載下工作時，負載使電樞電流很小，電流波形基本上圍繞橫軸上下波動（見圖26（c）），電流的方向也在不斷地變化。在每個PWM周期的0~t1區(qū)間。V2﹑V3截止。開始時，由于自感電動勢的作用，電樞中的電流維持原流向—從B到A，電流線路如圖35中虛線4，經二極管D4﹑D1到電源，電動機處于再生制動狀態(tài)。由于二極管的D4﹑D1鉗位作用，此時V1﹑V4不能導通。當電流衰減到零后，在電源電壓的作用下，V1﹑V4開始導通。電流經V1﹑V4形成回路，如圖2—5中虛線1所示。這時電樞電流的方向從A到B，電動機處于電動狀態(tài)。在每個PWM周期的t1~t2區(qū)間，V1﹑V4截止。電樞電流在自感電動勢的作用下繼續(xù)從A到B，其電流流向如圖25中虛線2，電動機仍處于電動狀態(tài)。當電流衰減為零后，V2﹑V3開始導通，電流線路如圖25中的虛線3所示，電動機處于耗能制動狀態(tài)。因此，在輕載下工作時，電動機的工作狀態(tài)呈電動和制動交替變化。雙極性驅動時，電動機可在4個象限上工作，低速時的高頻振蕩有利于消除負載的靜摩擦，低速平穩(wěn)性好。但在工作的過程中，由于4個開關管又處在開關狀態(tài)，功率損耗較大，因此雙極性驅動只用于小功率直流電動機。使用時也要加“死區(qū)”，防止開關管直通。 直流電動機的DSP控制方法及編程例子 單極性可逆PWM系統(tǒng)DSP控制方法及編程例子圖27是直流電動機全數字雙閉環(huán)控制的框圖。全部控制模塊如速度PI調節(jié)﹑電流PI調節(jié)﹑PWM控制都是通過軟件來實現的。圖27直流電動機調速雙閉環(huán)控制框圖圖28是根據圖27的控制原理所設計的用TMS320LF2407A DSP實現直流電動機調速的控制和驅動電路。圖中采用了H型驅動電路，通過DSP的PWM輸出引腳PWM1~PWM4輸出的控制信號進行控制。用霍爾電流傳感器檢測電流變化，并通過ADCIN00引腳輸入給DSP，經QEP1﹑QEP2引腳輸入給DSP，獲得速度反饋信號。它還可以很容易地實現位置控制。用DSP實現直流電動機速度控制的軟件由3部分組成:初始化程序﹑主程序﹑中斷子程序。其中主程序只進行電動機的轉向判別，用來改變比較方式寄存器ACTRA的設置。用戶可以再主程序中添加其他應用程序。在每個PWM周期（50us）都進行一次電流采樣和電流PI調節(jié)，因此電流采樣周期與PWM周期相同，以實現實時控制。采用定時器1周期中斷標志來啟動A\D轉換，轉換結束后申請ADC中斷。圖2—9是ADC中斷子程序框圖。全部控制功能都通過中斷處理子程序來完成。圖28 直流電動機DSP控制和驅動電路 雙極性可逆PWM系統(tǒng)DSP控制方法及編程例子雙極性可逆PWM系統(tǒng)的DSP控制與單極性可逆PWM系統(tǒng)的DSP控制基本相同。由于PWM1和PWM4的控制規(guī)律一樣，PWM2和PWM3的控制規(guī)律一樣，所以比較方式控制寄存器ACTRA的設置應為0096H。雙極性可逆PWM系統(tǒng)的占空比除了決定電動機的轉速外，還決定電動機的轉向，因此，在電流PI調節(jié)控制中，必須根據轉向標志DIRECTION來決定輸出極限：正轉時，輸出的范圍是0~250；反轉時，輸出的范圍是250~500。由于速度時間常數較大，本程序設計每100個PWM周期（即5ms）對速度進行一次PI調節(jié)。速度反饋量是按以下方法計算的：在每個PWM周期都通過讀編碼器求一次編碼脈沖增量，并累計。假設電動機的最高轉速是3000r/min，也即50r/s。采用1024線的編碼器，進DSP四倍頻后每轉發(fā)出4096個脈沖。所以在這個轉速下，每秒發(fā)出504096=204800個脈沖。那么5ms發(fā)出的最大脈沖數為2048005（或）令編碼脈沖速度轉換系數就可以得到當前轉速反饋量相對于最高轉速的比例值n，當前轉速反饋量等于3000n/。由圖31可知，該系統(tǒng)包含DSP控制單元，功率驅動單元，速度檢測單元。原理是DSP輸出PWM波經過光電隔離部分，送給功率驅動單元。然后經過光耦隔離放大作用在MOSFET開關管。主控芯片采用TI公司TMS320LF240x系列的LF2407。其主要的外圍電路包括電源電路、電路和晶振電路等。圖31系統(tǒng)硬件總體設計圖TMS320系列包括：定點、浮點、多處理器數字信號處理器和定點DSP控制器。TMS320系列DSP的體系結構專為實時信號處理而設計，該系列DSP控制器將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，為控制系統(tǒng)應用提供了一個理想的解決方案。目前TI公司主推的DSP有：定點系列TMS320C2000、TMS320C5000；浮點系列TMS320C6000。其中TMS320C6000系列中也有部分為定點DSP。TMS320系列同一產品系列中的器件具有相同的CPU結構，但片內存儲器和外設的配置不同。派生的器件集成了新的片內存儲器和外設，以滿足世界范圍內電子市場的不同需求。通過將存儲器和外設集成到控制器內部，TMS320器件降低了系統(tǒng)成本，節(jié)省了電路板空間，提高了系統(tǒng)的可靠性。在TMS320系列DSP基礎上，TMS320LF2407A控制器具有以下特點。(1)中央處理單元①32位中央算數邏輯單元(CALU)。②32位累加器。③3個比例移位器。④16位*16位乘法器。⑤間接尋址用的8個16位輔助寄存器和輔助算數單元(ARAU)。⑥4級流水線操作。⑦8級硬件堆棧。⑧6個可屏蔽硬件中斷。(2)存儲器①32K字片內FLASH程序存儲器。②544字的片內外設DARAM和2K字的片內SARAM。③可用空間：程序存儲空間64K，I/O空間64K字。(3)指令集①單周期乘加指令。②具有FFT倒序位序交址尋址能力。③單周期指令執(zhí)行時間為25ns(40MIPS)。④源代碼與定點TMS320C2X、C2XX、C5X兼容。(4)電源①。②3種低功耗模式，且可以靈活開啟和關閉具體外設的時鐘。LF2407A具有一些與單片機不同的硬件特點。(1)時鐘通過對晶振倍頻后，LF2407A的內部時鐘是CPU時鐘，最高可以高達40MHz。但是很多外設并不能承受這么快的時鐘。通過對CPU時鐘分頻，LF2407A所有外設都可以單獨設置外設時鐘。(2)中斷DSP的中斷有其內核中斷、事件管理模塊的中斷和系統(tǒng)模塊中斷組成。DSP內核中斷包括：由指令INTR，NMI和TRAP產生的軟件中斷和來自復位RS，非屏蔽NMI和可屏蔽INTx(x=1，2，3，4，5，6)的硬件中斷；事件管理模塊的中斷包括：通用定時器的周期事件中斷、通用定時器的比較事件中斷、通用定時器的溢出事件中斷、單比較中斷、全比較中斷、捕獲中斷和電源驅動保護中斷(PDPINT)；系統(tǒng)模塊中斷包括：A/D轉換中斷、串行通信SCI的接收中斷、串行通信SCI的發(fā)送中斷、串行外設接口SPI中斷、外部引腳XINTx(x=l，2，3)產生的可屏蔽中斷和外部非屏蔽引腳NMI中斷。(3)存儲器空間LF2407A包含三個獨立的存儲空間，在調試過程中，對于片上的引腳，可以做出選擇，將其置于高電平時，進入微處理器(Micro Processor)模式，尋址將對外程序存儲器。在程序調試階段，常譯碼一個外部RAM存儲器，通過CCS中的fileload Program命令，下載編譯好的程序到外部RAM中運行。當把MP/MC引腳置位為低電平時，進入微控制器(Micro Controller)模式，尋址內部FLASH程序存儲器，等最后將程序調試完畢，再燒寫到內部FLASH。同時LF2407A還可以通過GEL語言來設置寄存器SCSR2的MP/MC位，從而決定程序存儲器映射于內部還是外部空間。LM117是美國國家半導體公司的三端可調正穩(wěn)壓器集成電路。是使用極為廣泛的一類串連集成穩(wěn)壓器。 LM117/LM317 的輸出電壓范圍是 至 37V，負載電流最大為 。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。LM117內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。通常 LM117不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 LM117/LM317 輸入端的連線超過 6 英寸。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。 LM117能夠有許多特殊的用法。比如把調整端懸浮到一個較高的電壓上，可以用來調節(jié)高達數百伏的電壓，只要輸入輸出壓差不超過 LM117的極限就行。當然還要避免輸出端短路。還可以把調整端接到一個可編程電壓上，實現可編程的電源輸出。LM117特性簡介：可調整輸出電壓低。保證 輸出電流。典型線性調整率 %。典型負載調整率 %。 80dB 紋波抑制比。輸出短路保護。過流、過熱保護。調整管安全工作區(qū)保護。標準三端晶體管封裝。如圖32所以。圖32DSP電源轉換電路JTAG掃描邏輯電路用于仿真和調試，采用JTAG可實現在線仿真，同時也是調試過程中