1、直流电机控制器设计 摘要 电动机作为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。尤其随着计算机技术和微电子技术的高速发展，电动机的控制策略也发生了深刻的变化，传统的模拟控制方法已逐渐被以微控制器为核心的数字控制方法所取代。采用微处理器， 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。 ABSTRACT Electromotor as the most important device which can convert the electrical energy into mechanial ones , have been pplied in all fields
2、 of our country.With the rapid development of computer techinc and micro electronics technic,control strategy of the electromotor have been profoundly changed.Traditional analog control has been replaced by digital control which is based on microcontroller. With modern technic like the microprocesso
3、r ,DSP and so on,digital control system have been developed rapidly. 第一章 引 言1.1 课题的背景及意义 直流电动机以其调速性能好、起动转矩大等优点，在相当长的一段时间内，在电动机调速领域占据着很重要的位置。随着电力电子技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势。但在中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机的速度控制，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。而且，随着科学技术的发展和国防现代化建设的要求，军队的武器装备正朝着高、精、尖的方向发展。在保证可靠性的前提下，要求
4、武器的控制精度越来越高，响应速度越来越快，环境适应性越来越强，控制部分的体积越来越小，操作也越来越简单。在许多武器装备中，直流电动机的应用极为广泛，因此直流电动机的控制系统就显得尤为重要。 随着计算机和微电子技术的不断发展与创新，信息化引领着时代的发展，而信息化的基础是数字化，对直流电动机控制系统进行数字化改造后与原有的模拟控制系统相比具有如下优点1： 1、数字控制系统的硬件标准化程度高，制作成本低； 2、数字控制系统不受器件温度漂移的影响，具有更强的抗干扰能力； 3、通过软件实现控制方案，可方便引入各种先进的控制规律如自适应、非线性、智能化等； 4、可用软件程序实现系统的监控保护、故障自诊断
5、、故障自修复等多种功能，大大降低了 系统的故障率，提高了系统的可靠性； 5、数字控制系统的体积小，重量轻，功耗也大大降低； 本设计使用的主控芯片是TMS320F28035，TMS320F28XX系列DSP是TI公司近年来推出的面向电机数字控制的32位定点数字信号处理器，其具有高速信号处理和数字控制所必须的体系结构特点，有为电机控制应用提供较多的外围设备。另外，DSP 的高速数据处理能力，使它可以执行一些高性能的复杂控制算法，减少传感器信号采样到控制命令输出之间的延迟，改善速度控制中的动态行为。 1.2 直流电动机驱动控制器的特点 直流电动机驱动控制器能够实时检测速度反馈信号和电流反馈信号，其技
6、术特点包括： 1、主控芯片采用电机专用 DSP 处理器，控制算法精确，性能优良。各种附加功能完善，进 一步扩展其他功能的能力充足。 2、综合采用各种新技术和新材料，整个电机驱动控制器体积小巧。 3、直流电动机启动平稳，对电源系统的冲激较小。 4、系统效率高，电机驱动控制器全功率输出时发热小，工作温升低。5、系统对外干扰低，耐受干扰的能力较强。1.3 本设计的主要工作 本次毕业设计所要完成的工作如下：1、完成对控制电路以及驱动电路的设计；2、用DXP绘制相关电路的原理图；3、对器件进行封装并绘制出本次设计的PCB板；4、研究控制算法，完成软件设计；5、撰写毕业设计论文。 第二章 直流电动机的结构
7、与工作原理2.1直流电动机的结构直流电动机的平面结构图如图2.1所示。途中A、B为电刷，1、2为换向片，N、S为主磁极，a、d为线圈及流过线圈的电流。 2.1 直流电动机的平面结构图直流电动机由定子和转子两个部分组成6。一、定子定子是直流电动机的静止部分。它包括主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等部件。1、主磁极：产生主磁场，永磁电机的主磁极直接由不同极性的永久磁体组成，励磁电机的主磁极则由主磁极铁芯和主磁极绕组两部分组成；2、换向磁极：产生附加磁场，以改善换向机的换向条件，减小换向器上的火花；3、机座：一方面作为电动机的磁路，另一方面用来在其上安装主磁极、换向磁极，同时也作为电动机的外壳
8、；4、端盖：在机座的两边各有一个端盖，端盖的中心处装有轴承，用来支持转子的转轴，端盖上还固定有电刷架；5、电刷装置：通过电刷与换向器表面之间的滑动接触，把电枢绕组中的电流引入或引出。二、转子直流电动机的转子又称为电枢，是电动机的旋转部分。由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等部分组成。1、电枢铁芯：由硅钢片叠压而成，其表面有许多均匀分布的槽，用来嵌放电枢绕组。其作用是提供磁路；2、电枢绕组：由许多相同的线圈组成，按一定规律嵌放在电枢铁芯槽内，并与换向器相连。其作用是产生感应电动势和电磁转矩；3、换向器：由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。其作用是把外界供给的直流电流转
9、变为绕组中的交变电流以使电动机旋转；4、转轴：一般用合金钢锻压而成，其作用是用来传递转矩；5、风扇：用来降低电动机在运行中的温升。2.2 直流电动机的工作原理 直流电动机的工作原理如图2.1所示，图中N和S是一对在空间固定的永久磁铁，在两个磁极之间装一个可以转动的圆柱铁芯，代表电动机转子，铁芯上固定线圈abcd。当电流经电源从电刷A换向片1线圈另一换向片2电刷B回到电源时，在线圈里电流流向为abcd。由左手定则可知，此线圈将受到逆时针方向的电磁转矩的作用，当该电磁转矩大于负载转矩时，转子就会逆时针方向转动。当转子位置转过180度时，ab边则由靠近N侧转向了靠近S侧，cd边则由靠近S侧转向了靠近
10、N侧。由于换向片与电刷接触的相对位置发生了变化，所以线圈中的电流方向也发生了变化，线圈中的电流方向为dcba。再由左手定则可知，线圈仍受到逆时针方向的电磁转矩的作用，使转子仍保持逆时针方向转动。电动机在旋转过程中，由于电刷和换向片的作用，直流电流交替的由线圈ab边和cd边流入，产生持续的逆时针方向的电磁转矩，使直流电动机连续旋转。 图2.2 直流电动机的工作原理图2.3直流电动机的控制原理 直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为： 式中，Ua为电枢供电电压(V)；Ia为点数电流（A）；为励磁磁通(Wb)；Ra为电枢回路总电阻()；Ce为电动势系数，P为电磁对数,a为电枢并联支路数,N为导体
11、数。由关系式可以看出，只要改变电枢电压Ua、电枢回路总电阻Ra、励磁磁通的大小就可以改变电动机的转速。因此，直流电动机有三种基本调速方法:改变电枢回路总电阻Ra;改变电枢供电电压Ua;改变励磁磁通。直流电动机的转速控制方法可分为两类13：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢电压控制法。本系统中所控制的电机为直流永磁电动机，因此只能选用电枢电压控制法进行控制，电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压来实现调速的。对电机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式:线形放大驱动方式和开关驱动方式。线
12、形放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线形区，这种方式的优点是:控制原理简单、对邻近电路干扰小，但是功率器件在线形区工作时，会将大部分电能转化为热能导致效率低下，散热问题严重。因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率直流电机的驱动4。为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可空性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统成为直流脉宽调速系统。它越来越广泛地应用在各种功率的调速系统中。直流脉宽调速的主电路采用脉宽调制型变换器，简称PWM变换器5。脉宽调制技术，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连
13、续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。图2.2就是最简单的PWM控制原理图。在图 2.3 (a)中，当开关管 MOSFET 的栅极输入高电平时，开关管导通，直流伺服电机电枢绕组两端有电压 Us。t1 时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电机电枢两端电压为零。t2 时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电机电枢绕组两端的电压波形如图 2.3(b)所示。在电源电压 Us 不变的情况下，电枢两端电压的平均值 Ua 取决于占空比的大小，占空比的大小就可以改变电枢两端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是 PWM调速原理。 （a
14、）原理图 （b）输入输出电压波形 图2.3 PWM调速控制原理和电压波形图 2.4 直流电动机速度控制的要求任何一台需要速度控制的设备，其生产工艺对控制性能都有一定的要求。例如重型铣床的进给机构需要在很宽的范围内调速，最高速可达600mm/min，而最低速只有2mm/min，最高速是最低速的30倍；高速造纸机要求抄纸速度达到1000m/min，稳速误差小于0.01%；等等。所有这些要求，都可以转换成速度控制系统的稳态或动态性能指标，作为设计系统时的依据。对于调速系统的速度控制要求归纳起来主要有一下三点：a.调速：在一定的最高转速和最低转速的范围内，能够进行分档地（有级）或平滑地（无级）调速。b
15、.稳速：以一定的精度在所需的转速上稳定运行，在各种可能的干扰下不允许有过大的转速波动。c.加、减速：频繁起动、制动的设备要求尽快地加、减速以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起动、制动尽量平稳。 第三章 控制电路的设计3.1 系统方案3.1.1 主控芯片的选择在嵌入式系统中，可选用的控制芯片很多，像单片机有 51系列，96 系列等，这些芯片应用广泛，价格也很便宜，并且在实际应用中，有很多例子可以参考，但缺点是速度不可能很快，需要扩展较多外围器件，增加了开发成本和研制周期；而DSP具有如下的优点：低成本，低功耗，高性能的处理能力；具有强大的外部通信接口（SCI、SPI、CAN）便于构成
16、打的控制系统；在一个指令周期可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；快速的中断处理和硬件I/O支持；具有在单周期内操作的多个硬件产生器；可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。因此，我们选用DSP芯片作为电机控制的主控芯片。3.1.2 系统总体框图控制单元电路是整个直流电动机驱动控制器的核心，主要包括微控制器DSP TMS320F28035、电源电路、复位电路、晶振电路、JPAG接口电路、CAN总线电路等。基本框图如图3.1所示
17、。 转速检测 A/D 上 位 机 CAN 电流检测 中央处理器 PWM PWM控制功率驱动电路DCM 图3.1 控制单元基本框图3.2 主控芯片TMS320F28035的介绍3.2.1 TMS320F28035的特点 TMS320F28035为一款最新的电机控制专用DSP芯片，它是TI公司在TMS320C2000平台上使用32位内核的DSP，实时处理能力强，能应用于很多复杂的控制算法；高性能低功率，应用起来更加灵活方便、快速，能满足多种通讯的需要，这些可省去复杂的外围电路，提高了系统的集成度和可靠性。它有如下的特性78：1.亮点; 高效 32 位中央处理单元(CPU)(TMS320C28xTM
18、) 60MHz 器件 3.3V 单电源 集成型加电和欠压复位 两个内部零引脚振荡器 多达 45 个复用通用输入输出 (GPIO) 引脚 三个 32 位 CPU 定时器 片载闪存，SRAM，OTP 内存 代码安全模块 串行端口外设 (SCI/SPI/I2C/LIN/eCAN) 增强型控制外设 56 引脚，64 引脚，和 80 引脚 封装2.高效 32 位中央处理单元 (CPU) ( TMS320C28xTM); 60MHz（16.67ns 周期时间） 16 x 16 和 32 x 32 介质访问控制 (MAC) 运算 16 x 16 双 MAC 哈佛 (Harvard) 总线架构 连动运算 快速
19、中断响应和处理 统一存储器编程模型 高效代码（使用 C/C+ 和汇编语言）3.多达 45 个具有输入滤波功能可单独编程的多路复用通用输入输出 (GPIO) 引脚;4.可支持所有外设中断的外设中断扩展 (PIE) 模块;5.三个 32 位 CPU 定时器;6.每个 ePWM 模块中的独立 16 位定时器;7.串行端口外设; 一个 SCI(UART) 模块 两个 SPI 模块 一个内部集成电路 (I2C) 总线 一个本地互连网络 (LIN) 总线 一个增强型控制器局域网络 (eCAN) 总线8.高级仿真特性; 分析和断点功能 借助硬件的实时调试F2803x PiccoloTM系列微控制器为 C28
20、xTM内核和控制律加速器 (CLA) 供电，此内核和 CLA 与低引脚数量器件中的高集成控制外设向耦合。 该系列的代码与以往基于 C28x 的代码相兼容，并且提供了很高的模拟集成度。 F2803x PiccoloTM系列微控制器为 C28xTM内核和控制律加速器 (CLA) 供电，此内核和CLA 与低引脚数量器件中的高集成控制外设向耦合。 该系列的代码与以往基于 C28x 的代码相兼容，并且提供了很高的模拟集成度。一个内部电压稳压器允许单一电源轨运行。 对HRPWM 模块实施了改进，以提供双边缘控制 （调频）。 增设了具有内部10位基准的模拟比较器，并可直接对其进行路由以控制 PWM 输出。
21、ADC可在 0V 至 3.3V固定全标度范围内进行转换操作，并支持公制比例 VREFHI/ VREFLO基准。 ADC 接口专门针对低开销/低延迟进行了优化。3.2.2 TMS320F28035的内存总线 与很对MCU 类型器件一样，多总线被用于在内存和外设以及CPU 之间移动数据。此内存总线架构包含一个程序读取总线、数据读取总线、和数据写入总线。此程序读取总线由22 条地址线路和32 条数据线路组成。数据读取和写入总线由32 条地址线路和32 条数据线路组成。32 位宽数据总线可实现单周期32 位运行。多总线结构，通常称为哈弗总线，使得C28x 能够在一个单周期内取一个指令、读取一个数据值和
22、写入一个数据值。所有连接在内存总线上的外设和内存优先内存访问。总的来说，内存总线访问的优先级可概括如下：最高级： 数据写入（内存总线上不能同时进行数据和程序写入。） 程序写入（内存总线上不能同时进行数据和程序写入。） 数据读取 程序读取（内存总线上不能同时进行程序读取和取指令。）最低级： 取指令（内存总线上不能同时进行程序读取和取指令。）3.2.3 TMS320F28035外设总线 为了在多种德州仪器(TI) MCU 器件系列间实现外设迁移，此器件采用一个针对外设互连的外设总线标准。外设总线桥复用了多种总线，此总线将处理器内存总线组装进一个由16 条地址线路和16 或者32 条数据线和相关控制
23、信号组成的单总线中。支持外设总线的三个版本。一个版本只支持16 位访问（被称为外设帧2）。另外版本支持16 位和32 位访问（被称为外设帧1）。第三版本支持CLA 访问和16 位以及32 位访问（被称为外设帧3）。3.3 电源电路的设计目前许多外围电路所需要的电压是5V，而TMS320F28035的工作电压时3.3V，驱动电压为15V，因此要将24V的电压转换成5V和15V，再由5V电压转换成3.3V电压。其转换电路如图3.3.1所示。 图3.3 .1电源电路图中LM7815和LM7805是分别输出15V和5V的转换芯片，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的LM78XX系列和负电压
24、输出的LM79XX系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的三极管，TO-220 的标准封装，也有LM9013样子的TO-92封装。他们的管脚图如图3.3.2所示9。 图3.3.2 LM7805和LM7815的管脚图LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）
25、的型号。这里我们输出为3.3V，正好满足 TMS320F28025的工作电压的需要。LM1117 还具有内部电流限制和过热保护的特点，把输出电流限制到大约 1A。LM117的可调压型号在输出端和调节端之间具有一个1.25V的参考电压VREF，如图3.3.3所示，该电压通过跨接电阻R1产生一个恒定电流I1。调节端输出的电流IA会使输出的电压产生误差，但由于IA非常小所以忽略不计。因此，只要调节R2的大小就可以输出不同等级的电压，即 图3.3.3 LM1117结构图3.4 复位电路的设计本系统采用RC复位电路，其电路图如图3.4所示。该电路主要实现了上电复位和系统运行时手动按键复位功能。该电路的工
26、作原理如下：XRSN是低电平有效，即当XRSN输出低电平时，系统复位。在系统上电时，电源通过电阻 R12向电容 C31 充电，当 C31两端的电压未达到高电平的门限电压时，XRSN 端输出低电平，系统处于复位状态；当 C31 两端的电压达到高电平门限电压时，XRSN端输出高电平，系统进入正常工作状态。当用户按下按钮 REST 时，C31两端的电荷被泄掉，XRSN端输出低电平，系统进入复位状态。 通过调整电阻和电容的参数可以改变复位状态的时间。 图3.4 复位电路图3.5 晶振电路的设计时钟发生器是为 DSP 芯片提供时钟信号，这里使用的是 20MHZ 的有源晶振，TMS320F28035支持动
27、态锁相环路（PLL）比率变化。20M晶振通过04倍频后就可以得到DSP所需要的时钟信号，晶振电路如图3.5所示。X2X1 图3.5 晶振电路图3.6 JPAG接口电路的设计JTAG 是 Joint Test Action Group（联合测试行动小组）的简称。该组织提出了边界扫描测试方案，后来成为IEEE 1149.1标准，即IEEE标准试验存取口和边沿扫视技术10。DSP有 JTAG 硬件测试仿真接口，它可以与外界进行数据交换11。TMS320F28035支持实时模式运行，此运行模式可在处理器正在运行和执行代码且处理中断的同时允许修改内存内容、外设、和寄存器位置7。用户也可以通过非时间关键代
28、码进行单步操作，同时可在没有干扰的情况下启用将被处理的时间关键中断。此器件在CPU 的硬件内执行实时模式。这是28x 系列器件所特有的特性，无需软件监控。此外，还提供了特别分析硬件以实现硬件断电或者数据/地址观察点的设置并当一个匹配发生时生成不同的用户可选中断事件。这些器件不支持边界扫描；然而，如果将下面的因素考虑在内的话，也可提供IDCODE 和BYPASS（旁路） 特性。缺省情况下不支持IDCODE。用户需要搜索JTAG 的SHIFT IR 和SHIFT DR 状态序列来获得IDCODE。对于BYPASS 指令，第一个被移位的DR 值应该为1。具体的仿真连接接口图如图3.6。 图3.6 J
29、PAG仿真接口图3.7 CAN总线通信电路的设计eCAN 模块是 TMS320F2812 DSP 片上的增强型 CAN 控制器, 其性能较之已有的 DSP 内嵌 CAN 控制器有较大的提高,数据传输更加灵活方便, 数据量更大、可靠性更高、功能更加完备。随着 TMS320F2812 的大量推广使用, 基于 eCAN 的 CAN总线通信方式将得到广泛的应用12。这里我们选用CAN现场总线主要是因为他有如下优点13：1.具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；2.采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声环境中工作；3.具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CA
30、N-bus上，形成多主机局部网路；4.可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；5.可靠的错误处理和检错机制；6.发送的信息遭到破坏后可自动重发；7.节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；8.报文不包含源地址或目标地址哎，仅用标示符来指示功能信息、优先级信息。下图为CAN总线的电路图。其中,CANTX和CANRX接TMS320F28035 DSP的CAN管脚,CANH和CANL接外部CAN总线。TMS320F28035 DSP内的CAN控制器必须通过CAN驱动芯片才能与外部的CAN控制器进行通信。选择SN65HVD230收发器是为了增大通信距离,提高系统的瞬间抗干扰能力,保护总线,降低射频
31、干扰(RFI)实现热防护等。SN65HVD230 CAN驱动芯片是为3.3供电的 DSP设计CAN总线收发器,TMS320F28035 DSP集成的CAN总线控制器配合总线收发器SN65HVD230,至少可以连接110个节点,可提供高达1Mbit/s数据传输率。系统中将其引脚8(RS)接地选择高速工作方式。在传输线两端并联1个120的匹配电阻,以克服长线效应,减小通讯介质中信号的反射。 图3.7 CAN总线接线图 第四章 功率驱动电路的设计4.1 逆变电路的设计功率逆变电路如图4.1所示，该电路为可逆PWM变换器，可逆PWM变换器按主电路结构不同有H形和T形等，由于H形变换器在实际应用中比较广泛，所以这里我们选用H形PWM变换器。全控型器件主要有MOSFET和IGBT，这两者都具有开关频率高、输入阻抗高、通态电压低和热稳定性好的特点,所以是本控制系统的首选器件。但由于MOSFET比IGBT的开关频率高,价格便宜,且保护电路相对简单,广泛应用于各类中小功率开关电路中,因此本控制系统选用MOSFET作为开关器件1
