【正文】 性呈正負變化。 I 基于 DSP 控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 本文介紹的是一種基于 DSP TMS320LF2407A 芯片的雙極性可逆 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字控制的設(shè)計和基于 Matlab 的仿真設(shè)計。選用三相橋式不可整流電路供電。驅(qū)動電路采用 M57215BL芯片，通過 DSP的 PWM輸出引腳 PWM1PWM4輸出的控制信號進行控制。采用增量式光電編碼器監(jiān)測電動機的速度變化，經(jīng) QEP1 和 QEP2 腳輸入給 DSP,獲得速度反饋信號。運用 MATLAB 對設(shè)計好的系統(tǒng)進行仿真，雙閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)的特征是系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速分別由兩個調(diào)節(jié)器控制。系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模。 關(guān)鍵詞 ： DSP TMS320LF2407A 芯片； PWM；雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；數(shù)字控制；Matlab。s PWM output pins PWM1PWM4 output control signals. Hall current sensor with current changes, and through ADCIN00 pin to the DSP, by the A / D conversion produces the current feedback signal. An incremental optical encoder to monitor the motor speed changes, the QEP1 and QEP2 pin input to the DSP, to obtain the speed feedback signal. By PDPINIA pin provided on the motor voltage and over current protection. Good system design using MATLAB simulation, the characteristics of dualloop speed control system is the system39。s output as given ACR, the use of ASR39。 ACR output as the trigger phase control voltage. System model including the main circuit modeling and control circuit modeling. After the pletion of the simulation modeling. Keywords: TMS329LF2407A chip； PWM； double closedloop DCdrive speed system；Digital control； Matlab。 有許多生產(chǎn)機械要求電動機既有正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地啟動和制動，這就需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。 直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通和改變電樞回路電阻。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實現(xiàn)有級調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大，一般都是配合變壓調(diào)速使用。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中，大體上又可分為 可控整流式調(diào)速系統(tǒng) 和直流PWM調(diào)速系統(tǒng)兩種。 正因為直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上的優(yōu)點，并且 隨著電力電子器件開關(guān)性能的不斷提高 ，直流 脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。目前 ， 在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制器與微處理器集為一體的專用控制芯片 , 如 TI 公司生產(chǎn)的TMS320C24X 系列芯片。采用微機控制后 ， 整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 可靠性高 ， 操作維護方便 ， 電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平 ， 靜動態(tài)各項指標均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。目 前，對于控制對象 2 的研究和討論很多，有比較成熟的理論，但實現(xiàn)控制的方法和手段隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，不斷地進行技術(shù)升級。每一次的技術(shù)升級都是控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進。經(jīng)過文獻檢索，目前已經(jīng)有不少科技工作者開展了將 DSP 芯片用于電機控制方面的研究，但現(xiàn)在應(yīng)用的例子較少，大部分還處于可行性研究階段。研究設(shè)想是：通過研究提出合理的硬件方案和算法，主要進行的是理想情況下的可行性研究，具有工程應(yīng)用的可能和超前性。兩者的結(jié)合，將大大提高電機控制在高精度控制領(lǐng)域的發(fā)展。由此可知，基于 DSP的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計不論在理論上還是在工程中都是可行的。 本設(shè)計采用 DSP 芯片 TMS329LF2407BL 為控制核心，可逆直流調(diào)速系統(tǒng)采用由IGBT 組成的橋式可逆 PWM 變換器，通過 DSP 芯片輸出可調(diào)制脈寬波控制 IGBT 的觸發(fā)角改變電動機兩端的極性從而達到調(diào)速的目的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié) ASR 和電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié) ACR 采用 PI調(diào)節(jié)。 3 第二章 方案論證 系統(tǒng)設(shè)計要求 實現(xiàn) PWM直流電機的轉(zhuǎn)速數(shù)字控制。 電動機供電方案的選擇 根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速方程： （ ） 式中 n — 轉(zhuǎn)速（ r/min ）； U— 電樞電壓（ V ）； I — 電 樞 電 流 （ A ）； R — 電 樞 回 路 總 電 阻 （ ? ）； ? — 勵 磁 磁 通 （ Wb ）； Ke— 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。這里選用變壓調(diào)速 [1]。旋轉(zhuǎn)變流機組簡稱 GM系統(tǒng)如圖 ，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用 PWM 器件如圖 所示，主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小； 5 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達 1:10000 左右；若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電 源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代 VM 系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。 在 PWMM系統(tǒng)中，用 PWM 調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速?？赡?PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H形）電路，電動機 M 兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，考慮到精密加工對性能要求很高，采用雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器，雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器具有電流一定連續(xù)；可使電機在四象限運行；電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達 1:20200 左右；低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通 [1]。 MU dUcR bVT 1VT 2VT 3+ VT 4VD 1VD 2VD 3VD 4PW M 控制VTb+ 圖 PWM 系統(tǒng)的原理圖 6 系統(tǒng)控制方案選擇 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，在整個系統(tǒng)中，主要包括轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)，其中外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。兩個調(diào)節(jié)器可以分為模擬的和數(shù)字式的，模擬調(diào)節(jié)器一般都是用運算放大器實現(xiàn)，在物理概念上比較清晰，控制信號流向也比較直觀，一般適合于學習入門，但模擬控制系 統(tǒng)的控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性較差，其控制效果往往受到器件性能和溫度等因素的影響。 n * di g++Ks1Ce電 流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器nn di gI * ddi gI ddi gK βK α微處理器 圖 采用微處理器后的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 如圖 。微機控制系統(tǒng)不受器件溫度漂移的影響、穩(wěn)定性好、可靠性高，提高了控制性能。 現(xiàn)在微處理技術(shù)發(fā)展相當快，生產(chǎn)微處理器的生產(chǎn)廠商也很多，微處理器的型號層出不窮，他們性能各異，有通用型 的，也有一些專用型的。在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用不同的微處理器，有不一樣的方案，下面進行討論，并最終選擇一種最適合的方案。 三相電壓三相整流器H 型 P WM變換器顯示鍵盤I / O8051 單片機A / DP W M生成電流檢測數(shù)字測速M 圖 采用 8051 處理器控制的原理框圖 如圖 所以是采用 8051 處理器設(shè)計雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。在檢修方面也有一定的優(yōu)勢，當電路中的某一個模塊出了問題，只要對該模塊進行修理或更換即可，其它的硬件可以繼續(xù)使用。 采用 TMS320LF2407控制設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 。 PWM 直接輸出到 H型 PWM 變換器， 得以控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；通過光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)速，測得的數(shù)據(jù)直接送到 8 三相電壓三相整流器H 型 P WM變換器顯示鍵盤SPI外設(shè)DSP 處理器電流檢測編碼器SPI P WMADC正交編碼脈沖電路M 圖 采用 DSP處理器控制的原理框圖 DSP處理器的正交編碼器進行處理；利用霍爾傳感器主電路的電流，送到 DSP 處理器上集成的 ADC， A/D 轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量，由 DSP 處理器進行處理；可以用帶 SPI 技術(shù)的接 口鍵盤和數(shù)碼管顯示芯片與 DSP處理器的 SPI外設(shè)接口相接，進而可以通過鍵盤給定速度，也可以進行調(diào)速等操作，數(shù)碼管用來顯示當前的電機轉(zhuǎn)速。這與方案一相比主要是少了一些外設(shè)，不用設(shè)計專門的 PWM 控制電路，不需要選擇一個分辨率滿足系統(tǒng)要求的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及對速度檢測的數(shù)據(jù)進行適當?shù)恼蔚?[3]。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 若采用轉(zhuǎn)速負反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當電流從最大值降低下來以后，電機 轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流 負反饋，而它和轉(zhuǎn)速負反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能 [4]。得到過電流的自動保護。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。其硬件結(jié)構(gòu)如圖 。 IGBT 正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。主電路由三相不可控整流、 H橋雙極性 PWM 電路、泵升電壓電路與直流電機構(gòu)成。轉(zhuǎn)速的檢測采用數(shù)字測速器。泵升電壓的控 制經(jīng)與事先設(shè)定值比較后由 DSP 發(fā)出控制信號控制啟動泵升電壓電路，進行能量泄放，保護主電路。該DSP控制系統(tǒng)有完善的保護體系。 13 整流電路選擇 整流電路是電力電子中出現(xiàn)的最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟姟? 由于工廠為三相交流電源 ，這里選用三相橋式電路，三相橋式中有全控和不可控，雖然全控的性能好，單需要觸發(fā)電路，勢必會增加成本，在這里為了減少設(shè)計的成本和減少程序的編寫，在這里選用三相橋式不可控整流電路，電路圖如圖 。其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式。 14 M4 213A BV 1V 2V 3V 4VD 1VD 2 VD 4VD 3UsU i 1U i 2 U i 1U i 2 圖 H 型雙極可逆 PWM 驅(qū)動系統(tǒng) 圖 是 H 型雙極性可逆 PWM 的工作電路原理圖。同一組的開關(guān)管同步導(dǎo)通或通斷，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。 在每個 PWM 周期里，當控制信號 Ui1高電平時，開關(guān)管 V V4導(dǎo)通，此時 Ui2為低電平，因此 V V3截止，電樞繞組承受從 A 到 B 的正向電壓；當控制信號 Ui1低電平時，開關(guān)管 V V4截止，此時 Ui2為高電平，因此 V V3導(dǎo)通，電樞繞組承受從 B 到 A的方向電壓，這就是所謂“雙極”。當 ρ=0 時， Ud=Us,電動機反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大；當 ρ= 1 時， Ud=Us，電動機正轉(zhuǎn)，且