DSP應(yīng)用技術(shù)論文

1、 京江學(xué)院JINGJIANG COLLEGE OF J I A N G S U U N I V E R S I T Y 2016-2017 學(xué)年 第 1 學(xué)期 DSP應(yīng)用技術(shù)論文題目： 基于DSP的電機(jī)控制方法研究 專業(yè)班級： J電氣1303 學(xué)生姓名： 男神 學(xué)生學(xué)號： 41311270 完成日期：2016年11月2日 電氣信息工程學(xué)院目 錄摘 要1概述1直流電動機(jī)的拉制原理2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5矢量控制的基本原理6矢量控制在三相永磁同步伺服電機(jī)中的應(yīng)用6硬件部分7軟件部分7試驗(yàn)結(jié)果9試驗(yàn)結(jié)論9參考文獻(xiàn)9平時作業(yè)10摘 要介紹DSP的發(fā)展和在對電機(jī)控制方面的優(yōu)勢和電動機(jī)在控制領(lǐng)域的應(yīng)

2、用。著重說明了如何利用DSP來實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī),交流異步電機(jī)等的控制。因DSP具有靈活的指令集;內(nèi)在的操作靈活性;高速的運(yùn)算能力;改進(jìn)的并行結(jié)構(gòu);有效的成本,使得TMS320系列成為很多處理應(yīng)用的理想選擇"通過簡單的介紹其控制電路的功能來詳細(xì)說明了電動機(jī)專用DSP的應(yīng)用。通過對電動機(jī)專用DSP的應(yīng)用的分析來引出直流電動機(jī)的DSP控制,在此章中詳細(xì)的描述了直流電動機(jī)的控制原理和直流電動機(jī)的DSP控制方法,包括硬件和軟件上的配置等。描述了交流異步電動機(jī)的DSP控制。首先介紹了交流異步感應(yīng)電動機(jī)變頻調(diào)速原理,通過其原理引出SPWM的控制技術(shù)，然后用DSP系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)SPWM波的生成,從而起到利

3、用DSP來控制交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。然后描述了永磁同步伺服電機(jī)控制。通過介紹矢量控制的基本原理來研究基于DSP的永磁同步伺服電機(jī)的控制包括硬件和軟件部分。 關(guān)鍵詞:電動機(jī)；控制原理；DSP控制概述電動機(jī)作為最主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域和人們的日常生活。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務(wù)和辦公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費(fèi)電子產(chǎn)品（如電冰箱，空調(diào)，DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動機(jī)。據(jù)資料顯示，在所有動力資源中，百分之九十以上來自電動機(jī)。同樣，我國生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于電動機(jī)的。電動機(jī)與人的生活息息相關(guān)，密不可

4、分。電氣時代，電動機(jī)的調(diào)速控制一般采用模擬法，對電動機(jī)的簡單控制應(yīng)用比較多。簡單控制是指對電動機(jī)進(jìn)行啟動，制動，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過繼電器，可編程控制器和開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。還有一類控制叫復(fù)雜控制，是指對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩，電壓，電流，功率等物理量進(jìn)行控制。 直流電動機(jī)是最早出現(xiàn)的電動機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動機(jī)。長期以來，直流電機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制和位置控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、高質(zhì)高效平滑運(yùn)轉(zhuǎn)的特性，盡管近年來不斷受到其他電動機(jī)的挑戰(zhàn)，但到目前為止，就其性能來說仍然無其他電動機(jī)能比。 在直流調(diào)速控制系統(tǒng)中，可以采用各種控制器

5、，DSP是其中的一種選擇。由于DSP具有高速運(yùn)算性能，因此可以實(shí)現(xiàn)諸如模糊控制等復(fù)雜的控制算法。另外它可以產(chǎn)生有死區(qū)的PWM輸出，所以可以使外圍硬件最少?；贒SP的電機(jī)控制方法研究 直流電動機(jī)的拉制原理根據(jù)他勵直流電動機(jī)的等效電路,可以得出直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。電壓平衡方程如下:（1）,其中感應(yīng)電動勢為:（2）中從以上兩式可得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速的表達(dá)式：（3）直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:（4） 轉(zhuǎn)矩平衡方程式:（5）由上式可得,直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類:對勵磁磁通中進(jìn)行控制的勵磁控制法是在電動機(jī)的電樞電壓保持不變時,通過調(diào)整勵磁電流來改變勵磁瓷通,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。這種調(diào)速法的調(diào)速范圍小,在低

6、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(qiáng)度的限制,并且勵磁線圈電感較大,動態(tài)響應(yīng)較差,所以這種控制方式用的很少。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(shí)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不變,可以得到具體的恒轉(zhuǎn)矩特性的大的調(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。勵磁控制法和對電樞電壓Ua進(jìn)行控制的電樞電壓控制法。勵磁控制法是在電動機(jī)的電樞電壓保持不變時,通過調(diào)整勵磁電流來改變勵磁瓷通,從而實(shí)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(qiáng)度的限制,并且勵磁線圈電感較大,動態(tài)響應(yīng)較

7、差,所以這種控制方式用的很少。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(shí)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不變,可以得到具體的恒轉(zhuǎn)矩特性的大的調(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。圖1他勵直流電動機(jī)的等效電路對電動機(jī)的驅(qū)動離不開半導(dǎo)體功率器件。在對直流電動機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動中,對半導(dǎo)體器件的使用上可分為兩種方式: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(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)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(yán)重

8、,因此這種方式只用于數(shù)瓦以下的微小功率直流電動機(jī)的驅(qū)動。絕大多數(shù)直流電動機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)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(jī)電樞電壓,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖中是利用開關(guān)管對直流電動機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。圖2PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形在PWM調(diào)速時,占空比Q是一個重要參數(shù)"以下三種方法都可以改變占空比的值:定寬調(diào)頻法:這種方法是保持t1不變,只改變t2,這樣使周期T也隨之改變。調(diào)寬調(diào)頻法:這種方法是保持論不變,只改變tl,這樣使周期T也隨之改變。定頻調(diào)寬法:這種方法是保持周期T不變,而同時改變t1和t2。前兩

9、種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期,當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時,將會引起震蕩,因此這兩種方法用的很少。目前在直流電機(jī)的控制中主要是使用定頻率調(diào)寬法。TMS320LF2407A電動機(jī)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春存器來設(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)生電路和時間延時電路。電動機(jī)專用DSP的高速運(yùn)算功能可以實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)的實(shí)時控制,通過軟件實(shí)現(xiàn)名副其實(shí)的全數(shù)字控制。從

10、而省去了外圍的PID調(diào)節(jié)電路和比較電路。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制部分控制部分的核心器件是TMS32OF2812,制作時使用了一塊工CETEK一2812一B板(帶2812的DSP開發(fā)板),除帶DSP外,還有一顆電源管理芯片,將外接別轉(zhuǎn)為3.3V為系統(tǒng)供電。2812從電機(jī)處采集轉(zhuǎn)速、電流反饋信號和位置反饋信號,DSP綜合這三個信號輸出對外的控制信號。從驅(qū)動部分反饋的過流信號是一個0、1信號,DSP在工作時始終監(jiān)視這一信號,一但監(jiān)視到1,即表示電機(jī)過載,則立即給出一個讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動的信號,以免損壞電機(jī)和調(diào)速器。DSP輸出的轉(zhuǎn)速控制信號是一個數(shù)字量,用D/A將此數(shù)字,量轉(zhuǎn)換成電壓量給MC33035用以調(diào)速。系

11、統(tǒng)中選用了12位的串行D/A(TLV5616),后加一級放大(LM358),使輸出電壓可根據(jù)不同電機(jī)的要求進(jìn)行放大。MS320F2812與PC間的通信是通過485總線完成的。在工業(yè)控制中,485總線應(yīng)用非常普遍,傳輸距離遠(yuǎn)而且性能穩(wěn)定,所以本系統(tǒng)選擇485總線進(jìn)行傳輸。驅(qū)動部分驅(qū)動部分的控制核心是MC33035,驅(qū)動器是IRZ183和IRGP50B6OPDI。MC33035作為驅(qū)動部分的控制核心,根據(jù)電機(jī)霍爾反饋的位置信號,分辨出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置,以控制工GBT的開關(guān)。雖然IGBT具有優(yōu)越的通態(tài)特性,但要將IGBT瞬間完全關(guān)斷仍不容易。調(diào)試時發(fā)現(xiàn),GBT關(guān)斷時的一點(diǎn)點(diǎn)毛刺,就會導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱甚至燒

12、壞"這就要求在電路設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)的措施,如在IR2183輸出端與工GBT連接的地方串接一電阻等"在PCB布板走線時更要嚴(yán)格注意,布局要對稱。電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是MC33035的n腳(誤差信號放大器同向輸入端)接受控制部分給出的控制電壓,根據(jù)此電壓的不同,內(nèi)部產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號,控制3個下側(cè)驅(qū)動輸出,通過改變輸出脈沖寬度來改變工GBT導(dǎo)通時間的長短,從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。顯示部分顯示部分的主控元件是AT89C51,顯示部分與驅(qū)動部分之間通過AT89C51和2812的串行口(即用通信方式)傳遞指令。同時顯示部分所需的5v電源由控制部分提供。這里轉(zhuǎn)速的采集是用AT89C51的計(jì)

13、數(shù)端去采集霍爾輸出的脈沖信號,將此信號換算成頻率后送七段數(shù)碼管顯示,在此AT89C51擔(dān)當(dāng)了一個頻率計(jì)的功能。系統(tǒng)讓用戶通過鍵盤輸入轉(zhuǎn)速,而不是通過電位器調(diào)節(jié)。因?yàn)殡娢黄鬏敵龅氖且粋€模擬量,通過2812內(nèi)部集成的A心來采集這個電壓量時并不穩(wěn)定,會略微地漂移,這種略微的漂移會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速較大的波動。為了避免這種波動,本系統(tǒng)使用了全數(shù)量的鍵盤,AT89csl從鍵盤讀入數(shù)字量,然后將此量通過通信口傳給2812,以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字無級調(diào)速控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想是通過不斷采集電機(jī)轉(zhuǎn)速,與給出的速度指令相比較后,利用PID算法,同時綜合濾波算法,不斷修正速度誤差,直到采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)給定的轉(zhuǎn)速相同

14、,程序就認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)入鎖了。系統(tǒng)控制時始終監(jiān)視電機(jī)電流和位置反饋,一旦出現(xiàn)異常,就啟動相應(yīng)的報警機(jī)制,并讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動程序軟件框圖如圖3所示：圖3程序軟件框圖矢量控制的基本原理在目前的電力傳動系統(tǒng)中,直流傳動系統(tǒng)具有很高的動態(tài)性能這主要是直流電動機(jī)的勵磁回路和電樞回路是相互獨(dú)立的,主磁場和電樞磁場在空間上相差,能獨(dú)立地調(diào)節(jié)兩個磁場中的一個來進(jìn)行調(diào)速,而交流電動機(jī)的勵磁電流和負(fù)載電流都在定子電路內(nèi),無法將它們分開,主磁場和轉(zhuǎn)子電流磁場間的夾角與功率因素有關(guān),無法通過調(diào)節(jié)一個磁場來調(diào)速。交流異步電動機(jī)的三相靜止繞組U、V、W通以交流三相電流iu,iv,iw,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢F。然而產(chǎn)生同樣的磁勢F并不

15、一定非要三相,用兩個相互垂直的靜止繞組。B通以兩相對稱交流電流101!i倪,同樣可以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁勢F。同樣,如果選擇相互垂直且以角頻率旋轉(zhuǎn)的d、q兩相旋轉(zhuǎn)繞組,在其中通以直流idl、iql,也可以產(chǎn)生根同的旋轉(zhuǎn)磁勢F"電流iu,iv,iw,101存在著確定的對應(yīng)關(guān)系。從而實(shí)現(xiàn)三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,即U、V、W坐標(biāo)系到",乃坐標(biāo)系變換(C1arke變換)。電流101、i與idl、iql之間也存在著確定的變換關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)。乃兩相靜止坐標(biāo)系到d!q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,即Park變換其示意圖如圖l所示。站到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上觀察,d和q繞組是通以直流的靜止

16、繞組,如果控制交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子總磁鏈WZ的方向和d軸方向一致,則旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的d軸繞組相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁繞組,q軸繞組相當(dāng)于直流電動機(jī)的電樞繞組,從而使交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁場控制完全能夠模擬直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁場控制,實(shí)現(xiàn)真正意義上的解禍控制,這就是目前通用的矢量控制技術(shù)。矢量控制在三相永磁同步伺服電機(jī)中的應(yīng)用系統(tǒng)組成圖4PMSM伺服系統(tǒng)如圖4所示系統(tǒng)PMSM伺服系統(tǒng)主要由四部分組成:PMSM電動機(jī)!功率變換器、位置檢測器和控制電路"其中功率變換電路是用工RZ132和IPM模塊組成,位置檢測單元是由高精度編碼器實(shí)現(xiàn),其分辨率為光碼盤辨率為2048p/r"控制電路是

17、整個系統(tǒng)的核心,由TMS320F2812實(shí)現(xiàn),包括速度控制器!電流控制器!換相控制電路!PWM電路以及速度檢測電路等單元。為了提高操作的實(shí)用性!易用性,系統(tǒng)還配置了鍵盤和液晶顯示器,還可以通過RS232口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。硬件部分硬件部分用DSP加IPM智能功率模塊(IGBTCPV363M4K)來實(shí)現(xiàn),其中DSP部分采用了德州儀器公司(Tl)最新推出的TMS32OF2812"TMS320F2812DSP實(shí)現(xiàn)了高性能數(shù)字信號處理器(DSP)與高精度模擬及閃存的完美結(jié)合。它的主要性能有:a.15OM工PS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短為6.67ns,從而提高了控制器的實(shí)時控制能力。b.高性能

18、的32位CPU,單周期32x32MAC操作,這種單周期性操作是微處理器本質(zhì)的變革。e.基于C/C+高效32位TMS320C28xDSP核心,與TMS320F24x/LF24Ox程序代碼通用,并支持DSP/BIOS實(shí)時操作。d.片內(nèi)存儲器空間為36kxsbit,內(nèi)含128kFLASH可用于在開發(fā)及對現(xiàn)場軟件進(jìn)行升級時的簡單再編程，有125bit加密位。e.結(jié)合了32位數(shù)字處理能力,由獨(dú)特的-IQ一math.程序庫支持,該函數(shù)庫可顯著簡化多應(yīng)用開發(fā),這種結(jié)合使設(shè)計(jì)人員在幾秒鐘內(nèi)就可將浮點(diǎn)算法通過端E1與定點(diǎn)處理器相連)比在傳統(tǒng)16位設(shè)備中的數(shù)學(xué)算法轉(zhuǎn)換速度快得多。f.12位ADc,16通道,最快轉(zhuǎn)

19、換速度:80ns,并且其雙采樣裝置可在緊密的控制環(huán)路中提供關(guān)鍵的支持。g.包括兩個EV模塊,每個EV模塊包括通用定時器,全比較單元,CAP和GEQ電路"這兩個EV模塊可以驅(qū)動2個三相電機(jī)或者4個兩相電機(jī)。軟件部分本系統(tǒng)的軟件在結(jié)構(gòu)上可分為主程序和伺服控制程序,其中伺服控制程序由4個部分組成:PWM定時中斷程序光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序、功率驅(qū)動保護(hù)中斷程序和通訊中斷程序。主程序流程圖如圖5所示.圖5主程序流程圖主程序只完成系統(tǒng)硬件和軟件的初始化任務(wù),然后處于等待狀態(tài).完整的磁場定向?qū)崟r矢量控制算法用PWM定時中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。PWM定時中斷程序的流程圖如圖6所示。圖6PWM 定時中斷流程圖通訊中斷程序主要用來接收并刷新控制參數(shù),同時設(shè)置運(yùn)行模式;光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序可實(shí)現(xiàn)對編碼器反饋零脈沖精確地捕獲,從而得到交流永磁同步電機(jī)矢量變換定向角度的修正值;功率驅(qū)動保護(hù)中斷程序則用于檢測智能功率模塊的故障輸出,當(dāng)出現(xiàn)故障時,DSP的PwM通道將被封鎖,從而使輸出變成高阻態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果使用示波器觀察到的A、B兩相穩(wěn)態(tài)電流波形，圖片的上半部分為A相電流波形，下面為B相電流波形，其橫坐標(biāo)為時間軸，縱坐標(biāo)為電流，其每一格的大小分別