1、 DSP 在 电 气 工 程 中 的 应 用 基于 DSP 的直流电机控制 班级 ： 电 气 0904 姓名 ： 邢 志 兵 学号 ： 3090501099 2012年 10 月 摘要 直流电机由于其优越的性能被广泛的加以应用。而随着新材料的 新工艺的发展直流电机的控制也不断得到完善。现在在电机控制领域得到 DSP 的大力支持，取得了巨大的成就。 本设计采用美国 TI公司专门为电机数字化控制设计的 16位定点 DSP控制器TMS320LF2407 作为微控制器。该芯片集 DSP 信号高速处理能力及适用于电机控制优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制技术提供可靠高效的信号处理与控制硬件。电机
2、的控制系统是由检测装置、主控制器、功率驱动器以及上位机组成，其中 DSP 控制器是电机控制系统的关键部分，负责对电机的反馈信号进行处理并输出控制信号来控制电机的转动。 论文首先 论述了直流电机的基本工作原理，组成环节，运行特性及其分类。根据控制系统的控制要求，选用 DSP240 作为驱动电机控制芯片 。根据直流电机的特点和 DSP 芯片的功能，提出了基于 DSP 的直流电机控制方案。然后根据设计方案的要求对控制系统的软件和硬件做了详细的论述。 关键词： 直流电机，单片机 ,数字信号处理（ DSP） 一、概述 1.1课题研究目的及意义： 长期以来，直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。
3、由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高质高效的平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其它电动机的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍无其它电动机可比。 在控制系统的构成上，本课题对硬件电路进行了设计，而这个硬件系统具有一定的通用性，也即可以将它作为一个硬件平台，在其它过程控制中应用。另外，由 DSP 的特点量身订做，可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计，进而来构成硬件系 统，这样既便于设计思想的物化，又使得设计系统更加紧凑，不浪费资源。 本直流电机控制系统采用经典的数字增量式 PID控制算法，在本文中对数字增量式 PID 控制的理论、设计和实现进行了较为详细的论述。 1.
4、2课题研究现状： 近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。除了人们己经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的 微型电机等等。另一方面，由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高，如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子。 在实际中，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。例如在工业自动化、
5、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是“运动控制”。运动控制使被控机械 实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展。 电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想，因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。数字控制器与模拟控制器相比较
6、，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。 随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对 电机控制产品需求的增加用户也不断提高对电机控制技术的要求 5。总是希望能在驱动系统中集成更多的功能，达到更高的性能。许多设备试图使用 8 位或是准 16位的微处理器实现电机的闭环控制，然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现。例如，在很多领域（如工业、家电和汽车），用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机。这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现。但是这可能超出上述微处理器的计算能力。 使用高性能的数字信号处理器（
7、DSP）来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求 是目前较为普遍的做法。将一系列外围设备如模数转换器（ A/D）、脉宽调制发生器（ PWM）和数字信号处理器（ DSP）集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的 DSP 芯片。近年来，各种集成化的一单片 DSP的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好，价格却大幅度降低。低端产品的价格已接近单片机的价格水平，但却比单片机具有更高的性能价格比。越来越多的单片机用户开始选用 DSP 器件来提高产品性能， DSP 器件取代高档单片机的时机己成熟。 1.3课题研究的内容以及方法介绍： 本文主要研究基于 DSP 的直流电机控
8、制系统，通过控制算法和调速方法的分析，利用电机调速、 DSP 芯片控制、上位机通信、按键模块等的基本原理及相关知识，实现对电机的速度控制。整个系统的基本思想就是利用 DSP 内部资源产生可控制的脉冲控制整流电压，改变串入主回路中的直流电动机的电磁转矩，实现电动机的转速调节。研究内容包括如下： （ 1）电机控制系统功能实现的分析； （ 2）控制算法与调速方法的分析与设计； （ 3）电机驱动、电源模块、按键模块、测速、显示模块的硬件设计与实现； （ 4）系统主程序、按键扫描、控制算法、测速、电机速度控制等程序的分析 、设计与实现； （ 5）电机控制系统整机测试与实现； 二、 直流电机原理 直流电机
9、里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。 2.1直流电机的结构 由直流电动机和 发电机 工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由 定子和转子 两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为 定子 ，定子的主要作用是产生 磁场 ，由机座、主 磁极 、换向极、端盖、轴承和 电刷 装置等组成。运行时转动的部分称为 转子 ，其主要作用是产生 电磁转矩 和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为
10、电枢 ，由转轴、电枢铁心、 电枢绕组 、 换向器 和风扇等组成。 2.1.1. 定子 （ 1）主磁极 图 1.1 1 换向器 2 电刷装置 3 机座 4 主磁极 5 换向极 6 端盖 7 风扇 8 电枢绕组 9 电枢铁心 主磁极的作用是产生 气隙磁场 。主磁极由主磁极铁心和 励磁绕组 两部分组成。铁心一般用 0.5mm 1.5mm 厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分 称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。 （ 2） 换向极 换
11、向极的作用是改善换向，减小 电机 运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极 绕组 组成，如 8.6所示。换向极绕组用 绝缘导线 绕制而成，套在换向极铁心上， 图 8.5 主磁极的结构 换向极的数目与主磁极相等。 （ 3） 机座 电机定子的外壳称为机座，见图 8.4 中的 3。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用； 1 主磁极 2 励磁绕组 3 机座 二是机座本身也是 磁路 的一部分，借以构成磁极之间磁的通路， 磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊
12、接而成。 （ 4）电刷装置 电刷装置是用来引入或引出直流电压和 直流电流 的，如图 8.7 所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷 杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。 图 1.6 换向极 图 1.7 电刷装置 1 刷握 2 电刷 3 压紧弹簧 4 刷辫 1 换向极铁心 2 换向极绕组 2.1.2. 转子 (电枢 ) （ 1）电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由 0.5mm 厚的硅钢片冲制而
13、成的冲片叠压而成 (冲片的形状如图 8.8(a)所示 )，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组 。 （ 2）电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的 关键部件 ，所以叫电枢。它是由许多 线圈 (以下称元件 )按一定 规律连接而成，线圈采用高强度 漆包线 或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图 8.9所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带
14、进行绑扎。 （ 3）换向器 在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加 直流电源 转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在 直流发电机 中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变 电动势 转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向 图 8.9 电枢槽的结构 片的紧固通常如图 8.10所示，换向片的下部做成鸽 1 槽楔 2 线圈绝缘 3 电枢导体 尾形，两端用钢制 V 形套筒和 V 形云母环固定，再用 4 层间绝缘 5 槽绝缘 6 槽底绝缘 螺母锁紧。 4）转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用
15、圆钢加工而成。 图 8.10 换向器结构 1 换向片 2 连接部分 图 8.11 单叠绕组 元件 1 首端 2 末端 3 元件边 4 端接部分 5 换向片 三、直流电机的励磁方式 3.1他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（ a）所示。图中 M 表示电动机，若为发电机，则用 G 表示。 永磁直流电机 也可看作他励或自激直流电机，一般直接称作励磁方式为永磁。 3.2并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（ b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端 电压 为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，
16、励磁绕组与电枢共用同一 电源 ，从性能上讲与他励直流电动机相同。 3.3串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（ c）所示。这种直流电机的励磁电流就是 电枢电流 。 3.4复励直流电机 复励直流电机 有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（ d）所示。若 串励绕组 产生的磁通势与 并励绕组 产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是他励和串励，其它励磁方式，在电子工业的不断完善下将逐渐被淘汰，直流发电机的主要励磁方式有他励、并励和复励方式。 四、基于 DSP
17、直流电机 控制方法 4.1.1DSP 芯片选择 直流电机的调速控制系统一般采用电机专用微处理器，其种类主要包括复杂指令集 CISC 处理器如工 NTEL196MX 系列单片微控制器，精简指令集 RISC 如日立公司 SH704x 系列单片微控制器，哈佛结构 DSP 处理器如 TI 公司 T145320F24X系列 DSP。一般用于直流电机控制的徽处理器性能要满足以下几个方面： （ 1）指令执行速度； （ 2）片上程序存储器、数据存储器的容量及程序存储器的类型； （ 3）乘除法、积和运算和坐标变换、向量计算等控制计算功能； （ 4）中断功能和中断通道的数目 ； （ 5）用于 PWM 生成硬件单元
18、和可实现的调制范围以及死区调节单元； （ 6）用于输入模拟信号的 A/D 转换器； （ 7）价格及开发环境。 DSP 一般采用哈佛或者改进的哈佛结构，程序空间和数据空间分离，程序的数据总线和地址总线分离，数据的数据总线和地址总线分离。这种结构允许同时访问程序指令和数据，在同一机器周期里完成读和写，并行支持在单机器时钟内同时执行算术、逻辑和位处理操作，极大地提高了执行速度，并且电机控制专用DSP 具备丰富的设备和接口资源。 TI 公司的 TMS320 系列 DSP 芯片是目前最有影响、最为成功的数字 信号处理器，其产品销量一直处于国际领先地位，是公认的世界 DSP 霸主。本论文选择了TI 公司的 TMS320LF2407DSP 作为直流电机控制系统的微处理器。 4.1.2 直流电机控制程序框图 4.1.3 直流电机正反转控制原理 如图示，当接通 A 组开关，电机正转（反转），当接通 B 组开关，电机反转（正转）。
