【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)基本功能的調(diào)試工作，主要工作包括 : (1) 方案論證 :根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，確定系統(tǒng)的控制方案 。 (2) 原理圖繪制 :根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計 方案完成控制系統(tǒng) DSP 電路原理圖的設(shè)計工作，包括 DSP 本體電路設(shè)計和直流直線電機驅(qū)動電路設(shè)計 。. (3) 硬件調(diào)試 :制作 PCB 電路板。 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計與實現(xiàn) 按照控制系統(tǒng)技術(shù)指標的要求，對系統(tǒng)進行合理的分析與規(guī)劃，尋求合適的控制規(guī)則并確定軟件流程，主要工作包括 : (1) 系統(tǒng)軟件總體需求分析與設(shè)計 。 鹽城工學院本科生畢業(yè)論文 ( 20xx) 7 (2) 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 。 (3) 統(tǒng)各部分功能的軟件實現(xiàn) 。 (4) 組成完整程序進行調(diào)試。 鹽城工學院新校區(qū)基于 DSP 的直流電機控制技術(shù)實現(xiàn) 8 2. 直流電機的 DSP 控制 直流電動機的控制原理 根據(jù)圖 21 它勵直流電動機的等效電路，可以得到直流電動機的數(shù)學模型。電壓平衡方程為： dtdILIREU ?????? ??? （ 21） 式中， ?U 為電樞電壓； ?I 為電樞電流； ?R 為電樞電路總電阻； ?E 為感應(yīng)電動勢； ?L 為電樞電路總電感。其中感應(yīng)電動勢為： nkE e??? （ 22） 式中， ek 為感應(yīng)電動勢計算常數(shù)； ? 為每極磁通； n 為電動機轉(zhuǎn)速。將式（ 22）代入式（ 21）可得： ??????eKdtdILRIUn )( ??? （ 23） 直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為： ?IKT TM ? （ 24） 轉(zhuǎn)矩平衡方程為： dtdwJTT LM ?? （ 25） 式（ 24）和式（ 25）中， J 為折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量； MT 為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩； LT 為負載轉(zhuǎn)矩； w 為電動機角速度； TK 為電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 鹽城工學院本科生畢業(yè)論文 ( 20xx) 9 MR aL aEaI aU aW ( n )T m 圖 21 直流電動機等效電路 由式（ 23）可得，直流電動機的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：對勵磁磁通 ? 進行控制的勵磁控制法和對電樞電壓 ?U 進行控制的電樞電壓控制法。 勵磁控制法是在電動機的電樞電壓保持不變時，通過調(diào)整勵磁電流來改變勵磁磁通，從而實現(xiàn)調(diào)速的。這種調(diào)速法的調(diào)速范圍小，在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用的很少。 電樞電壓控制 法是在保持勵磁磁通不變的情況下，通過調(diào)整電樞電壓來實現(xiàn)調(diào)速的。在調(diào)速時，保持電樞電流不變，即保持電動機的輸出轉(zhuǎn)矩不變，可以得到具有恒轉(zhuǎn)矩特性的大調(diào)速范圍，因此大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞電壓控制法。本章主要介紹這種方法的 DSP 控制。 對電動機的驅(qū)動離不開半導體功率器件。在對直流電動機電樞電壓的控制和驅(qū)動中，對半導體功率器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式。 線性放大驅(qū)動方式是使半導體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點是：控制原理簡單﹑輸出波動小﹑線性好﹑對鄰近電路干擾小。但是功率器件在 線性區(qū)工作時會將大部分電功率用于產(chǎn)生熱量，效率和散熱問題嚴重，因此這種方式只用于數(shù)瓦以下的微小功率直流電動機的驅(qū)動。 絕大多數(shù)直流電動機采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制（ PWM）來控制電動機的電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。 圖 22 是利用開關(guān)管對直流電動機進行 PWM 調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖 22（ a）中，當開關(guān)管 MOSFET 的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導通，鹽城工學院新校區(qū)基于 DSP 的直流電機控制技術(shù)實現(xiàn) 10 直流電動機電樞繞組兩端有電壓 SU 。 t1 時間后，柵極輸入變?yōu)榈碗?平，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為零。 t2 時間后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_光管的動作重復前面的過程。這樣，對應(yīng)著輸入的電平高低，直流電動機電樞繞組兩端的電 sSSa aUUTTTT UtU ???? 1211 (26) 壓波形如圖 2— 2（ b）所示。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值為： Tta 1? (27) 式中 a 為占空比。 V 1U sD 1直 流 電 動 機 (a)原理圖 鹽城工學院本科生畢業(yè)論文 ( 20xx) 11 t 1U iOOU oTt 2ttU s （ b）輸入 /輸出電壓波形 圖 22 PWM 調(diào)速控制原理和電壓波形圖 占空比 a 表示了在一個周期 T 里，開關(guān)管導通的時間長短與周期的比值。 a 的變化范圍 10 ??a 。由式（ 26）可知，當電源電壓 sU 不變的情況下，電樞的端電壓的平均值 aU 取決于占空比 a 的大小，改變 a 的值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，這就是 PWM 調(diào)速原理。 在 PWM 調(diào)速時，占空比 a 是一個重要的參數(shù)。以下 3 種方法都可以改變占空比的值： （ 1） 定寬調(diào)頻法。這種方式是保持 t1 不變，只改變 t2，這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變。 （ 2） 調(diào)寬調(diào)頻法。這種方法是保持 t2 不變，而改變 t1，這樣使周期 T（或頻率） （ 3） 定頻跳寬法。這種方法是使周期 T（或頻率）保持不變，而同時改變 t1和 t2。 前兩種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻鹽城工學院新校區(qū)基于 DSP 的直流電機控制技術(shù)實現(xiàn) 12 率與系統(tǒng)的固有 頻率接近時，將會引起振蕩，因此這兩種方法用的很少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 TMS320LF2407xA 系列電動機專用 DSP 集成了 PWM 控制信號發(fā)生器，它可以通過調(diào)整事件管理器的定時器控制寄存器來設(shè)定 PWM 工作方式和頻率；通過調(diào)整比較值來調(diào)整 PWM 的占空比；通過調(diào)整死區(qū)控制寄存器來設(shè)定死區(qū)時間；通過專用的 PWM 輸出口輸出占空比可調(diào)的帶有死區(qū) PWM 控制信號，從而省去了其他控制器所用的外圍 PWM 波發(fā)生電路和時間延遲（死區(qū)）電路。 電動機專用 DSP 的高速運算功能可以實現(xiàn)直流電動機的實時控制 ，通過軟件實現(xiàn)名副其實的全數(shù)字控制，從而省去了外圍的 PID 調(diào)節(jié)電路和比較電路。因此，使用 DSP 控制直流電動機可以獲得高性能和低成本。 直流電動機通常要求工作在正反轉(zhuǎn)的場合，這時需要使用可逆 PWM 系統(tǒng)?？赡?PWM 系統(tǒng)分為單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動，以下分別介紹單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動可逆 PWM 系統(tǒng)。 直流電動機單極性驅(qū)動可逆 PWM 系統(tǒng) 單極性驅(qū)動是指在一個 PWM 周期里，電動機電樞的電壓極性呈單一性（或者正﹑或者負）變化。單極性驅(qū)動電路有兩種，一種稱為 T 型，它由兩個開關(guān)管組成，采用正負電源，相當于兩個不可逆系統(tǒng) 的組合，由于形狀像橫放的“ T”字，所以稱為 T 型。 T 型單極性驅(qū)動由于電流不能反向，并且兩個開關(guān)管動態(tài)切換（正反轉(zhuǎn)切換）的工作條件是電樞電流等于零，因此動態(tài)性能較差，很少采用。另一種稱為H 型，其形狀像“ H”字 ,也稱橋式電路。 H 型雙極性驅(qū)動應(yīng)用較多，因此在這里將詳細介紹。 鹽城工學院本科生畢業(yè)論文 ( 20xx) 13 U sV 1V 2V 3V 4D 1D 2D 3D 4ttU i 3U i 41432AB 圖 23 H 型單極性可逆 PWM 驅(qū)動系統(tǒng) 圖（ 23）是 H 型單極可逆 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)。它由 4 個開關(guān)管和 4 個續(xù)流二極管組成，單電源供電。當電動機正轉(zhuǎn)時， V1 開關(guān)管根據(jù) PWM 控制信號同步導通或關(guān)斷，而 V2 開關(guān)管則受 PWM 反相控制信號控制， V3 保持常 閉， V4 保持常開。當電動機反轉(zhuǎn)時， V3 開關(guān)管根據(jù) PWM 控制信號同步導通或關(guān)斷，而 V4 開關(guān)管則受 PWM 反相控制信號控制， V1 保持常閉， V2 保持常開。單極性驅(qū)動系統(tǒng)的 PWM占空比仍用式（ 27）來計算。當要求電動機在較大負載情況下正轉(zhuǎn)工作時，平均電壓 aU 大于感應(yīng)電動勢 aE 。在每個 PWM 周期的 0~t1 區(qū)間， V1 導通， V2 截止，電流 aI 經(jīng) V1﹑ V4 從 A 到 B 流過電樞繞組，如圖 23 中的虛線 1。 在每個 PWM 周期的 t1~t2 區(qū)間， V2 導通， V1 截止，電源斷開，在自感電動勢的作用下，進二極管 D2 和開關(guān)管 V4 進行續(xù)流，使電樞中仍然有電流流過，方向是從 A 到 B，如圖23 中的虛線 2。這時由于二極管 D2 的箝位作用， V2 實際不能導通，電流波形見圖 24（ a)。 當電動機在進行制動時，平均電壓 aU 小于感應(yīng)電動勢 aE 。在每個 PWM 周期的0~t1 區(qū)間，在感應(yīng)電動勢和自感電動勢共同作用下，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(yīng)電動勢的作用下，電流經(jīng) 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)。電動機鹽城工學院新校區(qū)基于 DSP 的直流電機控制技術(shù)實現(xiàn) 14 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aU與感應(yīng)電動勢aE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(yīng)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(xiàn)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(qū)動的電流波動較小，可以實現(xiàn) 4 個象限運行，是一種應(yīng)用非常廣泛的驅(qū)動方式。使用時要注意加“死區(qū)”，避免同一橋臂的開關(guān)管發(fā)生直通短路。 鹽城工學院本科生畢業(yè)論文 ( 20xx) 15 ( a ) 正 轉(zhuǎn)( b ) 制 動( c ) 輕 載ttttt12434123 圖 24 H 型單極性可逆 PWM 驅(qū)動電流波形 直流電動機 雙極性驅(qū)動可逆 PWM 系統(tǒng) 雙極性驅(qū)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(qū)動電路也有 T 型和 H 型兩種。 T 型雙極性驅(qū)動由于開關(guān)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(qū)動。而 H 型雙極性驅(qū)動應(yīng)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(qū)動系統(tǒng)。 4 個開關(guān)管分成兩組，V1﹑ V4 為一組， V2﹑ V3 為另一組。同一組的開關(guān)管同步導通或關(guān)斷，不同組的開關(guān)管的導通與關(guān)斷正好相反。 SSa UaTtUT tTTtU )12()12()( 111 ??????? (27) 鹽城工學院新校區(qū)基于 DSP 的直流電機控制技術(shù)實現(xiàn) 16 U sV 1V 2V 3V 4D 1D 2D 3D 4ttU i 2U i 11AB234 圖 25 H 型雙極可逆 PWM 驅(qū)動系統(tǒng) 在每個 PWM 周期里，當控制信號 1iU 高電平時，開關(guān)管 V1﹑ V4 導通，此時 2iU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 1iU低電平時，開關(guān)管 V1﹑ V4 截止，此時2iU為高電平，因此 V2 ﹑ V3 導通，電