基于DSP的直流电机调速课程设计报告.doc
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基于DSP的直流电机调速课程设计报告.doc
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基于DSP的直流电机调速
课程设计报告
学号:
E07640105
班级:
07电子信息工程1班
姓名:
叶海莉
指导老师:
严利平、陈秋妹老师
引言:
近年来随着电力电子技术的发展,普遍采用了由晶闸管整流器供电的直流电机调速系统,以取代以前广泛应用的交流电动机—直流发电机组供电系统。
直流电机调速系统是一个多变量、强耦合、非线性、时变的复杂系统,从当前情况看,直流电动机能在大范围内实现精密的位置和速度控制,所以,要求系统性能高的场合都在广泛使用直流伺服系统。
由于直流电机容易进行调速。
直流电机具有良好的机械特性,使之能在大范围内平滑调速、启动、制动和正反转等,目前在传动领域中仍占重要的地位。
尤其在机械制造行业中应用得最多最广,各种机床运动部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等,都是依靠各种直流电机的。
在冶金工业中,电弧炼钢炉、粉末冶金炉等的电极位置控制,水平连铸机的拉坯运动控制,轧钢机轧辊压下运动的位置控制,都是依靠直流电机实现的。
本课程设计采用TMS320LF2407实现对直流电机调速的控制。
目录
一课程设计任务书……………………………………….….
二主要元器件介绍…………………………………………..
2.1TMS320LF2407简介………………………………….
2.2电机驱动L298N……………………………………..
2.3TLP521可控制的光电藕合器件……………………..
2.3.1TLP521概述…………………………………..
2.3.2绝对最大额定值(Ta=25℃)……………………
2.3.3建议操作条件…………………………………
三基于DSP的直流电机调速设计原理简介………………
3.1L298N的工作原理……………..……………..……
3.2PWM基本原理……………………………………...
3.3CAN总线通信原理…………………………………..
3.3.1CAN技术简介………………………………..
3.3.2CAN与其它通信方案的比较………………..
3.3.3TMS320LF240x系列CAN控制器原理……
四硬件设计……………………………………….………….
4.1硬件实现电路原理图及各模块功能简介….…………
4.1.1硬件电路图……………………….………….
4.1.2各模块功能简介………………….……….….
4.2硬件调试波形记录……………………….………….
五部分程序………………………………….………………
5.1CAN发送程序……………………….………………
5.2CAN接收程序……………………….………………
六课程设计心得体会………………………………………..
一课程设计任务书
设计任务
1.理解直流电机调速原理;
2.直流电机驱动电路的设计;
3.驱动电路的硬件焊接;
4.脉宽可调的PWM方波的产生;
5.直流电动机转速的控制;
6.通过远程控制电机的转速(远程方式可以是RS232通信、CAN总线通信)。
时间安排
2010.11.9布置课程设计任务;
2010.11.11直流电机驱动电路设计;
2010.11.16驱动电路的硬件焊接;
2010.11.18驱动电路的硬件焊接;
2010.11.23脉宽可调的PWM方波的产生;
2010.11.25直流电动机转速的控制;
2010.12.1通过远程控制电机的转速;
2010.12.2通过远程控制电机的转速;
2010.12.7答辩验收设计作品;
2010.12.9设计报告撰写,上交。
报告要求
1.直流电机PWM调速原理介绍;
2.画出硬件电路图,并说明电路的工作原理及主要芯片的性能;
3.脉宽可调的PWM方波程序,写出程序软件流程图、程序代码并加必要注释,说明调试方法、过程及结果;
4.RS232通信或CAN总线通信程序,写出程序软件流程图、程序代码并加必要注释,说明调试方法、过程及结果;
5.附上各模块输出的波形图(示波器上观测);
6.课程设计收获与体会;
7.列出参考文献。
二主要元器件介绍
2.1TMS320LF2407简介
TMS320系列包括:
定点、浮点、多处理器DSP和定点DSP控制器。
TMS320系列DSP的体系结构专为实现信号处理而设计,该系列DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一体,为控制系统应用提供了一个理性的解决方案。
实物图
封装图
下列特性使得TMS320系列成为很多信号处理以及控制应用的理想选择:
²灵活的指令集
²灵活的内部操作
²高速的运算能力
²改进的并行结构
²有效的成本
TM320系列DSP通过将存储器的外设集成到控制器内部,降低了系统成本,节省了电路板空间,提高了系统的可靠性。
2.1.2TMS320LF2407芯片特点
在TMS320系列DSPde基础上,TMS320LF2407DSP有以下特点:
²采用高性能静态CMOS技术,使得供电电压降为3.3V,减小了控制器的功耗;30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns(30MHz),从而提高了控制器的实时控制能力。
²给予TM320C2xxDSP的CPU核,保证了F2407DSP代码与TMS320系列DSP代码兼容。
²片内有高达32K字的FLASH程序存储器、高达1.5K字的数据/程序RAM、544字双口RAM(DARAM)和2K字的单口RAM(SARAM)。
²两个事件管理器模块EVA和EVB,每个包括:
两个16位通用定时器;8个16位脉冲宽调制(PWM)通道。
他们能够实现:
三相反相器控制,PWM的对称和非对称波形,快速的PWM通道关闭,可编程的PWM死区控制,3个捕获单元,片内光电编码器接口电路,16通道A/D转换器。
事件管理模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。
²可扩展的外部存储器总共192K字空间:
64K字程序存储器空间、64K字数据存储器空间和64K字I/O寻址空间。
²看门狗定时器模块(WDT)。
²10位A/D转换器最小转换时间为500ns,可选择由两个事件管理器来触发的两个8通道输入A/D转换器或一个16通道的A/D转换器。
²控制其局域网络(CAN)2.0B模块。
²串行通信接口(SCI)模块。
²16位串行外设(SPI)接口模块。
²基于锁相环的时钟发生器。
²高达40个可单独编程或复用的通用I/O引脚(GPIO)。
²5个外部中断(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。
电源管理包括3种低功耗模式,能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。
2.2电机驱动L298N
→实物图
←内部结构图
L298N是SGS公司的产品,其内部包含4通道逻辑驱动电路,即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机口。
由L298N构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式,2个H桥的下侧桥晶体管发射极连在一起,其引脚排列如图1所示,1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器,形成电流传号。
L298可驱动2个电机,OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。
5、7、10、12脚接输人控制电平,控制电机的正反转,ENA、ENB接控制使能端,控制电机的停转。
这些特性使得L298N很适合用作小型直流电机控制芯片。
2.3TLP521可控制的光电藕合器件
1、3:
正极2、4:
负极5、7:
发射极6、8集电极
2.3.1TLP521概述
TLP521是可控制的光电藕合器件,光电耦合器广泛作用在电脑终端机,可控硅系统设备,测量仪器,影印机,自动售票,家用电器,如风扇,加热器等电路之间的信号传输,使之前端与负载完全隔离,目的在于增加安全性,减小电路干扰,减化电路设计。
集电极-发射极电压:
55V(最小值)
经常转移的比例:
50%(最小)
隔离电压:
2500Vrms(最小)
2.3.2绝对最大额定值(Ta=25℃)
参数
符号
数值
单位
TLP521-1
TLP521-2TLP521-4
LED
正向电流
IF
70
50
mA
正向电流减率
ΔIF/℃
-0.93(Ta≥50℃)
-0.5(Ta≥25℃)
mA/℃
瞬间正向脉冲电流
IFP
1(100μpulse,100pps)
A
反向电压
VR
5
V
结温
Tj
125
℃
接受侧
集电极发射极电压
VCEO
55
V
发射极集电极电压
VCEO
7
V
集电极电流
IC
50
mA
集电极功耗
PC
150
100
mW
集电极功耗减率
ΔPC/℃
-1.5
-1.0
mW/℃
结温
Tj
125
℃
储存温度范围
Tstg
-55~125
℃
工作温度范围
Topr
-55~100
℃
无铅焊接温度
Tsol
260(10s)
℃
整体功耗
PT
250
150
mW
整体功耗减率
ΔPT/℃
-2.5
-1.5
mW/℃
隔离电压
BVS
2500(AC,1Min最小,R.H.≤60%)
Vrms
2.3.3建议操作条件
参数
符号
最小
典型
最大
单位
电源电压
VCC
—
5
24
V
正向电流
IF
—
16
25
mA
集电极电流
IC
—
1
10
mA
操作温度
Topr
-25
—
85
℃
三基于DSP的直流电机调速设计原理简介
3.1L298N的工作原理
根据L298N的输入输出关系(见表1),使能控制端ENA接DSP的输出口,当输出为高电平时,通过PWM信号输人端IN1和IN2可以控制电动机的正反转(输入端IN1为PWM信号,输入端IN2为低电平,电动机正转;输入端IN2为PWM信号,输入端IN1为低电平,电动机反转);当它为低电平时,驱动桥路上的4个晶体管全部截止,使正在运行的电动机电枢电流反向,电动机自由停止。
电动机的转速由单片机调节PWM信号的占空比来实现。
3.2PWM基本原理
PWM即脉冲宽度调制(PulsewidthModulation),它是指将输出信号的基本周期固定,通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率的方法。
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
因此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
如图2所示,在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加;电机断电时,速度逐渐减少。
只要按一定规律,改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。
设电机始终接通电源时,电机转速最大为Vmax,
设占空比为D—t/T,则电机的平均速度为:
Vd=Vmax*D…………………………………….
(1)
式中:
Vd表示电机的平均速度;Vmax表示电机全通电时的速度(最大);D=t/T表示占空比。
由公式
(1)可见,当改变占空比D时,就可以得到不同的电机平均速度,从而达到调速的目的。
3.3CAN总线通信原理
3.3.1CAN技术简介
要对数据进行实时处理,就必须将数据快速传送,这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。
在几个站同时需要发送数据时,要求快速地进行总线分配。
实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。
一个快速变化的物理量,如汽车引擎负载,将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。
CAN总线以报文为单位进行数据传送,报文的优先级结合在11位标识符中,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。
这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。
总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。
这种非破坏性位仲裁方法的优点在于,在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前,报文的起始部分已经在网络上传送了。
所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站,并且不会在总线再次空闲前发送报文。
CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用,这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。
这种方法在网络负载较重时有很多优点,因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了,这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。
对于主站的可靠性,由于CAN协议执行非集中化总线控制,所有主要通信,包括总线读取(许可)控制,在系统中分几次完成。
这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。
3.3.2CAN与其它通信方案的比较
在实践中,有两种重要的总线分配方法:
按时间表分配和按需要分配。
在第一种方法中,不管每个节点是否申请总线,都对每个节点按最大期间分配。
由此,总线可被分配给每个站并且是唯一的站,而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取。
这将保证在总线存取时有明确的总线分配。
在第二种方法中,总线按传送数据的基本要求分配给一个站,总线系统按站希望的传送分配。
因此,当多个站同时请求总线存取时,总线将终止所有站的请求,这时将不会有任何一个站获得总线分配。
为了分配总线,多于一个总线存取是必要的。
CAN实现总线分配的方法,可保证当不同的站申请总线存取时,明确地进行总线分配。
这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。
不同于网络的消息仲裁,CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法,确保在不传送有用消息时总线不被占用。
甚至当总线在重负载情况下,以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。
虽然总线的传输能力不足,所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。
3.3.3TMS320LF240x系列CAN控制器原理
CAN控制器模块是一块完全的CAN控制器,它是一个16位的外设模块,具有以下特性:
²完全支持CAN2.0B协议:
标准和扩展标识符,数据帧和远程帧;
²对象有6个邮箱,其数据长度为0-8字节:
2个接收邮箱,2个发送邮箱;
²可编程的位定时器;
²对邮箱0、1和2、3有局域接收屏蔽寄存器;
²中断配置可编程;
²可编程的CAN总线唤醒功能;
²自动回复远程请求;
²当发送时出现错误或仲裁时丢失数据,CAN控制器有自动重发送功能;
²总线错误诊断功能;
²自测试模式。
CAN控制器在自测试模式下,接收邮箱收CAN自身的发送邮箱发送的信息帧,并产生自应答信号。
CAN控制器必须通过CAN驱动芯片才能与其他的CAN控制器进行通信。
CAN模块是一个16位的外设,对它的访问分成控制/状态寄存器的访问和邮箱的RAM访问。
邮箱位于一个48*16位的RAM中,它可被CPU或CAN模块读/写。
CAN读/写访问和CPU读访问需要一个时钟周期,而CPU的写访问需要两个时钟周期。
在这两个时钟周期里,CAN完成读-修改-写循环,因此CPU插入一个等待状态。
当访问RAM时,地址总线的第0位用来决定取32位的低16位字(地址总线的第0位为0)还是高16位字(地址总线的第0位为1)。
RAM的位置由地址总线的第1位到第5位决定。
四硬件设计
4.1硬件实现电路原理图及各模块功能简介
4.1.1硬件电路图
4.1.2各模块功能简介
模块一:
光耦首先其隔离作用(电气隔离),另外也起着滤除信号中毛刺的作用。
本课程设计中,主要通过引脚J8-1和J8-5两个管脚输入PWM波,这两个引脚分别引到光耦的发光二极管的负极,当输入的PWM波为低电平时,光耦中的发光二极管导通,从而通过光耦的作用使二极管导通,将三极管集电极处的电平拉低,集电极出来的引脚引到L298的IN1和IN2两个引脚,从而使得PWM波的低电平的耦合过去;同样,PWM波的高电平也是同样的道理,不再详述,这就是光耦的作用。
模块二:
L298驱动芯片,作用:
通过光耦耦合过来的PWM波输入到L298的IN1和IN2引脚,因为光耦耦合过来的信号比较弱,不足以驱动电机,所以需要L298来驱动电机,L298用光耦输入的PWMboiling来驱动电机工作。
(详细功能实现原理以上“L298N的工作原理”已经叙述.)
模块三:
H桥。
作用:
通过H桥不同的桥臂的轮流导通,可以控制电机的正反转。
其他硬件部分作用:
电容起滤波作用。
电阻根据光耦工作手册中的电流典型值,所以选取了图中所示阻值。
4.2硬件调试波形记录
初始输入图像
电机处图像
光耦处图像
五部分程序
5.1CAN发送程序
#include"f2407_c.h"//引用头部文件
intCAN_FLAG;//定义标志寄存器
voidsystem_init();//声明在程序中需要用到是函数
voidCANMBX_ISR();
voidCAN_INIT();
voidinlinedisable()
{
asm("setcINTM");
}
voidinlineenable()
{
asm("clrcINTM");
}
//
(1)主程序
main()
{
system_init();//系统初始化子程序
CAN_FLAG=0x00;//清CAN用户标志,CAN_FLAG=0表示收到数据
CAN_INIT();//CAN初始化子程序
enable();
for(;;)
{
//Counter=Counter+1;
TCR=0x20;//MBX3请求发送
while(TCR&0x2000==0)//等待发送应答
continue;
TCR=0x2000;//清TA3和MIF3标志位
//while(CAN_FLAG==0)
//continue;//等待接收数据
CAN_FLAG=0x0000;//清接收到标志
MDER=0x0000;//邮箱不使能
MCR=0x0140;//CDR=1,数据改变请求
MBX3A=MBX2A;//邮箱3中数据加1用来更新2中的数据
MBX3B=MBX2B;
MBX3C=MBX2C;
MBX3D=MBX2D;
MCR=0x0480;//DB0=1,AB0=1,STM=1设置为自测试模式
MDER=0x04C;
}
}
//
(2)系统初始化子程序
voidsystem_init()
{
asm("setc SXM"); //抑制符号位扩展
asm("clrc OVM"); //累加器中结果正常溢出
asm("clrc CNF"); //B0被配置为数据存储空间
asm("setc INTM"); //禁止所有中断
SCSR1=0x81FE; //CLKIN=6M,CLKOUT=4CLKIN=24M
WDCR=0x0E8; //不使能看门狗,因为SCSR2中的WDOVERRIDE
//即WD复位后的缺省值,故可以用
//软件禁止看门狗
IMR=0x0010; //开中断优先级5
IFR=0x0FFFF; //清除全部中断标志,"写1清0"
}
//(3)CAN初始化子程序
voidCAN_INIT()
{
MCRB=MCRB|0x0C0;//设置IOPC6、IOPC7为CANRX,CANTX
CAN_IFR=0x0FFFF;//清所有中断标志
LAM1_H=0x7FFF;//设置邮箱3、2的屏蔽ID寄存器
LAM1_L=0x0FFFF;//0则ID必须匹配
MCR=0x1000;//CCR=1改变配置请求
while(GSR&0x0010==0)continue;//CCE=1时即可配置BCR2、BCR1寄存器
BCR2=0x01;//波特率预分频寄存器
BCR1=0x033;//波特率设置为500Kbps
MCR=MCR&0x0EFFF;//CCR=0改变配置请求
while(GSR&0x0010!
=0)continue;//只有当CCE=0时,配置BCR2、BCR1寄存器成功
MDER=0x040;//不使能邮箱2,邮箱2改为接收方式
MCR=0x0103;//CDR=1,数据区改变请求
MSGID2H=0x2447;//设置邮箱2的控制字及ID
//IDE=0,AME=0,AAM=0
//标准方式为MSGID2H[12~2]
MSGID2L=0x0FFFF;
MSGCTRL2=0x08;//设置控制哉
//数据长度DCL=8,RTR=0数据帧
MBX2A=0x1000;//邮箱2信息初始化
MBX2B=0x3000;
MBX2C=0x0000;
MBX2D=0x0000;
MSGID3H=0x2447;
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