畢業(yè)設計（論文）-直流脈寬調速系統(tǒng)設計

1、作品名稱： 直流脈寬調速系統(tǒng)設計 計 所屬學院： 電氣工程學院 電 摘要本文針對直流電動機調速系統(tǒng)的要求，設計了一款基于DSP的直流脈寬調速系統(tǒng)。詳細推導了直流電機的數學模型。對系統(tǒng)內各環(huán)節(jié)進行了數學模型的建立，闡述了數字式控制系統(tǒng)整體方案，解決了PWM發(fā)生、電機電流檢測、轉速檢測、功率隔離等關鍵技術問題。并推導了帶死區(qū)和積分飽和修正的PID控制算法。本文基于仿真軟件PSIM對系統(tǒng)進行了仿真，驗證了系統(tǒng)設計的可行性和參數設計的合理性。最終確定了最優(yōu)的仿真參數，對硬件設計提供參考。構建了基于TMS320F2812的直流電機調速系統(tǒng)的硬件平臺。設計完成了TMS320F2812最小系統(tǒng)硬件電路、功率

2、MOSFETH橋驅動電路、光耦隔離電路、霍爾電流采集處理電路、交流電機測速電路、溫度監(jiān)測電路、故障保護電路。對各部分電路進行了詳盡的闡述。在CCS3.3環(huán)境下進行了系統(tǒng)程序設計。編寫了包括PWM發(fā)生、信號AD轉換、改進的PID控制算法、按鍵控制、LCD液晶顯示等完整程序。最后，以54V，125W直流電動機進行了實驗，用示波器觀察了系統(tǒng)中的關鍵波形。對系統(tǒng)設計的正確性、可靠性等進行了驗證。對基于工程設計法完成的PID參數進行了改進。關鍵詞直流電動機;PWM調速;DSP;數字控制;PSIM目 錄摘要X第1章 緒論11.1 課題背景11.2 研究現狀31.3 轉速、電流雙閉環(huán)控制全數字化41.4 本

3、課題研究內容4第2章 直流脈寬調速原理62.1 直流電動機調速原理62.2 直流電動機單極性驅動可逆PWM系統(tǒng)92.3 直流電動機雙極性驅動可逆PWM系統(tǒng)122.4 本章小結14第3章 系統(tǒng)硬件設計153.1 系統(tǒng)硬件電路構成153.2 DSP芯片外圍電路設計163.3 功率板電路設計183.3.1 功率板控制部分電路設計18213.3.3 故障保護電路設計243.3.4 功率電路設計263.4 硬件可靠性設計283.5 PCB實物展示303.6 本章小結31第4章 控制策略324.1 PID控制器簡介324.1.1 PID控制算法特點324.1.2 PID控制器結構和原理334.2 雙閉環(huán)控

4、制器簡介344.3 PID控制算法的數字化354.3.1 PID控制算法數字化354.3.2 數字式PID控制算法的實現過程364.3.3 數字PID參數整定374.4 本章小結40第5章 控制系統(tǒng)軟件設計415.1 軟件設計思想415.2 控制系統(tǒng)主程序設計435.3 各功能模塊程序設計445.3.1 系統(tǒng)初始化程序模塊455.3.2 PWM驅動模塊455.3.3 ADC模塊465.3.4 ADC校準及模擬采樣信號的數字濾波465.3.5 PID算法模塊485.5 本章小結51第6章 仿真及實驗結果526.1 系統(tǒng)實際參數526.2 基于PSIM環(huán)境下的系統(tǒng)仿真536.2.1 PSIM環(huán)境下

5、的原理圖536.2.2 PSIM環(huán)境下的仿真結果分析536.4 控制系統(tǒng)實驗結果及分析576.4.1 實驗系統(tǒng)簡介576.4.2 實驗結果記錄及分析586.5 本章小結59結論60參考文獻61第1章 緒論1.1 課題背景電動機是一種將電能轉換為機械能的電磁機械裝置，主要用來驅動各種功能用途的生產裝置和機械，以滿足各種場合的驅動要求。電動機作為一種動力設備，廣泛應用于各種機械場合，如冶金行業(yè)的轉爐、軋鋼機和高爐等，交通運輸業(yè)的電動自行車、電動汽車和電動機車等；采礦業(yè)中的鼓風設備、起吊設備、采掘設備等；農業(yè)中的灌溉、農產品加工等；以及家用中洗衣機、空調和冰箱。可以說電動機涉及人們生產生活的各行各業(yè)

6、。根據供電電源的不同，電動機可以分為直流電動機和交流電動機。交流電動機又可分為交流感應電動機和交流異步電動機。縱觀電動機的發(fā)展史，可以大致分為三個時期：（1）直流電動機的產生時期；（2）交流電動機產生時期；（3）電機設計制造工藝和理論研究基本完善的時期。 直流電動機問世早，電動機發(fā)展的初期主要是直流電動機的發(fā)展時期。在19世紀中葉后，由于在生產（如：電鍍、電報、電動機電源、電解等）上的需要，直流電動機得到了充分的改進和發(fā)展。到1870年，鼓形電樞繞組提出，并一直沿用至今，這是直流電動機的又一次較大的發(fā)展。但是到1882年，人們認識到直流遠距離輸電的弱點，及隨著裝機容量的不斷增大，直流電動機換向

7、也越來越困難。人們逐漸向交流電動機發(fā)展。一直到20世紀上半葉，由于直流電動機有優(yōu)異調速性能，使其占據了高性能調速場合應用，而交流電動機由于調速性能差，導致約占電力拖動容量70%多的交流電動機用于不變速系統(tǒng)中。雖然交流電動機調速方案已經問世很早，但其性能卻無法與直流電動機匹敵。直到20世紀6070年代。隨著新型電力電子器件的出現，使得采用電力電子變換器的交流調速系統(tǒng)產生，打破了直流電動機在調速系統(tǒng)中的壟斷格局。目前，相比于直流電動機存在的限制，交流電動機調速系統(tǒng)得到了很大發(fā)展，如20世紀70年代發(fā)明的矢量控制法（磁場定向技術），可以通過坐標變換，把交流電動機的定子電流分解成為勵磁分量和轉矩分量并

8、分別用來控制電動機的磁通和轉矩。通過坐標變換技術，可以使交流電動機獲得和直流電動機相似的動靜態(tài)特性。此后，又相繼提出了解耦控制法、直接轉矩控制法等，形成了可以和直流電動機相媲美的交流調速系統(tǒng)。在特大容量和極高轉速方面，由于直流電動機自身的限制，使得其容量與轉速積很難超越1兆千瓦，否則制造將極其困難。而交流電動機由于不需要換向裝置，因此也不受這種限制。在特大容量如特大電力拖動設備，極高轉速設備等交流電動機已經普遍采用。目前為止，交流調速系統(tǒng)已經廣泛應用于以下三個領域：1.高性能的交流伺服和調速系統(tǒng)；2特大容量的極高轉速的調速系統(tǒng)。3.一般性能的調速系統(tǒng)。大有取代直流電動機之勢。然而，由于直流電動

9、機實現調速早于交流電動機，控制經驗相當豐富。而且調速性能線性度好、平滑運轉特性高質高效、控制簡單等特性依然使直流電動機在許多場合占據一定位置。如在一下場合，直流電動機仍發(fā)揮著重要作用。1. 一些大型工業(yè)機械場合，如軋鋼設備2. 對調速性能要求十分高的場合，如機器人關節(jié)，航模設備的轉向舵機 ，電腦硬盤等高精度場合。3. 多數電池供電的為功率場合，如玩具，航模馬達等。這些場合還有很大的市場占有量，尤其是在對調速性能極其高的場合，因此，對直流電動機調速系統(tǒng)的研究還很有意義。 從控制角度看，直流電動機的控制經歷了一下幾個階段： 模擬控制技術時期：19世紀中葉先后誕生的直流電機和交流電機，最初只是為人們

10、提供一種穩(wěn)定的動力，所以那時的電動機控制只是解決它的啟動和停止，大部分的控制用簡單的觸點開關電器就能解決。數?；旌峡刂萍夹g時期：20世紀70年代，微處理器技術剛開始不久。這種處理器構成的電機控制系統(tǒng)需要輔以大量的外圍數字邏輯電路芯片和模擬電路芯片，不但結構復雜，體積大，抗干擾性能也差。全數字控制技術時期：近年來，直流電動機的機構和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著DSP嵌入式片上系統(tǒng)SOC的出現，使得系統(tǒng)完成電機控制的運算速度越來越快，處理各種復雜運算不再困難，系統(tǒng)的整體控制性能也越來越好。目前，數字化控制成為了電機控制技術發(fā)展的主流，而DSP現在已成為這項技術的核心。其中采用全控型開關功率器件

11、進行脈寬調制（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）控制方式已經成為絕對主流。這種控制方式已作為直流電動機數字控制的基礎。1.2 研究現狀 傳統(tǒng)的直流驅動系統(tǒng)是由兩組反并聯相控式整流電路實現的。該方案由于深調下功率因數很低、系統(tǒng)慣性大等弱點,無法滿足諸如伺服系統(tǒng)一類要求快速響應的應用場合。基于大量模擬或數字構建硬件平臺，元器件數量多，體積大，易出故障，維護麻煩。且參數調試麻煩，人機交互性差。更重要的是，在電機啟制動的快速性，和效率方面還有欠缺。近年來，隨著數字技術的發(fā)展尤其是單片機技術的發(fā)展，調速系統(tǒng)的設計已經發(fā)生了很多改變。隨著工業(yè)控制和電機控制系統(tǒng)對智能化的要求不斷提高

12、，過去一些無法實現的高級算法，如電動機系統(tǒng)非線性控制技術、系統(tǒng)最優(yōu)控制、矢量控制等正逐漸變成產品問世。其中德州儀器公司推出的C2000系列DSP的強大的運算能力剛好滿足了這一要求，更是在電力電子、電力傳動領域表現出了優(yōu)異的性能。其一，DSP具有高速的運算能力，為各種復雜高級的算法諸如模糊控制等等提供了可能。另外DSPC2000系列為電機控制提供了專用的外設，如帶死區(qū)的互補PWM輸出，編碼電路，驅動保護等，使用戶在得到強大運算能力的同時也得到了豐富的片上資源，甚至堪比傳統(tǒng)的微處理器。在開關器件方面，隨著新型功率開關器件的不斷出現，高速功率MOSFET、大容量IGBT、智能型功率模塊IPM等全控型

13、開關器件已成為控制領域的主流器件。在控制方式上，采用全控型器件進行脈寬調制，簡稱PWM技術已成為普遍采用取代傳統(tǒng)相控整流的控制方式。1.3 轉速、電流雙閉環(huán)控制全數字化 目前，國內部分直流電機調速還采用模擬控制技術，部分也正在向全數字化發(fā)展。國外已經推出了數字化的電機控制系列產品，我國在這方面相對落后，需要研究的任務相對較多。數字化直流電機驅動系統(tǒng)較模擬系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點：1、采用用高精度高運算能力的數字處理芯片，提高了系統(tǒng)的精度，動態(tài)響應速度，靜態(tài)的穩(wěn)定性等。2、采用高性能的數字芯片，可以實現復雜算法，如模糊算法等。3、算法通過程序實現，易于調試、修改，便于日后升級。4、采用高集成度數字芯片

14、，大大減小了分立元件數量，減小了系統(tǒng)的體積，見小了故障發(fā)生率。5、增強了操作的舒適性，便于監(jiān)控，人機交互能力增強，界面友好。1.4 本課題研究內容 本課題在對直流脈寬調速系統(tǒng)建立數學模型并完成基于仿真軟件PSIM仿真的基礎上，提出并實現了基于DSP的全數字化直流脈寬調速系統(tǒng)設計方案。系統(tǒng)采用了TI公司的TMS320F2812（以下簡稱DSP2812）作為核心控制器。作為一款高性能的數字處理芯片，DSP2812為電機驅動控制配備了完善的外設。正是基于此，本文提出并實現了基于DSP的全數字直流脈寬調速系統(tǒng)。課題研究旨在以下方面有所創(chuàng)新：1. 實現直流脈寬調速的全數字化。2. 實現電流和轉速的雙閉環(huán)

15、設計。3. 提高操作的舒適度。4. 提高速速控制的穩(wěn)定性和調速精度。5. 發(fā)揮數字系統(tǒng)控制優(yōu)勢，減少分立元件數量，減小系統(tǒng)體積。 第2章 直流脈寬調速原理本章主要介紹直流電動機的工作原理基本結構及直流電動機調速原理。 2.1 直流電動機調速原理 直流電動機主要由固定部分（定子）和旋轉部分（轉子）構成。在定子上裝有直流勵磁的磁極N和S，在轉子上裝有電樞。在轉子和定子間有一定空隙，稱為氣隙。電樞鐵心上裝有電樞線圈，線圈的首段末端分別裝有換向片，由換向片整體構成換向器，換向器固定在轉軸上。換向器上放置著電刷，電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。他勵直流電動機的等效電路如2-1：根據圖2

16、-1，可以得到直流電動機的數學模型： （2-1）式中 電樞電壓； 電樞電流； 電樞電路總電阻； 感應電動勢； 電樞電路總電感；其中感應電動勢為： （2-2）式中 感應電動勢計算常數； 每極磁通； 電動機轉速。將式（2-2）帶入式（2-1）可得： （2-3）直流電動機的電磁轉矩為： （2-4）轉矩平衡方程為： （2-5）式中 折算到電動機軸上的轉動慣量； 電動機的電磁轉矩； 負載轉矩； 電動機角速度； 電動機轉矩常數。由式（2-3）可得，直流電動機的轉速控制方法可以分成兩類：勵磁控制法：即對勵磁磁通進行控制；電樞電壓控制法：即對電樞電壓進行控制；勵磁控制法是在電動機電樞電壓保持不變時，通過改變勵

17、磁電流來改變勵磁磁通，從而實現調速。此方法存在以下缺點：（1）調速范圍?。涸诘退贂r受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結構強度的限制。（2）勵磁線圈電感大：動態(tài)響應差。由于上訴缺點，這種調速方法用的較少。電樞電壓控制法是在勵磁磁通保持不變的情況下，通過調整電樞電壓來實現調速的。在調速時，可以保持電樞電流不變，從而保持輸出轉矩不變，從而可以得到具有恒轉矩特性的大的調速范圍，因此大多數場合下都采用電樞電壓控制法。采用電子開關器件，通過脈沖寬度調制（即PWM）來控制電機電樞電壓，從而實現調速。圖 2-2 PWM調速的原理 圖2-3相應電壓波形 （2-6） （2-7）式中 占空比占空比指在一個

18、開關周期內開關管開通時間同開關周期的比值。01。由式（2-7）知，電樞電壓在不變的情況下僅取決于占空比。通過改變占空比的值，便可改變電機電樞兩端電壓，從而達到控制電機轉速。占空比可以通過以下三種方法改變：定寬調頻：即保持不變，改變，同時也將被改變。定頻調寬：即保持不變，改變，同時也將被改變。調寬調頻：即同時調節(jié)和。定寬調頻法和調寬調頻法在調節(jié)占空比的同時也改變了控制脈沖的頻率，當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，就會引起震蕩，因此電機調速主要采用定頻調寬法。直流電動機在多數場合要求能夠正反轉，這時需要使用可逆PWM調速系統(tǒng)?？赡鍼WM系統(tǒng)按照控制方式分為單極性驅動和雙極性驅動。以下將介紹單

19、極性驅動和雙極性驅動可逆PWM系統(tǒng)。2.2 直流電動機單極性驅動可逆PWM系統(tǒng) 單極性驅動是指在一個PWM周期內，電動機電樞兩端電壓呈單一性變化（或者正向，或者負向）。常見單極性驅動電路有2種，一種為“T”型，它由兩個開關管組成，采用正負電源驅動，相當于兩個不可逆系統(tǒng)的組合，其電路像橫放的“T”，成為T型。由于T型單極性驅動電路電流不能反向，并且正反轉切換需要等到電樞電流為0，動態(tài)性能較差，采用較少。相對于T型電路，H型雙極性驅動電路是一種經常被采用的電路，因電路形式像“H”而得名。下面對H型電路重點介紹。H型可逆單極性PWM驅動電路如圖2-4所示。該電路由4個二極管和4圖2-4 H型單極性可

20、逆PWM驅動電路個開關管組成。由于本系統(tǒng)采用的是功率MOS管，其體內寄生有二極管，故不需要另加二極管。系統(tǒng)由單個直流電源供電。當需要正轉時（規(guī)定電流由左到右是電機正轉），開關管和交替開通關斷，開關管一直關斷，開關管一直開通，驅動波形如圖2-4所示。當需要反轉時，開關管一直關斷，開關管一直開通，開關管和交替開通和關斷。下面對單極性可逆PWM驅動電路工作情況分析。按照直流電動機的帶載情況不同，可以把直流電動機工作情況分為輕載、重載、反轉三種，各種情況下電流波形如圖2-5所示。下面就單極性可逆PWM驅動電路下的三種工作情況進行說明。圖2-5單極性可逆PWM調速系統(tǒng)電流波形1. 電動機正轉重載工作情況

21、分析當電動機在這種情況下工作時，電樞平均電壓大于感應電動勢。在每一個PWM周期里，0時間內，開關管開通，開關管截止，電流從經，電動機電樞，流入電源地。如圖2-4的虛線1所示。其電樞電流波形如圖2-5a中1段所示。在時間內，開關管關斷，開關管開通，電源從電路中切除，在電動機自感電動勢的作用下，電樞中電流方向不會突變，電流經過開關管和二極管續(xù)流。其電流回路如圖2-4中虛線2所示，其電流波形如圖2-5中a正轉所示。2. 電動機空載或輕載工作情況分析當電動機工作在空載或輕載情況時，據公式2-1，由于電動機電樞電流小，近似等于。在每個PWM周期內，時間內，開關管截止。一開始，電流方向如圖2-5中虛線4所

22、示，電流逐漸減小，當電流減小到0后，開關管開通，電流方向改變，如圖2-5中虛線1所示。時間內，開關管關斷，電流首先沿圖2-5中虛線2續(xù)流，當電流逐漸減小到0后，開關管開通，在感應電動勢的作用下，電流方向變?yōu)槿鐖D2-5中虛線3所示。電樞電流如圖2-4c所示。當電機工作在減速情況時，平均電動機電壓要小于感應電動勢。在每個PWM周期內，時間內，在自感電動勢和感應電動勢的雙重作用下，電流經二極管和二級管流回電源。其電流回路如圖2-4中虛線4所示，電機處于再生制動模式。時間內，開關管開通，關斷，在電動機自感電動勢的作用下，電流經二極管和開關管形成回路，如圖2-4中虛線3，電動機處于能耗制動狀態(tài)。電動機電

23、流如圖2-5中b所示。通過以上分析可以看出，單極性可逆PWM驅動的電流波動較小，可以方便地實現4個象限內運行。因此其適用范圍廣泛。下面介紹雙極性可逆PWM系統(tǒng)。2.3 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周期內，電動機電樞電壓極性不單一，呈正負變化。同單極性驅動電路，雙極性也有T型和H型，這里介紹H型雙極性驅動電路。圖2-6是H型雙極性可逆PWM驅動系統(tǒng)。四個開關管都受PWM驅動，其中開關管和驅動信號一致，分別和開關管、信號互補。在一個PWM周期內，在時間內，開關管和開通，開關管和截止。此時，電動機電樞電壓為A到B方向；在時間內，開關管和開通，開關管和截止，電樞電壓為

24、B到A方向。因此，稱之為雙極性驅動。雙極性驅動下電樞平均電壓計算公式和單極性不同，由于期間電壓方向發(fā)生改變，其計算公式如下： （2-8）圖2-6雙極性可逆PWM驅動電路下面對雙極性可逆PWM驅動電路工作情況分析。按照直流電動機的帶載情況不同，可以把直流電動機工作情況分為輕載、重載、反轉三種，各種情況下電流波形如圖2-7所示。下面就雙極性可逆PWM驅動電路下的三種工作情況進行說明。 圖2-7 H型雙極性可逆PWM驅動電流波形1. 電動機正轉重載工作情況分析。在電動機在這種情況下工作時，電樞平均電壓大于感應電動勢。在一個PWM周期內，0時間內，開關管和開通，開關管和截止，電樞中電流如圖2-6中1所

25、示。在時間內，開關管和開通，開關管和截止，雖然電樞兩端電壓反向，但由于電機電感的作用，電流方向仍然不變，電流將逐漸變小。電流波形如圖2-7a所示。2. 電動機反轉工作情況分析當電動機在較大負載下反轉工作時，與1中情況相反，電流波形如圖2-7b所示。3. 電動機輕載工作情況分析當電動機工作于輕載情況下時，電樞電流很小，電流波形如圖2-7中c所示，即電流呈波動狀態(tài)。在一個PWM周期0時間內，開關管和截止，電樞電流從B向A，如圖2-6中虛線4所示。當電樞電流減小到0后，開關管和開通電樞電流回路如圖2-6中虛線1所示。在時間內，開關管和截止。電動機電樞電流波形如圖2-6中虛線2所示。電樞電流逐漸減小，

26、當電流減小到0后，開關管和開通，電樞電流回路如圖2-6中虛線3所示。由以上分析可得，在雙極性驅動情況下，電動機也可以在4個象限內工作。低速時的震蕩可以消除靜摩擦死區(qū)，但是開關損耗要大于單極性驅動電路。2.4 本章小結 本章介紹了直流電動機脈寬調速的原理。對直流電動機進行了數學模型建立，推倒了轉速和占空比的關系，為調速奠定了理論基礎。詳細介紹了PWM調速的原理及實現方式。分別對單極性可逆調速系統(tǒng)和雙極性可逆調速系統(tǒng)進行了原理分析和各種工作情況下的波形分析。比較了兩種方式的利弊。第3章 系統(tǒng)硬件設計本章主要介紹系統(tǒng)的硬件組成。硬件是軟件運行的基礎，只有保證硬件系統(tǒng)的可靠性，軟件才可以發(fā)揮作用。本系

27、統(tǒng)主要包括DSP核心控制板和功率驅動板兩部分。本章將以這兩部分進行介紹。3.1 系統(tǒng)硬件電路構成硬件電路設計必須考慮到信號的可靠性，將系統(tǒng)各部分按照功能劃分為模塊，既可以減少信號的相互干擾，又可以調高系統(tǒng)的設計效率。本系統(tǒng)的主要框架如圖3-1所示： 圖3-1系統(tǒng)硬件框圖整個系統(tǒng)的硬件電路主要由兩部分組成：DSP核心控制板、電機驅動部分、信號調理電路、人機交互部分組成。（1）DSP核心控制板采用TI公司的TMS320F2812作為控制芯片，是整個控制板的核心。（2）電機驅動部分包括電平轉換、光耦隔離、隔離電源、開關管電路等功能電路。（3）信號調理電路包括各個反饋信號的整形，濾波，放大等等。3.2

28、 DSP芯片外圍電路設計（1）DSP供電電路設計DSP最小系統(tǒng)板采用5V電壓供電。TMS320F2812供電電壓分為兩部分：3.3V IO電壓和1.8V內核電壓。由于DSP對電源電壓要求嚴格，需要選用高精度的供電芯片。同時對3.3V和1.8V的電源上電順序有嚴格要求，不適宜采用雙電壓芯片供電。本系統(tǒng)采用TI公司的PS767D318。該芯片是線性穩(wěn)壓芯片，具有雙通道電壓調節(jié)器，具有上電檢測復位，故障信號輸出等。同時輸出3.3V和1.8V電壓，完全滿足DSP工作需要。具體電路圖如圖3-2所示：圖3-2 DSP供電電路設計（2）復位電路設計本系統(tǒng)共有三個復位信號，分別是DSP供電芯片PS767D13

29、8產生的兩路復位信號和復位按鍵產生的一路復位信號。電源芯片PS767D138可以檢測輸出電壓，但輸出電壓偏離設定值時便會產生復位信號，以保證DSP的正常工作需求。按鍵復位用于用戶自定義復位。三個復位信號通過二極管組成的或邏輯電路，無論哪個復位信號產生作用，均可以使DSP復位。具體電路如圖3-3所示：圖3-3 DSP復位電路 （3）時鐘電路系統(tǒng)采用了30M的無源晶振，通過DSP內部PLL將DSP配置在150MHz。具體電路如圖3-4所示。圖3-4 時鐘電路（4）JTAG電路 為了方便程序的調試、下載，系統(tǒng)設計了JTAG仿真器下載接口。具體電路如圖3-5所示。圖3-5 JTAG電路3.3 功率板電

30、路設計3.3.1 功率板控制部分電路設計 （1）控制部分電源設計本系統(tǒng)的功率板采用統(tǒng)一的12V電源供電。控制部分需要如下多路電壓，分別是5V，-5V，3.3V。以下結合具體電路分別說明各個電壓產生電路。 a.5V電源作為控制部分主體電源。包括外圍電路供電，3.3V產生，-5V產生?？紤]到12V到5V電壓差較大，且5V功率較大。故系統(tǒng)采用了開關穩(wěn)壓芯片。通過增大輸出濾波電容，可以在保證效率的情況下保證較小紋波。選用LM2596-5.0開關穩(wěn)壓芯片。LM2596開關電源降壓型電源管理芯片，能夠輸出3A的驅動電流。同時具有良好的線性和負債調節(jié)性。該器件內部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開關頻率為15

31、0KHz。較高的開關頻率可以減小濾波原件的體積。該器件只需4個外接元件。具體電路如圖3-6所示。圖3-6 5V電壓產生電路系統(tǒng)部分外設需要3.3V電壓。如LCD顯示，串口電路等。本系統(tǒng)采用LM1117線性穩(wěn)壓芯片產生3.3V電壓。LM1117是一個低壓差電壓調節(jié)器。其壓差在1.2V。并提供電流限制和熱保護功能。電路包括1個齊納調節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在1%以內。具體電路如圖3-8所示。由于系統(tǒng)需要運用大量運算放大器，需要負電壓。本系統(tǒng)采用正負5V為運放供電。-5V電壓采用負壓轉換芯片ICL7660。ICL7660是Maxin公司生產的小功率極性反轉電源轉換器。其靜態(tài)電流典型值為1

32、70uA，輸入電壓范圍為1.5-10V，工作頻率為10KHz，只需外接10uF的小體積電容。效率高達700mA。具體電路如圖3-7所示。圖3-7 -5V電壓產生電路（2）電平轉換電路設計電平轉換電路主要用于PWM信號由DSP輸出到光耦輸入。由于采用TLP250光耦，信號電信輸入電流要8mA，而DSP典型輸出只有4mA。為了保證系統(tǒng)可靠工作，添加了電平轉換電路，提高PWM信號驅動能力。電平轉換芯片選用SN74LVC4245DW。具體電路如圖3-9所示。圖3-9 電平轉換電路 （3）串口SCI通信電路TMS320F2812自帶了兩個標準的串口通信接口，但電平是CMOS電平，不能與PC串口直接通信。

33、需要進行串口電平轉換。本系統(tǒng)采用MAX232專用電平轉換芯片。具體電路如圖3-10所示。圖 3-10 串口通信電路（4）人機交互電路設計為了方便系統(tǒng)調試，使操作更舒適化，系統(tǒng)在人機交互電路方面采用了LED狀態(tài)指示燈、蜂鳴器、LCD液晶顯示器、矩陣鍵盤等交互部分。具體電路如圖3-11所示。圖3-11 人機交互部分電路 系統(tǒng)需要多路模擬信號。包括電機電流信號、測速發(fā)電機轉速信號、1.25VADC矯正電壓信號、2.5VADC矯正信號。模擬信號在送入DSP之前需要按照要求進行放大，濾波，衰減，抬升等操作。以保證信號的完整性、正確性。以下以具體電路分別對本系統(tǒng)的各路信號處理加以說明。 TMS320F28

34、12具有12位ADC模塊。在實際工程應用中，AD精度往往達不到12位，往往只有9位左右。為了提高ADC采樣精度，需要對ADC進行校準。校準的原理是通過對已知的兩路電壓信號進行采樣，計算出誤差值，然后用計算的誤差值校準實際的采樣值。具體方法在第六章ADC矯正中解釋，本處只對硬件電路做說明。通過電壓基準TL431提供兩路電壓基準，1.25V電壓和2.5V電壓。具體電路如圖3-12所示。如圖3-12，利用電壓基準芯片TL-431產生2.5V基準電壓。然后利用電阻分壓，產生1.25V基準電壓。為了確保TL-431可靠工作，產生可靠的基準電壓，在電壓進入TL-431之前進行了LC濾波。同時輸出側并聯了4

35、7uF的電解電容。圖3-12 電壓基準產生電路（2）交流測速信號調理電路 本系統(tǒng)采用的是交流三相測速發(fā)電機。需要對三相交流測速發(fā)電機的輸出信號進行整流 、濾波、衰減。具體電路如圖3-14和圖3-15所示。圖3-14交流測速整流衰減電路如圖3-15所示，在輸出部分，通過肖特基二極管BAV99對調理電路輸出信號進行鉗位，防止損壞DSP ADC。具體原理為：當運放輸出電壓超過3.5V，BAV99上端二極管開通，將電壓鉗位到3.5V，防止電壓繼續(xù)增高損壞DSP。當輸出電壓低于-0.2V，BAV99下端二極管開通。本系統(tǒng)其他部分BVA99用法與此處相同。圖3-15 交流測速信號濾波電路（3）直流測速信號

36、調理電路考慮到系統(tǒng)的適應性，本系統(tǒng)在原有設計的基礎上增加了直流測速電路。與交流測速一樣，直流測速也需要對信號進行衰減、濾波等操作。不同的是，直流測速對電機正反轉表現為輸出電壓極性相反。由于DSP只能對正電壓進行采樣，所以需要對直流測速電壓進行抬升，使之在全范圍內均可被DSP采集。具體電路如圖3-16和圖3-17所示。如圖3-16所示，通過TL-431產生2.5V基準電壓，衰減3倍后通過運放放大適當倍數，實現1.5V電壓作為直流測速信號抬升電壓。圖3-17 直流測速信號調理電路（5）電流采集調理電路 在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，電流信號采集至關重要。本系統(tǒng)采用的是霍爾電流傳感器。該傳感器輸出電壓信號，具體電

37、路如圖3-18和圖3-19所示。圖3-18 直流測速電流信號衰減電路圖3-19 直流測速電流信號濾波電路3.3.3 故障保護電路設計 故障保護電路主要防止系統(tǒng)在工作過程中出現超過系統(tǒng)安全承受范圍狀況。一旦產生故障，如上下橋臂直通、母線欠壓、母線過壓、過溫等異常情況時，通過保護電路使DSP產生相應的措施。本系統(tǒng)所設計的母線安全電壓范圍為30V80V。a 母線欠電壓、過電壓保護母線電壓采集通過電阻器進行分壓。傳統(tǒng)實現過壓和欠壓保護多采用基準電壓和比較器的方法。但是在實現起來有諸多不便，體現在：（1）高壓側電壓較高，產生精確的且與控制電路隔離的基準電壓不易；（2）比較器需要供電，且電源需要與控制部分

38、隔離。隔離電源實現麻煩。考慮到以上方案的弊病，本系統(tǒng)采用了TL-431的特殊用法比較器用法。利用TL-431內部的2.5V基準可以實現在不需要外加基準電壓和比較器的情況下實現電壓比較功能。具體電路如圖3-20所示。圖3-20 欠壓保護電路圖3-21 過壓保護電路下面以欠壓保護為例進行說明：當母線電壓VBUS高于30V時，TL-431的1腳電壓高于2.5V，此時TL-4312腳和3腳間不開通（此為TL-431特性），光耦發(fā)光二極管上有電流流過，LO輸出低電平。當母線電壓VBUS低于30V時，TL-431的1腳電壓低于2.5V，反之。b 防橋臂直通保護由于系統(tǒng)功率部分所需的4路PWM波均通過DSP

39、直接產生，死區(qū)也由程序實現。為了防止PWM輸出部分出現同一橋臂上下脈沖同時為高出現橋臂直通現象，本系統(tǒng)對輸出PWM波做了硬保護。當出現上述異常情況時，將通過保護電路封鎖PWM輸出。具體電路如圖3-22所示。圖3-22 PWM輸出保護電路最終，將欠壓、過壓、PWM故障信號進行統(tǒng)一，輸入到TMS320F2812的驅動保護PTPINTA端，實現保護。具體電路如圖3-23所示。圖3-23 綜合保護電路另外，本系統(tǒng)對溫度信號也進行了采集。利用數字溫度芯片DS18B20，當溫度出現故障時，在程序中對系統(tǒng)進行保護。具體電路如圖3-24所示。圖3-24 數字溫度采集電路3.3.4 功率電路設計 （1）本系統(tǒng)采

40、用H橋式電路拓撲。采用H橋式電路，可以方便地實現電動機四象限運行，并且可以當極性控制及雙極性控制。功率開關器件采用MOSFET IRF540。 IRF540，N溝道增強型MOS管。采用“Thrench”工藝，使其有低的開通內阻，快速開關，低的熱敏電阻。廣泛采用于DCDC轉換器、開關電源、電視及電腦顯示電源等場合。具體參數如下：，。由上面參數看出，IRF540完全滿足本系統(tǒng)所需。具體電路如圖3-25所示。圖3-25 功率主電路圖（2）MOSFET驅動電路考慮到DSP數字部分工作電壓低，而功率部分工作電壓高。為了防止功率側高電壓竄入控制側，引起控制部分損壞，以及威脅試驗人員人身安全。功率側和控制側

41、的隔離至關重要。本系統(tǒng)采用驅動光耦來實現功率側和控制側的隔離。光耦采用TLP-250。具體參數如下。輸入電流：5mA供電電壓：10-35V工作頻率：25KHz瞬間輸出最大電壓：1.5A。具體電路如圖3-26所示。圖3-26 光耦隔離驅動電路（3）隔離電源設計光耦隔離電路需要隔離電源，本系統(tǒng)采用的是晶源電子公司的B_S-1W/B_D-1W系列隔離電源模塊。通過輸入12V轉換為三路隔離的12V輸出電壓。具體電路如圖3-27所示。圖3-27 隔離電源電路3.4 硬件可靠性設計隨著電子技術的飛速發(fā)展，電子設備的應用領域越來越復雜，條件越來越惡劣，因此系統(tǒng)的可靠性成了必須考慮的因素。系統(tǒng)的可靠性關系到很

42、多因素。系統(tǒng)的抗干擾性是系統(tǒng)可靠性的主要性能指標。如果抗干擾性能不好，將會引起測量數據不準確、數據值波動幅度大、系統(tǒng)供電電壓不穩(wěn)等等各種問題，造成系統(tǒng)無法工作，甚至損壞。本系統(tǒng)主要的干擾源有以下幾方面：(1)DSP產生的PWM信號，高頻器件造成的電磁輻射干擾；(2)大功率或大電流功率驅動電路，開關器件開關過程中造成的電磁干擾；(3)信號傳輸線之間的交叉干擾；(4)各供電電源的串入干擾。針對以上四方面的干擾因素，本系統(tǒng)在設計過程中采取了以下措施：(1)DSP最小系統(tǒng)板和驅動控制板相隔離。DSP最小系統(tǒng)板是TMS320F2812的最小系統(tǒng)電路。包括時鐘電路等高頻電路。高頻電路易對模擬信號產生干擾，

43、所以將最小系統(tǒng)單獨制板，同時也便于最小系統(tǒng)板的再利用。（2）開關驅動部分與信號處理電路分開布局 功率MOSFET及其驅動光耦工作電壓高，開關頻率高，是主要的噪聲源。功率板上的信號處理電路（主要包括霍爾電流采集、測速發(fā)電機電壓采集等）對信號質量要求高。因此，將這兩部分分開布局，有助于提高系統(tǒng)的抗干擾性，提高信號的質量。（3）不同的信號分開布局 將AD采集部分盡量遠離PWM等高頻部分，減少信號串擾。具體電路布局見圖3-28所示。圖3-28 控制板整體布局圖（4）隔離式電源系統(tǒng)采用了數字電源、模擬電源、功率電源。各個電源相互隔離，其中數字電源和模擬電源通過電感進行連接。減小了不同電源之間的串入干擾。

44、3.5 PCB實物展示系統(tǒng)PCB分兩部分：DSP最小系統(tǒng)板和功率控制電路板。下面給出PCB實物照片。 圖3-29 最小系統(tǒng)正反面圖圖3-30 整體系統(tǒng)電路圖3.6 本章小結本章詳細介紹了基于DSP的直流脈寬調速系統(tǒng)的硬件電路設計，DSP核心板和功率驅動板。包括TMS320F2812芯片外圍電路設計、人機交互設計、信號調理電路設計、功率驅動板電路設計及相關器件選型。最后對系統(tǒng)硬件可靠性設計做了詳細闡述。第4章 控制策略本系統(tǒng)采用串級雙閉環(huán)控制策略。其控制原理如圖4-1所示。整個控制系統(tǒng)由轉速PID控制器ASR和電流PID控制器ACR兩個控制器組成。其中ACR控制器作為整個控制系統(tǒng)的內環(huán)，ASR控

45、制器作為外環(huán)。外環(huán)的輸出作為內環(huán)的給定。利用串級調速的優(yōu)點，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通過合理的設計調節(jié)器的參數，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖 4-1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖以下將從PID控制器的簡介，雙閉環(huán)控制器的優(yōu)點，數字雙閉環(huán)PID控制器的實現三方面進行詳細說明。4.1 PID控制器簡介 PID控制器由于其結構簡單、實現容易，并且具有較強的魯棒性，因而在各種工業(yè)控制領域廣泛應用。作為一種應用范圍很廣的控制規(guī)律，PID在相當長的時間內仍然在工控領域占據著主導地位。4.1.1 PID控制算法特點 在工業(yè)控制領域，目前采用最多的控制方式仍然是PID控制。由于其結構簡單，操作簡單，在寬范圍內都

46、有良好的魯棒性。將誤差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成最終控制量，這樣的控制器稱為PID控制器。 作為一項早在上世紀30年代就出現的控制算法，PID控制器至今得到了長足的發(fā)展。特別是隨著計算機時代的到來，數字PID技術發(fā)展迅速，使PID技術煥發(fā)了新的活力。截至目前，PID控制仍然是生命力最強、歷史最悠久的控制方式，這是因為其以下特點： （1）PID控制器原理簡單，方便使用，參數整定方法完善，很容易為工程技術人員掌握。 （2）PID控制算法體現了動態(tài)控制過程中的過去、現在和將來的主要信息。通過對P、I、D參數的合理整定，可以達到很好的控制效果。 （3）PID控制的魯棒性強。

47、（4）PID控制有很強的適應性，在電氣傳動、化工、機械制造、伺服系統(tǒng)等等工業(yè)過程控制部門廣泛應用。 （5）PID控制器經過數字發(fā)展后，形成了多種改進的控制算法。可以對自身缺陷進行改進。正是由于上述優(yōu)勢，使得PID控制仍然是電氣傳動和過程控制中最廣泛的控制算法。4.1.2 PID控制器結構和原理 PID控制器是一種基于“比例，積分，微分”信息的簡單有效控制算法。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理圖如5-2所示：圖5-2 模擬PID控制簡圖PID控制器根據給定值rin(t)與輸出值yout(t)得到偏差： （4-1）模擬PID控制輸出為： （4-2）其傳遞函數為： （4-3）式中 比例系數； 積分時間常數；

48、 微分時間常數；PID個環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反應偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：用于消除系統(tǒng)誤差。積分時間常數越大，積分作用越弱，反之越強。（3）微分環(huán)節(jié)：用于反應偏差信號變化的趨勢即變化速率，從而加快系統(tǒng)的響應速度。4.2 雙閉環(huán)控制器簡介 采用單個轉速PID調節(jié)器的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)（以下簡稱單閉環(huán)系統(tǒng)）可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現轉速無靜差。但是，當對調速系統(tǒng)動態(tài)特性要求較高，比如：突加負載、突減負載、快速啟動、快速制動等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。主要原因是在單閉環(huán)中不能控制電流和轉矩的動態(tài)過程。為此，在電機允許的最大電

49、流和轉矩受限制的條件下，充分利用電機的過載能力，在加速過程中始終保持電流為允許的最大值與負載想平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。其起動過程波形如圖5-3所示，啟動電流呈方型波，轉矩按線性增長。圖4-3 理想的快速啟動過程 為了使電機電流按照圖4-3所示的波形變化，按照控制規(guī)律，采用電流負反饋可以得到近似的恒流過程。為了實現轉速環(huán)和電流環(huán)分別起作用，可在系統(tǒng)中再加入電流調節(jié)器，即使用轉速和電流調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流。二者實行嵌套，如圖4-1，把轉速環(huán)的輸出作為電流環(huán)的輸入，作為給定。再利用電流環(huán)的輸出控制電力電子器件。便形成了轉速電流雙閉環(huán)調節(jié)器。4.3 PID控制算法的數字化 4.3.1 PID控制

50、算法數字化 在計算機控制系統(tǒng)中，當有足夠高的采樣頻率時，可以先按照模擬系統(tǒng)的設計方法設計調節(jié)器，然后再進行離散化。就可以得到數字控制器的算法，這就是模擬調節(jié)器的數字化。對模擬PID控制器進行離散化處理，即對式（4-3）用后向差分近似代替微分，得 （4-4）省略采樣周期，即記為，則 （4-5）式中，是積分系數；是微分系數。式（4-5）是位置式PID控制算法。由式（4-5）得 （4-6）式（5-5）與式（5-6）相減，得 （4-7） 式（4-7）即為增量式PID算法。 位置式PID和增量式PID本質上是一致的。對比式（4-5）和式（4-7），位置式PID需要對此次采樣以前所有的誤差信號進行求和，而

51、增量式PID只需要計算出每一次的增加量，相比之下，計算量小，容易實現。對此，對增量式PID優(yōu)勢做一下介紹。（1）只需計算出每一次誤差的增量，節(jié)省單片機內存和運算時間。（2）每次只對進行計算，計算誤差影響小。（3）每次輸出只增加，誤動作產生的誤差小，便于實現無擾動切換。但增量式PID也有其不足之處，有靜態(tài)誤差等。在實際應用中究竟使用位置式PID還是增量式PID，要看執(zhí)行機構的構成特性。如果執(zhí)行機構具有積分特性部件（如具有此輪傳遞特性的位置執(zhí)行機構、步進電機等），應該采用增量式PID控制算法；反之沒有積分特性部件，則該采用位置式PID控制算法。4.3.2 數字式PID控制算法的實現過程 在應用計算

52、機實現PID控制算法時，實現過程如圖4-4和圖4-5所示。圖5-4 位置式PID的實現 圖5-5 增量式PID的實現4.3.3 數字PID參數整定 數字系統(tǒng)參數的整定有兩種方法：直接設計法和間接設計法。當采樣頻率足夠高時，可以把數字系統(tǒng)近似看成模擬系統(tǒng)，先按模擬系統(tǒng)理論來設計調節(jié)器的參數，然后離散化，得到數字控制算法，這是按模擬系統(tǒng)的設計方法，或稱為間接設計法。如果采樣頻率雖然能基本符合采樣定理的要求，但并不足夠高，或者對控制性能要求較高，就必須考慮采樣保持因素，根據離散控制系統(tǒng)理論來設計數字控制器這是按離散系統(tǒng)的設計方法，或稱直接設計法。本系統(tǒng)采樣頻率為10KHz，采樣頻率足夠高，可以按照間接設計法來設計調節(jié)器參數。在設計調節(jié)器參數前，首先要確定調節(jié)器的結構，以確保系統(tǒng)的靜動態(tài)性能。本系統(tǒng)調節(jié)器按照工程設計法設計，本著先內環(huán)后外環(huán)的設計思想，其過程如下。a電流內環(huán)設計：為了實現電流內環(huán)穩(wěn)態(tài)時沒有靜差，以得