1、 唐 山 学 院 毕 业 设 计 设计题目： 基于 DSP 的直流电动机调速系统设计与实现 系 别： 信息工程系 班 级： 06 电气工程及其自动化（ 1）班 姓 名： 兰恒波 指 导 教 师： 吕宏丽 2010 年 6 月 10 日基于 DSP的直流电动机调速系统 设计与实现 摘 要 随着现 代工业的不断发展，直流调速系统在许多领域获得了广泛的应用。由于数字控制具有较好的控制性能和较强的抗干扰性，所以成为直流电机的主流控制方式。为了进一步提高直流电机控制的现代化程度，电机的控制方法也由原来的单机独立模拟式控制转变为集中式数字式控制。 本文进行了基于 DSP的直流电机调速系统控制器设计的研究与
2、实现。针对目前现有的条件和要求，建立了以 DSP控制器为核心的直流电机调速系统，给出了系统的整体方案；系统根据调速原理，采用 TI公司的 TMS320LF2407A DSP芯片为控制芯片，利用 H型电路进行对直流电机的 调速控制，通过光电传感器对直流电动机的转速进行测定。 硬件方面，在分析了系统控制对象的基础上，以 TMS320LF2407A为控制核心，设计了整个系统的硬件平台。主要包括电源电路的设计、直流电动机驱动电路的设计、直流电动机测速电路的设计、 DSP最小系统、键盘控制电路以及 LCD显示电路的设计。 软件方面，在 DSP的集成开发环境 CCS下，利用 C语言，进行了软件的设计与调试
3、，实现了硬件的配置和整个控制器平台的所有功能，能用按键控制直流电动机的启动、停止、加速、减速、正转、反转功能，并将工作状态通过 LCD显示出来，通过 DSP定时器的配合使用，实现了软件脉冲触发功能，从而实现了直流电动机的测速功能。 通过对研制的 DSP调速控制器的实验以及测试，该控制平台运行稳定，设计思路正确，实现了预期的功能，能够实现测速调速功能和显示功能，有着一定的实用价值。 关键词 ：直流电动机 DSP 调速 The Design and Realization of Speed Regulation System for DC Motor Based on DSP Abstract D
4、irect-current speed regulation system has gained broad application in a lot of fields with rapidly development of modem industrialization The Digital Control will become the mainstream of DC timing system by good performances and stable ability to resist the disturbance In order to improve moderniza
5、tion， the control methods of DC timing system have changed from single control to network control This paper studied and realization the design of controller in speed regulation system based on DSP, after aimed at the status of laboratory at present. To build a Direct-current speed regulation system
6、 using by DSP as core controller and made overall scheme. Using the TMS320LF2407A DSP of TI company, according to speed regulation principle. To controlled the timing of DC Motor using the H model circuit, and measured the rotary speed through photoelectric sensor for DC Motor. In hardware, the whol
7、e platform is designed by TMS320LF2407A as core controller, based on analyzing the controlled object. It is include of the electrical source circ uit, the driving circuit for DC Motor, the circuit measurable revs for DC Motor, the DSP smallest system module, the circuit of control by keypad and the
8、showing circuit by LED. The software achieves all the functions of system and accomplish with hardware configure, which is debugged in the CCS IDE and using C language The system make the function of start, stop, forward, backward, acceleration, deceleration through keypad, and show the state by LED
9、. Measuring revs for DC Motor and realization the function pulse spring by software cooperate in DSP timer. The running stability of system, the correctness of designing and all the intending functions were demonstrated by experiment and testing for the device of DSP controller It could control the
10、speed of DC motor and monitoring controller by LED. This platform has a good promotion value. Keywords:DC Motor;DSP;Speed Regulation 目 录 1 引言 . 1 1.1 课题研究综述 . 1 1.1.1 国内外研究动态 . 1 1.1.2 发展趋势 . 2 1.2 课题完成的内容及选题意义 . 3 1.2.1 完成内容 . 3 1.2.2 选题意义 . 3 1.3 课题研究的主要内容及章节安排 . 4 2 直流调速原理 . 5 2.1 调速方法 . 5 2.1.1
11、直流电动机调速方法 . 5 2.1.2 PWM 调速控制原理 . 6 2.2 测速方法 .11 2.3 本章小结 . 12 3 DSP 控制器介绍 . 13 3.1 DSP 芯片发展及结构 . 13 3.1.1 DSP 芯片发展 . 13 3.1.2 DSP 芯片结构原理 . 13 3.2 控制器 TMS320LF2407A 介绍 . 15 3.2.1 控制器 TMS320LF2407A 特点 . 15 3.2.2 设计用到的模块 . 16 3.3 DSP 开发 . 18 3.3.1 DSP 开发所需硬件资源 . 18 3.3.2 DSP 软件开发 . 18 3.4 本章小结 . 19 4 硬
12、件设计 . 20 4.1 系统总体方案 . 20 4.2 DSP 供电电源设计 . 21 4.3 JTAG 接口电路设计 . 21 4.4 键盘控制电路设计 . 23 4.5 LCD 液晶显示控制电路设计 . 23 4.6 直流电动机 PWM 调速测速电路设计 . 25 4.6.1 直流电动机 PWM 调速电路设计 . 25 4.6.2 转速采集电路设计 . 26 4.7 本章小结 . 27 5 软件设计 . 28 5.1 CCS 简介 . 28 5.1.1 安装过程 . 28 5.1.2 CCS 软件简介 . 29 5.2 程序设计 . 31 5.2.1 主程序流程图 . 31 5.2.2
13、主要模块程序流程图 . 32 5.3 本章小结 . 36 6 结论 . 38 6.1 调试结果 . 38 6.2 总结 . 39 谢辞 . 40 参考文献 . 41 附录 . 42 1 开发板外形图 . 42 2 设计的总电路图 . 43 3 设计的总程序 . 44 外文资料 . 60 1 1 引言 1.1 课题研究综述 一个多世纪以来，电动机作为最主要的机电能量转换装 置 ，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的 日 常生活。过去电动机的调速控制 不太灵敏 ，随着 计算机、微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略发生了深刻的变化。传统的模拟控制方法正逐渐被以微
14、控制器为核心的数字控制所取代 1。 1.1.1 国内外研究动态 早期直流传动的控制器由模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。 20世纪 70年代以来，利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用，如 Intel8031/8051、 AT89C51、 AT89C522等。在单片机控制系统中，单 片机作为系统控制的核心，主要用来完成一些算法，同时还要处理一些输入，输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。然而，受单片机本身结构的限制，以之为核心的单片机控制系统仍需要较多的元
15、器件 ， 于是许多工程师认识到了单片机和电动机专用芯片各自的优势和缺点，设计了以单片机和专用芯片为核心的电动机控制系统。在这些系统中，利用单片机的可编程特点，主要用来执行一些检测、控制算法。并输出相应的控制信号给专用芯片；利用专用芯片内部具有的电动机专用硬件控制机制，用来快速产生用于电动机功率电子电路的控制信 号。这些系统将单片机和专用芯片优势互补，使得系统即可以满足实时性的要求，又具有用户可编程的灵活性。从而迅速成为主流的电动机控制系统设计方法。但是，这些系统仍存在单片机系统固有的缺点，即系统组成元件多、处理能力有限等，从而使最终系统的可靠性较低、成本提高，也难适应要求较高的场合 。 为了使
16、电机控制系统即能适应与一般的应用场合，又能满足一些高精度、高性能的控制要求。许多公司推出了面向运动控制系统、电动机控制的控制器。例如：TI公司的 TMS320x24xx系列 DSP控制器，它把 一 个 16位定点 DSP核和用于控制的外设 、大容量的片上存储器集成在单一芯片上，为电动机控制系统注入了新活力。此系列 DSP控制器的内部 DSP核具有用于控制的片上外设，使得它们从硬件机制上可以较好地满足任意电动机控制系统的要求。 可以看到，基于 DSP控制器构成的电动机控制系统具有传统单片机控制系统和专用芯片电动机控制系统的优势，即专用的电动机控制机制、用户可编程、控制能力强、功能强大；同时又克服
17、了它们各自的缺点，如外设和存储器集成在芯片内，2 可节省印制电路板面积、减少系统中元件的个数、提高了 CPU的处理能力、提高了系统的可靠性等。另外随着电子制造技术的 不断提高， DSP控制器芯片的成本不断下降，到目前为止，单片 x24xx系列 DSP控制器的价格与普通单片机的价格已不相上下。这些都使得最终 DSP控制系统的成本得到了降低。另外 随 着系统规模的扩大和复杂性的提高，单机的控制系统越来越少， 取而代之 的是大规模的多机协同工作的高度自动化的复杂系统。利用以 DSP为控制核心的控制系统可以很好的完成此任务，另外借助于数字和网络技术，智能控制已经深入到控制系统的各个方面，例如：模糊控制
18、，神经网络控制，解耦控制等，各种观测器和辨识技术应用于控制系统中，大大地改善了控制系统的性能，为 自动控制系统走向复杂的多层的网络控制提供了可能，随着电力电子技术，微电子技术，以及现代控制理论的发展，控制系统将朝着更高的水平迈进 3。 1.1.2 发展趋势 电动机的数字控制技术的发展 得力于 微电子技术、电力电子技术、传感器技术、自动控制技术；特别是微控制器技术，现代控制技术是以微控制器为核心的技术，由此构成的控制系统成为当今工业控制的主流系统。这种系统已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作的人工职能，使受控对象的动态过程按规定方式和技术运行，以完成各种控制、操作管理等
19、任务 4。 近几年来，嵌入式系统在通信、工业、仪器等领域的广泛应用，现代控制技术已深入各行业的诸多领域。进入 90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用 PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。 正是这些技术的进步使电动机控制技术在近 20年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、 FPGA/CPLD、通用计算机、 DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。应用先进控制
20、算法，开发全数字化的智能控制运动控制系统将成为新一代控制系统设计方向。 电动机的数字控制系统的发展趋势可以表现在以下几个方面 。 (1)性能上高速、高精、高效化。速度、精度和效率是工业制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU芯片、 RISC芯片、多 CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的数字伺服系统，同时采取了改善电机动态、静态特性等有效措施，电机的高速高精高效化已大大提高。 (2)控制实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境 ，其作用是3 如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能
21、相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。 (3)系统集成化、模块化、网络化。采用高度集成化 CPU、 RISC芯片和大规模可编程集成电路 FPGA、 CPLD以及专用集成电路 ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度；硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化；电 机联网可进行远程控制和无人化操作；利用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式结构。 1.2 课题完成的内容及选题意义 1.2.1 完成 内容 本课题主要完成以下五方面工作 。 1.硬件设计，设计硬件电路，实现键盘输
22、入命令控制，使直流电动机停止和以不同速度前进或后退，并将实时速度和正反状态显示在 LCD 上； 2.软件设计，编写程序，实现硬件功能； 3.绘制电路原理图； 4.制作样机； 5.系统各功能模块设计结束以后，将系统进行调试， 实现不了功能 的地方进行修改以便完成系统的综合效果 。 1.2.2 选题 意义 一个多世 纪以来，电动机作为机电能量转换装置，一直在现代化生产和生活中发挥 着十分重 要的作用。无论是工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务 与办 公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电机。据资料统 计， 现在有 90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能
23、大约有60%用于电动机 ，电动 机与人们的生活息息相关，密不可分 5。 电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。其中，直流电动机 在八 十年代以前一直处于调速传动领域的主导地位，这主要源于其完美的转矩控制特 性， 即通过调节电枢电压和 励磁电流就可以任意调节其转速和转矩。 本毕业设计制作了一个小型的直流电动机调速装置， 虽然实际应用中较难用到这么小的直流电动机调速装置，但万变不离其宗，实际应用中的直流电动机调速装置大致原理与本设计相差无几，因此，本设计有着很强的理论和指导意义。 设计的主线是 “控制 ”2 字，与本人所学专业密不可分，通过完成此次毕业设计4 的工作，能够加深对本
24、专业精髓的理解， 同样能够增强自学能力、实践能力和钻研精神， 而且 设计过程中 理论 充分地 联系 了 实际 ，对以后工作也有很大的帮助。 本 毕业设计 基于 TI 公司的 TMS320LF2407 控制器 ，对直流电动机 进行调速测速 的控制系统，进行了设计研究。 1.3 课题研究的主要内容及章节安排 在研究了全数字直流电动机控制系统基础上，提出一种以 DSP 为控制器的直流电动机智能控制系统。系统选用 TI 公司的 TMS320LF2407 高性能数字处理器， 设计出基于 DSP 的数字直流电机控制系统。论文共分为 七 大章节，内容如下综述 。 第 l章为 引言 ，介绍数字控制的特点，本论
25、文研究意义及工作内容； 第 2章为直流调速原理分析，针对本文用到的调压调速原理以及特点进行说明； 第 3章为介绍 DSP控制器发展以及其芯片结构原理，着重说明了 本文所用到的TI公司的 DSP(TMS320LF2407A)芯片的主要特征； 第 4章为系统硬件结构整体设计方案，给出了系统整体设计框图，在此基础上介绍了本系统实现的主要功能；设计了以 TMS320LF2407A为核心的硬件系统，包括 电源电路的设计、脉冲触发驱动电路的设计、电机信号采集电路的设计、 DSP最小系统、 DSP驱动 独立按键 键盘控制电路以及 DSP驱动 12864F显示电路的设计 ； 第 5章为系统软件的设计，主要根据
26、硬件设计所要实现的功能进行了系统整体设计，依据软件的整体功能设计了各个功能模块程序； 第 6章为结论 ，在完成系统软硬件的基础上，对整个系统进行联机调试，并进行了分析 ，最后总结全文并对此系统设计进行展望。 5 2 直流调速原理 在现代化工业生产中，生产机械都不停地运转着，几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样，对传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。本章分析了直流调速系统原理，通过分析可以明确硬件总体设计以及软件实现的功能。 2.1 调
27、速方法 2.1.1 直流电动机调速方法 由电机学基本理论可知，直流电动机转速特性方程式 如下 6 7。 ( / m in)eU I RnrC (2-1) 式 2-1中 ，各变量如下。 U 电枢端电压 (V)； I 电枢电流 (A)； R 电枢电路总电阻 ( )； 每极磁通量 (Wb)； eC 与电机有关的常数。 从上式可以看出，直流电机转速 n的控制方法有三种 。 (1)改变电枢电路电阻值 R，在电动机电枢外串电阻进行调速。这种方法只能进行有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低； (2)改变电机主磁通 。这种方法只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较馒，虽能无级
28、平滑调 速，但调速范围小； (3)调节电枢电压 U，从而改变转速。属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统。 在这几种方法中，改变电阻只能有级调速，而且缺点很多，目前很少采用；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速 (额定转速 )以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。改变电枢电压主要有三种方式：旋转变流机组、静止变流装置 (晶闸管变流装置 )、PWM(脉宽调制 )变换器 (或称直流斩波器 )。 (1)旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机 组以获得可调直流电压，简称 G.M系统。 G.M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行
