1、 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计 (论文 )任务书 课题名称 基于 2812DSP 的数字化电机调速平台研究 学 院 电气信息学院 专业班级 电子信息工程 081 姓 名 董必陈 学 号 089064183 毕业设计 (论文 )的主要内容 ： 1、学习并掌握电机调速的原理、作用、调速方法和实现手段； 2、掌握 TMS320F2812DSP 芯片性能指标、结构特点、片上外设及其开发平台； 3、进行电机调速系统方案设计，构建基于 TMS320F2812DSP 的调速系统结构框图； 4、进行基于 TMS320F2812DSP 的电机调速系统硬件电路设计； 5
2、、进行基于 TMS320F2812DSP 的电机调速系统软件程序设计与调试； 6、 整理总结毕业设计工作内容，撰写毕业论文。 起止时间： 年 月 日 至 月 日共 周 指 导 教 师 签 字 系 主 任 签 字 院 长 签 字 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 I 装 订 线 基于 2812DSP 的数字化电机调速平台研究 摘 要 随着电力电子技术、计算机技术、自动控制 理论 的迅速发展，电机的数字化控制已成为广泛研究的对象。本论文设计了基于 DSP 的数字化小功率电机调速平台 ，可以用于小功率直流电机、交流电机的调速研究。 本设计以德州仪器的 TMS320F2812 为主控芯片，其外围电
3、路主要包括电机驱动模块、按键 控制 模块、检测模块、液晶显示模块。电机驱动模块是对 F2812 输出的PWM、 SPWM 信号进行 功率放大 ，以驱动电机；按键 控制 模块通过按下不同按键来调整电机的转速和方向；检测模块包括 信号采样与调理电路 ，光电编码器测速电路；液晶显示模块用来显示检测来的电压、电流、转速等数据。 软件系统是硬件系统的支撑 ， 该系统软件部分主要由 DSP 初始化程序、转 速 检测程序、电压电流检测程序、 PWM 脉宽 调速程序和 SPWM 变频调速程序组成。 DSP初始化程序包括系统初始化、中断模块初始化等；转速检测程序利用 DSP TMS320F2812 内的正交编码
4、脉冲模块采用 M 法完成测速；电压电流检测程序通过DSP高速 AD采样通道，完成采样处理和分析功能，最后在液晶上显示所得数据； PWM和 SPWM 调速程序通过对 EV 模块的寄存器进行不同的设置，结合按键控制完成调速。 关键词： 数字化； 电机 调速 ； DSP； PWM； SPWM 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 II 装 订 线 Research on digital motor speed control platform based on TMS320F2812 Abstract With the development of power electronic technolo
5、gy, computer technology and the theory of modern control, the digital control of motor has become the object of extensive research. In this paper, design a low-powered digitized platform of motor speed regulation based on DSP. It can be used for low-power DC motor, AC motor speed control. Texas inst
6、ruments TMS320F2812 as the main controller chip in this design, Its periphery circuit includes motor driver module, button control module, detection module, liquid crystal display module. Motor driver module need to process the PWM and SPWM signal output of F2812 in order to drive motor. Button cont
7、rol module by pressing different keys changes the motor speed and direction. The detection module includes voltage and current sampling circuit, and optical encoder circuit. The liquid crystal display module is used to display the detected voltage, current, speed and other data. Through the software
8、 programming， it realizes DSP initialization, the function modules and motor control. The software system is the support of the hardware system. The software part of the system includes DSP initialization procedures, speed testing procedures, the voltage and current testing procedures, the PWM pulse
9、 width speed control program, and SPWM VVVF program. DSP initialization process includes a system initialization, interrupt module initialization; speed detection program within the DSP TMS320F2812 quadrature encoder pulse module using M method to complete the tachometer; voltage and current testing
10、 procedures by the DSP high-speed AD sampling channel, complete sample processing and analysis functions, and finally the data displayed on the LCD; PWM and SPWM speed control program through the different settings of the EV module registers, and combine of buttons to complete speed control. Key wor
11、ds: digitization; motor speed regulation; DSP; PWM; SPWM 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 III 装 订 线 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 第一章 绪论 . 1 1.1 电机调速简介 . 1 1.2 电力电子技术发展 . 1 1.2.1 电力电子器件的发展 . 1 1.2.2 变流技术的发展 . 2 1.2.3 控制技术的发展 . 2 1.3 交流调速系统的发展 . 3 1.4 课题研究背景与目的 . 4 1.5 主要工作内容 . 4 第二章 电机调速系统概述 . 5 2.1 电机调速系统结
12、构组成和分类 . 5 2.1.1 开环调速系统 . 5 2.1.2 闭环调速系统 . 5 2.2 电机调速方法 . 5 2.2.1 直流电机调速方法 . 5 2.2.2 交流电机调速方法 . 7 2.3 电机调速控制方法 . 9 2.3.1 PWM 控制 . 9 2.3.2 SPWM 控制 . 9 2.3.3 SVPWM 控制 . 10 2.4 实现手段 . 11 第三章 系统方案设计 . 12 3.1 设计功能与需求分析 . 12 3.2 控制器选择 . 12 3.3 系统整体结构设计 . 14 3.4 TMS320F2812 功能特点 . 15 第四章 系统硬件设计 . 19 4.1 主控
13、制电路 . 19 4.1.1 DSP 电源电路 . 19 4.1.2 DSP 复位电路 . 19 4.1.3 DSP 时钟电路 . 20 4.1.4 JTAG 接口电路 . 20 4.2 信号采样和调理电路 . 21 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 IV 装 订 线 4.3 转速检测电路 . 23 4.4 功能选择按键电路 . 24 4.5 电机驱动电路 . 25 4.6 液晶显示电路 . 26 第五章 系统软件设计 . 28 5.1 DSP 软件开发工具 . 28 5.2 主程序结构及流程图 . 30 5.3 DSP 初始化程序 . 31 5.3.1 系统初始化程序 . 31 5.3.
14、2 IO 口初始化 . 32 5.3.3 中断模块初始化 . 32 5.4 转速检测程序 . 33 5.5 电压电流检测程序 . 34 5.6 PWM 控制调速程序 . 34 5.7 SPWM 变频调速程序 . 35 5.8 相关实验 . 36 5.8.1 AD 采样实验 . 36 5.8.2 PWM 产生实验 . 36 5.8.3 SPWM 产生实验 . 38 5.8.4 液晶调试实验 . 39 第六章 总结 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 42 附录 . 43 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 1 装 订 线 第一章 绪论 1.1 电机调速简介 上世纪 70 年代以前，由于直流
15、传动调速系统的性能指标远远优于交流传动调速系统，所以在调速领域，直流 传动调速系统一直在调速领域占居首位。交流调速系统的方案虽然有很多 发明并得到实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌，只能用在不调速的领域里。 随着生产的发展，速度可调成了传动装置的一项基本要求，并且， 除了满足一定的调速范围和连续可调的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。直流电机虽然可以满足这些要求，但它在容量、体积、制造、成本、运行和维护等方面都不及交流电机，所以长期以来人们一直希望能开发出交流调速电动机代替直流电动机。 进入 70 年代以来、随着电力电子技术和现代控制理论的提出和迅速发展，促进了电机调
16、速系统的迅速发展。电动机调速从直流发电机 -电动机组调速、静止晶闸管整流器直流调压调速逐步发展到交流感应电动机变频调速，变频调速又由 VVVF 的变压变频控制的 PWM 变频调速发展到了矢量控制变频调速，通过 控制交流电动机里相当于并励直流电动机励磁绕组的磁通变化，提高变频器的恒转矩输出范围和动静态特性，使得交流电动机变频调速性能超过了直流电动机调压调速性能。目前在调速传动领域，交流调速取代直流调速，数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。 交流电机变频调速是 当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种重要手段。变频调速以其高效率，高功率因数以及优异的调速和启制动性能等诸
17、多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 1.2 电力电子技术发展 电力电子技术就是使用电力半导体器件及电子技术对电 气设备的电功率进行变换和控制的技术。它以实现“高效率用电和高品质用电”为目标，是一门综合电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等许多科学的交叉学科。 它主要包括三个方面的内容： 元器件（电力电子器件、磁元件及电容器等） 电力电子变流技术，包括变频、变压、变流和变换相数等。 控制技术、微电子与电力电子技术结合，实现智能控制。 1.2.1 电力电子器件的发展 近些年来，随着半导体制造技术和变流技术的发展，一代一代的电力电子器件相继出现，第一代电力电子器件属于
18、半控型器件，主要是各类晶 闸管，第二代电力电子器件主要是可自关断器件，包括：电力晶体管（ GTR）、可关断晶闸管（ GTO）、电力安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 2 装 订 线 场效应晶体管（ MOSFET）等。而现在和未来电力电子 半导体 研究的热点是智能功率集成电路和高压集成电路的工艺和制作技术， 如功率集成电路（ PIC），它把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起的功率集成器件。 1.2.2 变流技术的发展 电力电子器件的更新也引发了变流技术的发展。变流技术按功能分为： 整流器 把交流电变为固定的或可调的直流电 逆变器 把固定直流电变为固定或可调的交流电 斩波器 把固定的直流
19、电压变成可调的直流电压 交流调压器 把固定交流电压变成可调的交流电压 周波变流器 把固定的交流电压和频率变成可调的交流电压和频率 1.2.3 控制技术的发展 控制可以分为开环控制和闭环控制两类。 开环控制较简单，常用于对电机控制要求比较低的场合，主要分为以下三种方式：在额定频率以下，采用定子电压补偿的恒转矩变频调速（即定子电压与其频率之比为常数）、在额定频率以上的定子电压常数的恒功率变频调速及保持定子电流不变的恒电流变频调速。而闭环控制比较复杂往往用于一些控制要求较高的场合。由于反馈参数的不同及其控制算 法的不同，直接影响到整个调速系统的性能和成本。主要有以下几种控制算法： (1) PID控制
20、 PID控制是最常用电机调速闭环控制的方法，其鲁棒性非常好。它不仅可以用于基本的速度、转矩、位置控制，还可以用于 halman观察模型控制中。 (2) Deadboat Deadboat主要应用于那些要求建立时间很短的系统中。因为应用这种闭环控制方法，需要的计算量较少。另外，还常用于自适应系统中。 (3) 状态变量反馈控制 状态变量模型中，是用一个矩阵的形式来代表整个系统的。这个矩阵代表了系统中各个变量之间的关系。状态变 量反馈控制主要用于要同时控制多个变量的场合。总的来说，状态变量反馈控制可以非常准确的控制整个系统的运行状况。但是真正要做到同时让多个变量都达到要求还是十分困难的。 (4) 模
21、糊控制 模糊控制是用人们的长期经验或实验的结果作为控制依据的一种控制方法。使用这种方法，人们可以不需要建立复杂的系统数学模型。但是其控制过程需要进行大量数学运算，使用普通的微处理器是无法完成这些计算工作的。从上面的介绍可以看出，不同的系统，根据其对电机控制的精度、响应速度、系统成本等要求的不同，其采用的算法也是不同的。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 3 装 订 线 1.3 交流调速 系统 的发展 交流调速系统大致经历过以下几个阶段： 1 调压调速系统：调压调速过去常用的方法是在定子回路串入饱和电抗器，或在定子侧加自耦调压器，存在的问题是调速不灵活，效率低。晶闸管元件出现后，由于它几乎不
22、消耗铜铁材料，体积小，控制方便，用晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管组成的调压器，通过控制触发脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式。但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压波形不是电网提供的完整的工频电压波形，因 此产生了成分复杂的谐波。 2 串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法。改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同电阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但调速是有级的，不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低。
23、自大功率电力电子器件问世后，人们采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。由于晶闸管的逆变角可以平滑连续的改变，使得电动机转速也能平滑连续的调 节。另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流电网，提高了效率。串级调速的缺点是功率因数较低，采用强迫换流、改进型三相四线逆变器、逆变器的不对称控制以及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸管 (GTO )构成，这样可省去关断晶闸管用的储能电路，使逆变电路简单，体积小。 3 变频调速系统：变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，
24、是运用最广最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从 60年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种 变频器。 在变频调速系统出现的初期，其控制技术是采用电压频率协调控制（即 V/F比为常数）。在改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机磁通保持一定，在广范围内调速运行。 70年代初德国的 F.BLASCHKE提出的矢量控制理论解决了交流电机矢量转矩控制问题。这种理论的核心是将一台交流电机等效为直流电机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的动态性能。经过各国科技工作者努力，矢量变换控制的变频调速方法已广泛地应用于电气传动系统中。 80年代的中期，德国的 DEPENBROCK又提出了直接转矩控制的理论，其思路是把交流电机与逆变器看作一个整体对待。采用空间电压矢量分析方法进行计算，直接控制转矩，免去了矢量变换的复杂计算。控制系统结构简单，便于实现全数字化。 近 10多年来，在矢量控制变频调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频调速，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器，提高控制系统的可靠性，降低成本。 这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着安
