基于DSP直流斩波调速系统的设计与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 4.03MB 76 页 15积分
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .........................................................1
§1.1 课题的研究背景及意义 ....................................... 1
§1.2 直流斩波调速系统的特点及方式 ............................... 2
§1.3 直流斩波调速系统的电力驱动技术 ............................. 3
§1.3.1 直流斩波调速系统中的电动机技术 ........................ 3
§1.3.2 直流斩波调速系统中的电力电子技术 ...................... 6
§1.3.3 直流斩波调速系统中的控制技术 .......................... 7
§1.4 国内外研究现状 ............................................. 8
第二章 直流斩波器控制直流电机调速系统分析 ........................... 10
§2.1 直流斩波器基本工作原理 ..................................... 10
§2.2 直流斩波器工作模式 ....................................... 11
§2.2.1 直流斩波器工作电动状态 ............................... 12
§2.2.2 直流斩波器工作制动状态 ............................... 13
§2.2.3 直流斩波器轻载电动状态 ............................... 14
§2.3 直流电动机的调速方法 ...................................... 15
§2.4 本章小结 .................................................. 15
第三章 直流斩波调速器系统框图的研究设计 ............................. 16
§3.1 控制电路板部分的研究设计 .................................. 17
§3.1.1 主控制电路部分 TMS320F2812 的研究设计 ................. 17
§3.1.2 I/O 板电路部分的研究设计 ............................. 19
§3.2 主电路部分的研究设计 ...................................... 20
§3.3 人机操作面板部分的研究设计 ................................ 21
§3.4 本章小结 .................................................. 22
第四章 直流斩波调速控制器硬件电路设计 ............................... 23
§4.1 DSP 辅助电路 .............................................. 23
§4.1.1 JTAG 测试接口电路 ................................... 23
§4.1.2 供电电路 ............................................. 23
§4.1.3 时钟电路 ............................................. 24
§4.2 存储器扩展电路 ............................................ 24
§4.3 通信 RS-485 扩展电路 ....................................... 25
§4.4 EEPROM 与实时时钟 RTC 扩展电路 .............................. 26
§4.5 外围接口扩展电路 .......................................... 27
§4.6 I/O 接口板处理电路 ......................................... 28
§4.6.1 电源电路 ............................................. 29
§4.6.2 PWM 驱动信号和 IGBT 故障信号的处理电路 ................ 29
§4.6.3 输出驱动信号电路 ..................................... 30
§4.6.4 转速给定和霍尔电压输入信号电路 ....................... 30
§4.6.5 过压、欠压信号电路 ................................... 31
§4.7 关键电路看门狗 WD 的设计电路 ............................... 32
§4.8 本章小结 ................................................... 35
第五章 直流斩波调速控制器软件开发及调试 ............................. 36
§5.1 调速控制器软件开发概述 .................................... 36
§5.2 DSP 底层程序的开发 ........................................ 37
§5.2.1 DSP 核心程序 ......................................... 37
§5.2.2 底层系统配置程序 ..................................... 38
§5.3 软件模块化开发 ............................................ 41
§5.3.1 PWM 控制模块 ......................................... 42
§5.3.2 故障处理模块 ......................................... 44
§5.3.3 数据处理模块 ......................................... 48
§5.4 电机启停运动算法（S 曲线）程序 ............................. 51
§5.5 本章小结 .................................................. 57
第六章 总结与展望 ................................................... 58
§6.1 总结 ...................................................... 58
§6.2 展望 ...................................................... 59
附录一：直流斩波调速系统电路硬件原理图 .............................. 61
附录二：直流斩波调速系统电路硬件 PCB layout 图 ....................... 66
附录三：直流斩波调速系统硬件控制系统实物图 .......................... 67
附录四：直流斩波调速系统 S 曲线控制 C 程序与直线加减速度控制 C 程序 .... 68
参考文献 ............................................................ 73
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 75
致谢 ................................................................ 76
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的研究背景及意义
目前我国煤矿使用蓄电池机车的调速控制基本上是采用直流串励电机调速和
可控硅脉冲调速。由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如
交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直
流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术
和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系
统。但是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许
多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建
筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流
调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调
速系统的基础。然而传统的调速方法，改变电阻调速缺点是机车运行时耗能大，
触头易损坏,经济效益差,调速不平稳;可控硅调速工作频率低,缓冲回路复杂且维
修精度高。目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高
或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速
配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往
往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。
随着电力电子技术的发展,以大功率半导体器件IPM (智能功率模块)、功率器
件IGBT等为主开关元件、以DSP微处理器为控制核心的直流斩波调速方式可以简化
电路,提高调速的可靠性和调速性能。近几年来，各种智能化的产品日益走入寻常
百姓家。为了实现产品的便携性，低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用
相当广泛，使用提供的直流电机调整和PWM实现方法的基础上，提供一种软件实现
PWM的调速方法。
鉴于以上分析，采用以DSP数字控制方式。使用TI公司的TMS320F2812是定点
DSP数字信号处理器，这一方面由于选择的DSP 2000系列芯片是专门针对电机控制
的需要而设计的。
DSP2812的电机控制方面的特点:不但具有高速信号处理和数字控制功能所必
需的体系结构，而且具有为电机控制应用提供单片解决方案所必须的高速的外围
设备——事件管理器（EV）和集成的高速模拟外设（A/D），作为电机控制系列专
用高端产品，在实现电机控制中能充分利用其高精度处理器的优势，更好地发挥
基于 DSP 直流斩波调速系统的设计与实现
2
电动机的控制特性。
针对运动控制向高速发展的同时，运动电机的调速过程中，提出一种柔性加
减速控制方法，该方法可按用户给定的任意加减速曲线或系统动态生成的加减速
曲线对系统控制对象的运动进行自动加减速控制，为获得最佳的动态特性提供一
条新的途径。传统的加减速控制算法有直线型加减速和指数型加减速两种，这两
种加减速在系统启动和加减速结束时存在加速度突变，产生冲击，因而不适合用
于高速、高效数控系统。本文提出S型曲线柔性加减速算法，通过对启动阶段即告
诉阶段的加减速衰减，来保证电动机性能的充分发挥和减小启动冲击。
§1.2 直流斩波调速系统的特点及方式
随着电力电子器件的不断迅速发展，从不控型整流管到半控型晶闸管（SCR）、
80 年代中后期以来的门极可关断全控型晶闸管（GTO）、巨型晶体管 GTR 到绝缘门
极双极型晶体管 IGBT 等的研制成功，从而便研制、开发出了功率等级不同的将驱
动、保护、自我检测及功率输出集于一体的变频调速产品。变频调速装置一出现
就以其优秀的调速性能及明显的节电效果迅猛发展，并逐步取代的过去的滑差调
速、整流子电机调速、串级调速、中频发电机组及直流调速装置。因而，世界上
各国都非常重视其发展。
以下从软件控制算法方面和硬件选型方面简述调速系统的方式：
1).软件控制算法方面:
在数控系统的控制角度看，要实现高速控制，必须采用加减速度控制。目前
传统的数控系统一般采用指数曲线加减速度控制或直线加减速控制方法。在启动
时候和减速结束时候，容易产生冲击。为了解决这种冲击，在电动机车加减速启
动阶段和结束阶段，使速度变化更加具有柔和性，从而适应电动机性能。减小对
负载和主电路及控制电路的冲击，即称为 S 曲线加减速度的控制方法。
对高速进给的S曲线加减速算法进行了研究，通过该算法使数控电动机速度变
化尽可能的平稳，实现了系统加减速的柔性控制。并给出了该算法在基于DSP的运
动控制器实现方法，经过在数控系统的硬件平台使用证明，该算法启动平稳，减
轻了在加减速度过程中对负载及主电路和控制电路的冲击，提高了对电动机的使
用寿命。
2).硬件选型方面:
传统的PWM脉冲控制系统是由模拟电路组成的，通常采用比较廉价的模拟元件
进行设计，结构复杂、成本高、控制不灵活、可靠性差。而且在这类模拟系统中，
第一章 绪论
3
存在以下几点不足：对于任何模拟系统而言，老化和温漂,都会使系统需要不断地
维护和调节；系统的稳定性随着系统的复杂程度和元器件数目的增加而降低；模
拟控制策略的应用受到限制，很难实现系统自适应控制和实时性控制策略；此外，
系统升级意味着系统硬件的改动，而采用这类系统实现比较困难。以单片机为主
控芯片的系统只能处理信息量不大的简单系统，对于要求存储多种数据并具有快
速、实时处理能力的场合就明显不够。
§1.3 直流斩波调速系统的电力驱动技术
直流电动机由于具有良好的调速特性、较宽的调速范围,长期以来在要求调速
的地方,特别是对调速性能指标要求较高的场合,例如轧钢机、龙门刨和高精度机
床等中得到了广泛的应用。
本文从直流斩波调速系统中的电动机技术、电力电子技术、控制技术、三方
面来介绍电力驱动技术的核心。
§1.3.1 直流斩波调速系统中的电动机技术
电动机是工业自动化和电气化设备中最基本也是最重要的部件之一，不难列
出许多电动机的应用例子：洗衣机、洗碗机、抽油烟机、录像机、VCD、随身听、
计算机硬件中的软驱、硬盘、散热风扇、各种金属加工机床的拖动等等。
电动机根据它使用的电源可分为交流和直流两大类。其中直流电动机由于其
在控制性能方面的优势，在 20 世纪 70 年代以前一直在控制要求较高的电力拖动
领域占踞主导地位，近几年来虽然这种情况因交流电动机控制技术的巨大进步已
有很大改变，但直流电动机在近代工业中的地位仍然十分重要。例如在一辆豪华
轿车中就使用了多达 80 多台的直流电动机作各种辅助自动控制的驱动。
如下图所示：直流电动机的物理模型：
基于 DSP 直流斩波调速系统的设计与实现
4
N
φ
φ
S
i
a
b
c
d
F
F
i
i
+
-
n
电动机模型1
主磁极
电枢
气隙
图1.1 直流电动机模型
电动机基本结构
1、主磁极 2、电枢绕组 3、电枢铁心
4、换向器 5、换向极 6、电刷装置 7、机座
同一直流电机即可作发电机运行，也可作电动机运行，关键在输入功率的性
质；发电机原理和电动机原理总是同时出现的。发电：输出电功率同时导体元件
中产生电流依电动机原理产生反转矩；平衡原动机拖动转矩，使发电机转速稳定。
电动：轴上输出机械功率同时导体元件在主极下运动产生反电动势。平衡外加电
源电压，限制导体元件电流和电动机电磁转矩，平衡负载转矩，使电动机转速稳
定。
直流电动机所涉及到以下几个的额定参数：
额定电压
n
U
：额定工况下加在电枢绕组上的工作电压。（V、kV）
额定电流
n
I
：额定工况下长期运行的最大电枢电流。（A）
额定功率
n
P
：额定工况下电机轴上允许长期输出的最大机械功率。（W、kW）
n
：额定工况下直流电动机的工作效率。
n n n n
p U I
(1-1)
额定转速
n
n
：额定工况下电动机的运行速度。（r/min）
额定转矩
n
T
：额定工况下电动机轴上的输出转矩。（N·m）
n
n
nn
P
T9550
；
n
P
的单位为 kW。 （1-2）
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.........................................................1§1.1课题的研究背景及意义.......................................1§1.2直流斩波调速系统的特点及方式...............................2§1.3直流斩波调速系统的电力驱动技术.............................3§1.3.1直流斩波调速系统中的电动机技术........................3§1.3.2直流斩波调速系统中的电力电子技术.....

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