1、吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业毕业 设计论文纸 共 31 页 第 1 页 装 订 线 第一章 绪论 1.1 课题研究意义 随着工业技术的发展，伺服控制系统在许多工业控领域如激光加工、机器人、精密机床雷达武器传动系统等取得了非常广泛的应用。 永磁无刷直流电动机是用电子换向代替传统的机械换向的一种新型机电一体化电机，性能上保持了普通直流电动机的优点，而又克服了其缺点。无刷 直 流电动机具有没有换向火花、电磁噪声小，并且体积小、重量轻、维护方便以及高效节能等一系列优点。经过几十年的发展，其它种类的电动机被其取代趋势不可避免。在高性能、高可靠性的场合已经取代直流电机，在高速度、高精度
2、、高分辨率和 高可靠性的数控机床伺服系统中，它的闭环系统已取代了步进电机。因此永磁无刷直流伺服控制系统在工业上具有很广阔的应用背景和研究意义。 一些工业场合要求控制对象能高速定位，快速起停车，且定位要求精准， 且要满足抗干扰能力、快速响应、稳定性好、负载能力强、工作频率范围大等伺服系统基本性能。要做到高速定位，需要对驱动器或运动控制器提供高速位置锁定输入，通过高速定位模块检测主轴的速度和位移，控制伺服轴的速度，完成主频主轴和伺服轴高速同步。 随着控制技术的发展，以及对伺服系统的性能不断升级要求。人们将计算机与伺服控制 系统相结合，使计算机成为伺服系统中的一个环节。这样开始使伺服系统向着智能化的
3、方向发展。利用计算机构成数字伺服控制系统，是近代直流伺服控制系统的一个发展方向。 1.2 DSP 在直流电动机控制中应用 数字化电机控制技术的发展使得电机这一古老的机电能量转换装置得到新的发展和广泛应用，并极大地提高了工农业生产效率，改善了人们的生活质量。随着新材料、新工艺和新技术的不断出现和发展， DSP 电机控制技术也是日新 异地发展，尤其是在要求精度高及实时性好的环境中正不断地替代传统的单片机电机控制系统。 在 DSP 直流伺服电机控制系统 中，脉宽调制 (Pulse Width Modulation,简称 PWM)控制、向量变换控制、空间向量调制和直接转矩控制等技术的采用及实现越来越普
4、遍 。 DSP 的发展及其高速运算能力为电机控制复杂算法的高速实时实现提供了硬件保障。由于 DSP 芯片内部集成了模 /数转换、数字输入 /输出 等接口，因此使得电机控制系统硬件设计更加灵活、简易。 DSP 数字化直流伺服电机控制系统缩小了原来采用仿真器件的系统体积且提高了可靠性，随着控制系统的生产批量增大，软硬件成本低的优势越来越显著。 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业毕业 设计论文纸 共 31 页 第 2 页 装 订 线 第二章 DSP 芯片与电动机的 DSP 控制概述 目前，各种各样的控制系统、通信系统、网络设备、仪器仪表等等，都是以微处理器为核心的。随着大规模集成电路技
5、术的不断发展，微处理器的性能越来越高、体积越来越小、系列越来越多。微处理器一方面由 8位向着 16 位、 32 位、 64 位发展，另一方面微处理器与外围设备集成到一块芯片上以单片机形式适应控制器体积越来越小的工程要求。单片机不但小巧、成本低，而且由于将众多的设备集成到了一块芯片上，带来了功耗 小和抗干扰能力强的优点。 2.1 数字信号处理器的发展与现状 数字信号处理器 DSP(Digital Signal Processor)是一款高性能的单片机，它将中央处理单元、控制单元和外围设备集成到一块芯片上。 DSP 最早是针对数字信号处理，特别是语音、图象信号的各种处理而开发的。由于这类信号处理的
6、算法复杂，要求 DSP 必须具有强大快速的运算能力。因此 DSP 有别于普通的单片机。它采用了多组总线技术实现并行运行机制，从而极大地提高了运算速度，也提供了非常灵活的指令系统。近年来，各种集成化单片 DSP 的性能不断得以改进，相应的软件和开发工具日臻完善，价格迅速下降，使得 DSP 在控制领域的应用备受关注。 2.2 DSP 芯片的特点 (l)哈佛结构 早期的微处理器内部大多采用冯 .诺依曼 (Von Neumann)结构，其片内程序空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。当高速运算时，不但不能同时取指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。而 DSP
7、 内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛 (Havard)结构，允许同时取指令 (来自程序存储器 )和取操作数 (来自数据存储器 )。而且，还允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据，即改进的哈佛结构。 (2)多总线结构 许多 DSP 芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证 在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间。对 DSP 来说，内部总线是个十分重要的资源，总线越多，可以完成的功能就越复杂。 (3)流水线结构 DSP 执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作数和执行等几个阶段。在 DSP 中，采用流水线结构。在程序运行过程中这几个阶段是重叠的， 这样，在执行本条指令的同时，还依次完
8、成了后面 3 条指令的取操作数、译吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业毕业 设计论文纸 共 31 页 第 3 页 装 订 线 码和取指的操作，将指令周期降低到最小值。利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理器中用的最多的乘且累加运算可以在单个指令周期内完成。 (4)多处理单元 DSP内部一般都包括多个处理单元，如算术逻辑运算单元 (ALU)、辅助寄存器运算单元 (ARAU)、累加器 (ACC)以及硬件乘法器 (MUL)等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。因此， DSP 在进行连续的乘法运算时，每一次乘加运算都是单周期。 DSP 的这种多处理单元的结构，特别适
9、用于 FIR和 IIR 滤波器。 (5)特殊的 DSP 指令、 指令周期短，运算精度高，硬件配置强。 2.3 TMS320F281X DSP TMS320F28XDSP 控制器，是 TI公司 最新推出的数字信号处理器，该系列处理器是基于 TMS320C2 内核 的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。同时代码和指令与 F24X 系列数字信号处理器完全兼容，从而保证了项目或产品设计的可延续性。归纳起来， TMS320F281X 系列 DSP 有以下特点： TMS320F281X 系列采用高性能的静态 CMOS 技术 主频达 150MH
10、Z(时钟周期 6.67ns） 低功耗设计 Flash 编程电压为 3.3V 支持 JTAG 边界扫描接口 高性能 32 位 CPU 16X16 位和 32X32 位的乘法累加操作 哈佛总线结构 快速 中断响应和处理能力 统一寻址模式 4MB 的程序 /数据寻址空间 高效的代码转换功能 (支持 C/C+和汇编 ) 与 TMS320F24X/F240X 系列数字信号处理器代码兼容 片上存储器 最多达 128Kx16 位 (F2812)的 Flash 存储器 最多达 128Kx16 位的 ROM 1Kx16 位的 OTP ROM L0 和 L1：两块 4Kx16 位的单周期访问 RAM(SRAM)
11、H0：一块 8Kx16 位的单周期访问 RAM(SRAM) M0 和 M：两块 1x16 位的单周期访问 RAM(SRAM) 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业毕业 设计论文纸 共 31 页 第 4 页 装 订 线 引导 (BOOT)ROM 外部存储器扩展接口： 最多 1MB 的寻址空间可编程等待周期可编程读 /写选择时序 3个独立片选信号 时钟和系统控制： 支持动态改变锁相环的倍频系数 片上振荡器。看门狗定时模块 三个外部中断 外设终端扩展模块支持 45个外设终端 三个 32位 CPU 定时器 128 位保护密码： 保护 Flash/OTP/ROM 和 L0/L1/SARAM
12、中的代码防止系统固件被盗取 电机控制外设，两个与 F240xA 兼容的事件管理器模块，每一个模块包括： 两个 16 位的通用目的定时器 8 通道 16 位的 PWM 串行通信外设： 串行外设接口 (SPI) 两个 UART 接口模块 (SCI)增强的 eCAN2.0B接口模块多通道缓冲串口 (McBSP) 12 位模数转换模块： 2x8 通道复用输入接口两个采样保持电路单 /连续通道转换流水线最快转换周期为60ns，单通道最快转换周期为 200ns可以使用两个事件管理器顺序触发 8对模数转换 高达 56个可配置通用目的 I/O 引脚 先进的仿真调试功能：分析和断点功能硬件支持适时仿真功能 低功
13、耗模式和省电模式：支持 IDLE,STANDBY,HALT 模式禁止外设独立时钟 179 引脚 BGA 封装或 176 引脚 LQFP 封装（ F2812） 128 引脚 LQFP 封装 (F2810) 2.4 DSP 系统的结构特点 DSP 系统以数字信号处理为基础，因此它不仅具有数字信号处理系统的全部优点而且还具有其自身的特点 (1)接口方便。 DSP 系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多 。 (2)编程方便。 DSP 系统中的可编程 DSP 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级
14、。 (3)稳定性好。 DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高 。 (4)精度高。 16位数字系统可以达到 1032 的精度 。 (5)可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业毕业 设计论文纸 共 31 页 第 5 页 装 订 线 字系统不受此影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产 。 (6)集成方便。 DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 所有这些突出的优点己经使其在众多领域得到越来越广泛的应用。 2.5 电动机驱动系统的基本功能 随着电动机统一理论和机、电一体化理论的发展
15、，大量电力电子元器件、集成电路和 模块的实现，现代控制理论和计算机技术的应用，使得对电动机驱动理论和技术的研 究进入了一个全新阶段。原来能够实现的驱动方案，现在能够更完善的实现，如直流电动机由调相调压方式到采用脉宽调制驱动系统。原来难以实现的驱动方案，现在能够比较容易地实现，如感应电动机采用逆变驱动器的变频调速和串极调速能量回馈系统；原来不可能实现的驱动方案现在已成为现实，如感应电动机矢量变换和变结构驱动系统以及开关磁阻电动机调速驱动系统等。这些优秀电动机驱动系统的研制和开发应用已成为高效节能、性能优异的新技术 产业的重要分支。 依据法拉第电磁感应定律实现机电能量转换的机电动力系统首先是一个电
16、磁耦合系统。与机械端口相连、以相对运动方式实现机电能量转换的电磁耦合系统即所谓机电耦合系统。机电耦合系统如图 2-1所示。 图 2-1 机电耦合系统 在过去，通常意义上的电动机系统如图 2-1 所示，对于交流电动机其运行是通过电端口加入固定频率工频电源。对直流电动机是根据该电动机设计的额定参数，经过整流单元将工频电源转换为直流电压加入到电动机的电枢两端。这样无论是以感应电动机、同步电动机为代表的交流电动机，还是以直流电动机所输出其 固有的自然运行特性。而现代电动机系统实际上是在上述的机电耦合系统中加入驱动系统，具有电能变换的机电耦合系统如图 2-2 所示。在一个实际电动机系统中，驱动系统能够按
17、着一定的控制要求，根据电动机电系统状态变量、磁系统状态变量和机械系统状态变量的情况，调整电动机运行状态，其调整对象是图 2-2 中电端口的电压、电流、频率、相位等，使电动机运行特性满足要求。从整个运行情况看，电动机系统已呈现出一种较为理想的运行特性 称为人工特性。这也说明通过驱动系统使传统的感应电动机、同步电动机和直流电动机系统实现了由自然特性向人工特性 的转变。 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业毕业 设计论文纸 共 31 页 第 6 页 装 订 线 图 2-2 具有电能变换的机电耦合系统 从目前的发展情况看，电动机驱动系统不仅仅应用在感应电动机、同步电动机或直流电动机系统中，
18、同时也应用于一些驱动系统和电磁耦合系统构成独立电动机系统中（也称为一体电动机），这种电动机系统的特点是电动机本体脱离驱动系统不能独立运行。这样的电动机系统包括步进电动机系统、开关磁阻电动机系统和超声波电动机系统。 2.6 电动机驱动系统的基本结构 图 2-3 示出了电动机驱动系统的基本结构。驱动装置是将具有一定电压、电流或频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流或可调频率 电源能量的功率装置，起到电能变换和控制的作用。 图 2-3 电动机驱动系统的基本结构 在图 2-3 中，调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动，通过硬件和软件采用满足控制要求的算法或校正量，以提高系统的静态和动态性
19、能，校正系统输出偏差；反馈装置用以检测和变换反馈信号，在电动机驱动系统中主要反馈量有电压、电流、转速、转矩、磁通和转子位置等；控制装置是根据给定信号和反馈信号产生所需要的控制指令和偏差信号。 从图 2-3 可以了解到，电动机驱动系统主要是由控制、调节、变流和反馈等部分构成。这 些环节的结构和工作原理与具体驱动的电动机相关。对不同的电动机系统，这些环节的结构形式也不同。 第三章 伺服控制系统控制器设计 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业毕业 设计论文纸 共 31 页 第 7 页 装 订 线 3.1 电流、转速、位置三闭环设计思想 伺服系统是指以 机械位置或角度作为控制对象的自动控制
20、系统 。它最基本的性能要求是系统的快速性和准确性。但是系统的快速性和准确性往往是一对矛盾。当系统对快速性的要求过高时，必将在准确性上有所下降，在准确性上要求过高时，必将使系统的快速性有所损害。为了在这两个方面都有比较好的性能指标，我们采取按偏差分段控制算法。希望系统在大偏差的情况下能够快速跟踪给定 变化，使快速性占主导地位 。 在小偏差的情况下，为能够准确定位，精确性占主导地位。 我们知道控制系统在开环控制方式中，控制作用直接由系统的输入量产生，控制精度完全取决于所用的元件及其校准精度。在控制过程中，即使输出偏离了期望值，也没有自动校正偏差的能力，抗扰动性能较差。因此在伺服控制系统中，为了保证
21、精确性，输出量 (位置或者其导数 )的反馈控制是不可 缺少的。 从系统的快速性方面考虑 ，伺服系统希望以最大的速度快速跟踪跟定。同样，在速度开环的伺服控制系统中，当负载变化或者有扰动时，系统的跟踪速度都会与设定速度产生偏差， 如果不能及时补偿，必将影响系统的快速性。而速度开环系统是无能为力的。 因此为了保证系统的抗扰动性和快速性，必须是速度闭环。 在伺服系统中，为了提高系统的快速性，首先它的伺服电动机要有快的反应速度，工作稳定性好。所以设计伺服系统时，尽量的缩短电机启动过程的时间是提高伺服性能的一个重要途径。 电动机在启动 的时候以电机允许过载电流启动，使电动机以最快的速度达到给定转速，然后再
22、在负载电流下工作，这是在电流受限的条件下调速系统所能达到的最快的启动过程。因此，希望电动机的理想启动电流和转速波形如图 3-1 所示。图中 Idm 是 给定的电机的允许过载电流，与是电机的负载电流， n 为电机的给定转速。从图 3-1 可以看出，为了实现电机在允许的条件下最快起动，关键是 要获得一段使电流保持为最大值 dmI 的恒流过程。那么采用电流负反馈就应该得到近似的恒流过程。这是设计电流环的基本思想。 dIO tnndmIdlI吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业毕业 设计论文纸 共 31 页 第 8 页 装 订 线 图 3-l转速、电流理想波形图 实际上，由于主电路电感的作
23、用，电流不能突变，所以图 3-1 的理想波形只能近似的逼近，不能完全实现。 为了实现位置、转速、电流三闭环反馈控制分 别起作用，在系统中设置三个调节器，分别调节位置、转速和电流。三者之间实行 串级连接 。 位置环为最外环，速度环为第二环，电流环为最内环。 把位置调节器的 输出作为速度调节器的给定 输入 ，把速度调节器的 输出 作为电流调节器的给定输入。 3.2 直流电动机的额定参数 3.2.1 直流电动机的基本参数 取 电枢电动势 aa UE )97.093.0( 所以 aE 0.94 220=206.8(V)， 电机过载倍数为 =1.5，电机的最大工作电流： max.dI 1.5 dmI 1
24、 8 .6 (A )1 .51 2 .4= (3-01) 额定输入功率： KW2 . 7 1 681.0 102.2 31 NNPP (3-02) 直流电动机时间常数： 1m in/0 . 4 5260 18/9 7 260 rVapNC e (3-03) p 为电机极对数， N为每槽导体数， a为并联支路数 0 . 1 3 7 8 61 5 0 08.2 0 6 NaNe nEC (3-04) 电动机电枢电阻： 1 . 0 6 4 506.0 N NI UR (3-05) 理想空载转速： r / m in1 5 9 5 . 8 2 1 20 . 1 3 7 8 62 2 00 Ne NCUn
25、 (3-06) 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业毕业 设计论文纸 共 31 页 第 9 页 装 订 线 额定转速降： r / m in9 5 . 8 21 5 0 082.1 5 9 50 NN nnn (3-07) 静差率（转速变化率）： 0 .0 682.1595 82.950 nn N (3-08) 调速范围： 1 . 0 0 0 0 506.0182.95 06.01 5 0 01 n nD N (3-09) 电动机额定轴上输出的额定转矩： mN1 4 . 0 0 6 71 5 0 0102.255.955.9602 32 NNNNNNNNTN nPnPPICT (3-
26、10) 3.2.2 确定时间常数 电机电枢电感 3102 NNND IpnUKL mH4 . 1 5 6 9 71 5 0 04.122 102 2 07.0 3 (3-11) 通常快速无补偿电动机乘积系数取 KD取 0.7，磁极对数 p=1。 电磁 时间常数为： ms3 . 9 0 50645.14 . 1 5 6 9 7 RLTl(3-12) 式中， R是电枢电阻； L是电枢回路总的电感，包括电枢电感 。 飞轮转矩 ： mN1 . 0 3 0 9 680.90263.0442 gJGD (3-13) 机电时间常数： s1 6 . 1 2 3)(55.9375 22 mCRGDT em (3
27、-14) 3.2.3 静态参数计算 稳态运行时系统无静差，转速由给定电压 VUnfm 10 决定，电枢电流由系统负载 决定。 转速反馈系数： )m i n /(007.01500/10/ rVnU nmn fm (3-15) 电 流 反 馈 系 数 ： )/(5 3 8.06.18/10/ AVIU dmim (3-16) 其中 imU , fgmU 分别为 ASR 与 ACR 的输出限幅值， nmn 为最高转速， dmI 最大吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业毕业 设计论文纸 共 31 页 第 10 页 装 订 线 电流。 3.3 电流、转速调节器设计 3.3.1 电流环的设计
28、 (1) 确定时 间常数 电机起动电流： A2 0 6 . 6 6 9 80 6 4 5.1 2 2 0 aSS RUI (3-17) 起动电流与额定电流的比： AII Nss 1 6 . 6 6 6 94.12 6 6 9 8.2 0 6 (3-18) 功率晶体管放大区的额定时间常数： sfT ce 1 5 9.01014.32 12 1 6 (3-19) 电流上升时间： sk kTt cer 103.095.02 2ln159.095.0ln 1 1 (3-20) K1 是晶体管导通时的过饱和驱动系数，一般取 1.5 2。 电流下降时间： skkTt cef 0 6 1.0205.0 21ln1 5 9.005.0 1ln 22 (3-21) K2 是晶体管截止时的负向驱动系数，一般取 1 2。 最佳开关频率为 ( k H z )2 4 76.100 6 1.01 0 3.0109 0 5.3 6 6 6 9.163 3 2.03 3 2.0 3 6623 2 frl sop ttTf (3-22) 开关频率 f 选为 6.2KHz，此开关频率以满足电流连续要求。开关周期：
