主電路工作原理部分

1、摘要本文分別介紹了基于SG3525的雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的設計和基于DSP TMS320LF2407A 芯片的雙極性可逆PWM直流調速系統(tǒng)數字控制的設計。選用H型雙極可逆PWM驅動系統(tǒng)對電機進行控制，在一個PWM周期內，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調制器是按照接反饋電流來調節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。結合兩片IR2110構成H全橋功率MOSFET管可逆PWM他勵直流控制系統(tǒng)主控制回路。數字控制系統(tǒng)中，驅動電路采用M5

2、7215BL芯片，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A/D轉換產生電流反饋信號。采用增量式光電編碼器監(jiān)測電動機的速度變化，經QEP1和QEP2腳輸入給DSP,獲得速度反饋信號。通過PDPINIA引腳對電動機提供過電壓和過電流保護。調速系統(tǒng)采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調節(jié)系統(tǒng)采用PI調節(jié)器可以獲得無靜差；構成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度；雖快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的，但是電路較簡單。1. 主電路工作原理部分在PWM-M系統(tǒng)中，用PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖

3、電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速?？赡鍼WM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器件柵極驅動電壓極性的變化而改變，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)的調速范圍可達1:20000左右；低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通1變壓器左側施加交流電，右側輸出電壓U2（根號2U2=US直流電源電壓）占空比取0.7輸出電機額定電壓UD54V，由UD

4、=US（2肉-1）肉取0.7，從而確定MOS管型號。直接選用二極管不控整流橋 1.1主電路拓撲整流選擇了脈寬調制變換器進行改變電樞電壓的直流調速系統(tǒng)。直流220V的電源可通過單相橋式整流電路產生，但是由于整流電路的輸出電壓具有較大的交流部分，不能適合大多數電子電路及設備的要求。因此，一般在整流后，還需要利用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸?電源電路如圖所示，與用于信號處理的濾波電路相比，直流電源中濾波電路的顯著特點是：均采用無源電路；理想情況下，濾去所有交流成分，只保留直流成分； 能夠輸出較大電流。系統(tǒng)的保護包括過壓，過流和短路保護。該模塊用于電樞電流的檢測與過流保護，至于電樞回路

5、和直流母線側。 限流電阻：為了避免大電容C在通電瞬間產生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻r0（圖1-22）（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關K將短路，以免長期接入時影響整流電路的正常工作，并產生附加損耗。 泵升限制電路：當脈寬調速系統(tǒng)的電動機轉速由高變低時（減速或者停車），儲存在電動機和負載轉動部分的動能將會變成電能，并通過雙極式可逆 PWM 變換器回送給直流電源。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回送電能，電機制動時只好給濾波電容充電，從而使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。過高的泵升電壓會損壞元器件，所以必須采取預防措

6、施，防止過高的泵升電壓出現?？梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開關元件（電力電子器件）VT組成的泵升電壓限制電路。當濾波電容器C兩端的電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許數值時，VT導通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。目前，可逆H橋PWM直流電機控制系統(tǒng)主要采用功率MOSFET、IGBT管作為開關管。H橋4片MOSFET管直流電機典型驅動電路如圖所示。當VT1、VT4導通時電機正轉；當VT2、VT3導通時，電機反轉；當VT2、VT4導通時，電機兩極與地短接，電機剎車能耗制動。使電動機M的電樞兩端承受電壓+US或-US，通過改變占空比，改變電壓脈沖的寬度。功率場效應管IRFv460的柵源極電壓容限為+-20V

7、，MOSFET漏極產生的浪涌電壓會通過漏柵極之間的米勒電容耦合到柵極上擊穿柵極的氧化層，所以在MOS管柵源極之間加分壓電阻和穩(wěn)壓二極管來鉗位柵源極電壓，同時保護IR2110不被MOS管短路高壓竄入損壞。1.2 主電路工作過程2. 系統(tǒng)的控制原理3. 主電路參數設計二極管不控整流、MOS上的吸收電路、過電流保護電路（張小明）4. 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計*電流環(huán)和轉速環(huán)圖*4.1在電機最大允許電流和轉矩的條件下，應該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速時，立即讓電流降下來，時轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。

8、直流調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形圖2-1.為使在啟動過程中只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，達到穩(wěn)態(tài)轉速后又希望只要轉速負反饋，不再讓電流負反饋發(fā)揮作用。為實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中分別引入轉速負反饋和電流負反饋，實行嵌套聯接。如圖2-2把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再由電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE（3525、2110）如圖2-3.按照電力電子變換器的控制電壓UC為正電壓標出兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性。為實現電流無靜差，使轉速調節(jié)器飽和。此時ASR輸出達到限幅值UIM*，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無

9、靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時式（2-2）最大電流取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。對應圖（2-5）AB段·········ASR將退出飽和狀態(tài)。按典型一型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，采用PI型電流調節(jié)器。由于測量儀表不方便直接串入電路且電流檢測電路與被測電路的直流工作點。反饋電壓Ui由閉環(huán)霍爾傳感器從電機側引入。為使空載起動到額定轉速時的轉速超調量=10%ASR采用PI調節(jié)器，設計成典型二型系統(tǒng)。轉速給定電壓UN*為正負給定電壓由LM7915提供。4.2雙閉環(huán)調

10、速系統(tǒng)的參數設計4.3轉速和電流兩個調節(jié)器的作用P59 2.2.45. 控制電路與驅動電路設計5.1用SG352以控制N溝道頻率MOSFET。SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，內部含有欠電壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器、有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比。性能特點如下：SG3525的結構框圖VT1、VT2即11、14引腳。畫出3525連接圖（考慮到SG3525為單電源供電型器件，控制電壓UC由偏置電路設置晶體管基射結正偏、集基結反偏，使晶體管工作在放大狀態(tài)的電路，簡稱為偏置電路）對輸入信號進行電位平移，抬高成為正電壓再送運放。5.2驅

11、動電路設計可逆H橋PWM直流電機控制系統(tǒng)采用MOSFET作為開關管，開關管的驅動電路通常采用集成驅動電路，將PWM控制信號轉換成同步高壓驅動信號。2片IR2110能構成H橋全橋功率MOSFET管可逆PWM他勵直流控制系統(tǒng)主控回路。IR2110芯片高端懸浮通道采用外部自舉電容產生懸浮電壓源為基于2110的H橋直流電機典型驅動電路5.3控制電路及驅動電路的參數設計：MOS管型號參數按自己選的算6. 保護電路設計：本系統(tǒng)設計脈沖 編碼器在每個 PWM 周期( 50s )都對直流調速系統(tǒng)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采用定時器1周期中斷標志來啟動 A /D 轉換, 轉換

12、結束后申請 ADC中斷。圖 10是 ADC中斷處理子程序框圖。全部控制功能都通過中斷處理子程序來完成由于速度時間常數較大, 在本程序中設計每 90個 PWM周期 (即 4 5m s)對速度進行一次 P I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。設電動機的最高轉速是 200 r/m in即 10/3 r/ s。采用1 024線的編碼器, 經 DSP4倍頻后每轉發(fā)出 4096個引言隨著電力電子器件開關性能的不斷提高，直流脈寬調制（PWM）技術得到了飛速的發(fā)展。傳統(tǒng)的模擬和數字電路PWM已被大規(guī)模集成電路所取代，這就使得數字調制技術成為可能

13、。目前，在該領域中大部分應用的是數字脈寬調制器與微處理器集為一體的專用控制芯片, 如TI公司生產的TMS320C24X系列芯片。電動機調速系統(tǒng)采用微機實現數字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。采用微機控制后，整個調速系統(tǒng)實現全數字化，結構簡單，可靠性高，操作維護方便，電動機穩(wěn)態(tài)運轉時轉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)生產中高性能電氣傳動的要求。隨著DSP技術現在也發(fā)展迅猛，并在很多方面取得顯著成果。兩者的結合，將大大提高電機控制在高精度控制領域的發(fā)展。用DSP控制電機，用戶就不必在外圍再設置模/數轉換器，硬件結構和控制大為簡化，體積減小，成本也就降低，處理能力和可靠性

14、性能都大大提高。由此可知，基于DSP的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計不論在理論上還是在工程中都是可行的。 電機控制是DSP應用的主要領域，隨著社會的發(fā)展以及對電機控制要求的日益提高，DSP將在電機控制領域中將發(fā)揮越來越重要的作用。5. 系統(tǒng)的工作原理電機的正反轉切換由數字邏輯切換單元來完成。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A/D轉換產生電流反饋信號。采用用DSP讀取與電動機聯軸的增量式光電編碼器檢測電動機的速度變化，由DSP計算后得出轉速值。經QEP1、QEP2腳輸入給DSP

15、，獲得速度反饋信號3。它還可以很容易地實現位置控制。系統(tǒng)利用故障保護引腳產生的信號，及時封鎖4路PWM信號。6. 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的離散化控制6.1采用微處理器后的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)框圖運用了微處理器的系統(tǒng)，在結構上得到了很大的簡化，這樣可以使制作成本降低。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。通過軟件編程，進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現不同于一般線性調節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律，更改起來靈活方便。計控書上的式子電流檢測電路設計由霍爾電流傳感器CS50-P和I/V變換電路組成。用霍爾器件進行檢測電流，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良

16、好的線性關系，因此可以利用霍爾器件測得的輸出信號，直接反應出導線中的電流強度。CS50-P是閉環(huán)電流傳感器。額定電流±3.7A，額定輸出電流50Ma，正好滿足設計要求，故選用該件。輸入給DSP引腳ADCIN00，形成電流環(huán)。寫速度測量部分7. 控制電路和驅動電路設計采用TMS320LF2407控制設計雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1.7所示。由圖中可看出，DSP處理器的集成程度較高，在這里用到了PWM、ADC、SPI和正交編碼脈沖電路，省去了很多外設。PWM直接輸出到H型PWM變換器，得以控制電機的轉速和轉向；通過光電編碼器檢測電機的轉速，測得的數據直接送到DSP處理器的正交編

17、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轉換后得到數字量，由DSP處理器進行處理；可以用帶SPI技術的接口鍵盤和數碼管顯示芯片與DSP處理器的SPI外設接口相接，進而可以通過鍵盤給定速度，也可以進行調速等操作，數碼管用來顯示當前的電機轉速。這樣的設計方案在硬件結構上得到了很大的簡化，而且在軟件編程方面也帶來很大的方便，只須對一處理器內部的一些寄存器進行編程即可，大大縮短了開發(fā)流程。7.1控制電路設計TMS329LF2407A DSP屬于TI公司TMS329C2000系列定點DSP中的C24xx產品系列。TMS320LF2407A DSP有如下特點：（1）

18、 由于采用了高性能的靜態(tài)CMOS制造技術，因此給DSP具有低功耗和高速度的特點。工作電壓3.3V，有4種低功耗工作方式。單指令周期最短為25ns(40MHz),最高運算速度可達40MIPS，四級指令執(zhí)行流水線。低功耗有利于電池的應用場合；而高速度非常使用于電動機的實時控制。（2）由于采用了TMS320C2xx DSP CPU內核，因此保證了與TMS320C24x系列DSP的代碼兼容性。（3）片內繼承了32K字的Flash程序存儲器、2K字的單口RAM、544字的雙口RAM。因而使該芯片可用于產品開發(fā)?？删幊痰拿艽a保護能夠充分的維護擁護的知識產權。（4）提供外擴展64K字程序存儲器、64K字數據

19、存儲器、64字I/O的能力。（5）兩個專用于電動機控制的時間管理器（EV），每一個都包含：2個16位通用定時器；8個16位脈寬調制（PWM）輸出通道；1個能夠快速封鎖輸出的外部引腳PDPINTx(其狀態(tài)可從COMCONx寄存器獲得)；可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能；3個捕捉單元；1個增量式光電位置編碼器接口。（6）可編程看門狗定時器，保證程序運行的安全性。（7）16通道10為A/D轉換器，具有可編程自動排序功能，4個啟動A/D轉換的觸發(fā)源，最快A/D轉換時間為375ns。（8）32位累加器和32位中央算術邏輯單元（CALU）；16位×16位并行乘法器，可實現單指令周期的乘法運算；

20、5個外部中斷。（9）串行接口SPI和SCI模塊。（10）很寬的工作溫度范圍，普通級：-4085；特殊級：-40125。這些性能對于本次設計來說，具有非常重要的意義。TMS320LF2407引腳介紹，此處只介紹與本設計相關的引腳。CAP1/QEP1/IOPA3捕捉輸入#1/正交編碼脈沖輸入#1（EVA）或通用I/OCAP2/QEP2/IOPA4捕捉輸入#2/正交編碼脈沖輸入#2（EVA）或通用I/OCAP3/IOPA5捕捉輸入#3（EVA）或通用I/OADCIN00ADC的模擬輸入#0PWM1/IOPA6比較/PWM輸出引腳#1（EVA）或通用I/OPWM2/IOPA7比較/PWM輸出引腳#2（

21、EVA）或通用I/OPWM3/IOPA0比較/PWM輸出引腳#3（EVA）或通用I/OPWM4/IOPB1比較/PWM輸出引腳#4（EVA）或通用I/OPWM7/IOPE1比較/PWM輸出引腳#7（EVA）或通用I/OPDPINTA功率驅動保護中斷輸入引腳TMS329LF2407A DSP的結構才用了改進的哈佛結構，該結構支持分離的程序和數據總線。這樣的結構使取指令、執(zhí)行指令、數據傳送和外設控制可以并行進行，因此可以極大的提高工作速度。2407A DSP 可以分成三部分：DSP內核、存儲器和外圍設備。其功能結構圖如圖DSP內核是DSP的核心，它擔負著數據運算、信號處理的任務。它包括了累器、狀態(tài)

22、寄存器S0和S1、中央算術邏輯單元CALU、輔助寄存器、乘法器、移位器臨時寄存器T和乘積寄存器P。存儲器包括了32K字的Flash程序存儲器、2K字的單口RAM和544字的雙口RAM（DAAM）。外圍設備指的是DSP芯片中集成的除內核以外的功能模塊，習慣上稱之為外設。它包括了事件管理器、ADC轉換器、SPI和SCI串行接口、 CAN接口等。 其中，在這里特別說明一下事件管理器，TMS320LF2407A中的事件管理器（EV）是專門為電動機控制而設計的專用模塊。下面具體介紹事件管理器的結構功能：TMS320LF2407A DSP有兩個相互獨立的事件管理器EVA和EVB，結構功能完全相同，每個都有

23、 16位通用定時器、8個16位的PWM 圖4.10TMS320LF2407A 模塊結構通道，三個比較單元，三個捕獲單元，兩路正交編碼脈沖電路QEP及計數方向和外部時鐘輸入，16通道的10位的最小轉換時間375ns的A/D轉換器。由于事件管理器EVA和EVB，結構功能一樣，下面就只介紹一下管理器模塊A（EVA）的結構功能。事件管理器A有Timer1和Timer2兩個通用定時器，它們有如下功能：（1）作為常規(guī)的定時/計數器使用；（2）用于在TxPWM引腳上輸出頻率和脈寬可調的PWM波；（3）與捕捉模塊結合測量CAPx引腳上的脈寬；（4）定時器1與比較模塊配合產生死區(qū)可調的6個PWM控制信號；（5）

24、定時器2可服務于增量式光電編碼器接口，測量電動機的轉向、角位移和轉速；（6）啟動A/D轉速。每個通用定時器包括：一個可讀寫的16位定時器增/減計數器TxCNT；一個可讀寫的16位定時器比較寄存器TxCMPR；一個可讀寫的16位定時器周期寄存器TxPR；一個可讀寫16位的定時器控制寄存器TxCR；可選擇的內部或外部時鐘；4可屏蔽中斷下溢、上溢、定時器比較和周期中斷。每個通用定時器有四種可選擇的操作模式：停止/保持模式；連續(xù)遞增記數模式；定向增減記數模式；連續(xù)增減記數模式。利用這些操作模式可以產生周期可變和固定的各種鋸齒波及三角波。定時器比較寄存器和這些波形進行比較就可以產生各種PWM輸出，稱之為

25、波形發(fā)生器。通過配置GPTCONA/B寄存器中的相應位來規(guī)定高有效、低有效、強制高、強制低，這樣就可以控制波形發(fā)生器的輸出，以生成不同類型功率設備所需的PWM波形，每個通用定時器都提供一個獨立的PWM輸出通道。事件管理器A有3個比較單元，1個比較單元、1個比較控制寄存器COMCONx和一個比較方式控制寄存器ACTRx。每個比較單元都有一個比較寄存器CMPRx，以及2個PWM輸出引腳。這一套組合可以使事件管理器產生6個帶死區(qū)的PWM輸出，用于控制三相逆變橋。比較單元的操作功能與定時器比較積存器的操作功能相似。當定時器的計數值與比較單元的比較寄存器相等時，就會在該比較單元的兩個PWM引腳上產生跳變

26、（兩個引腳的跳變與比較方式寄存器ACTRx的設置有關），并經過1個CPU時鐘后發(fā)出比較中斷申請。比較單元受比較控制寄存器和比較方式寄存器控制，通過這些寄存器可以設置比較輸出是否允許、比較值和方式寄存器的重載條件、PWM引腳輸出方式等。增量式光電編碼器是電動機控制中的常用傳感器，用于測量電動機輸出的角位移和轉速等信息，作為閉環(huán)控制的反饋量。TMS320LF2407A DSP提供了與這種編碼器的接口電路。在事件管理器A中，它的編碼器接口電路使用了定時器2作為可逆計數器，來計數編碼脈沖的個數。編碼脈沖通過2個引腳QEP1/CAP1和QEP2/CAP2輸入到芯片內部。這兩個引腳是與捕捉單元1、2復用的

27、引腳，因此在使用編碼器接口電路時，要禁止捕捉功能。編碼器接口電路利用輸入編碼脈沖的4個邊沿加工成4倍頻的計數脈沖信號和計數方向信號。4倍頻的計數脈沖信號有利于提高電動機角位置和角位移信號的分辨率。計數方向信號自動地控制定時器2的計數方向，而計數方向引腳TDIRA這時不起作用。在事件管理器A模塊中，對增量式編碼器脈沖電路寄存器的設置如下：將所需的值裝載到定時器2的計數器、周期和比較寄存器中；設置T2CON為定向增/減計數方式，編碼脈沖電路作為時鐘源，并允許定時器2。7.2驅動電源設計7.3 供電電路設計7.4復位電路設計書上7.5晶振電路設計書上7. 驅動電路設計 IR2136a手機上的圖8. 鍵盤和顯示9.777部分 手機照片10. 軟件設計調速系統(tǒng)的軟件設計由三部分組成：主程序、初始化程序和中斷服務子程序。下面將介紹各部分程序的流程圖。（1）主程序主程序完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現鍵盤處理、刷新處理與上位計算機和其他外設通信等功能。其流程圖如圖4.1所示。圖6.1主程序框圖 圖6.2初始化子程序框圖（2）初始化子程序初始化程序主要完成硬件器件工作方式的設定、系統(tǒng)運行參數和變量的初始化等。其流程圖如圖4.2所示。（3