DSP-直流电机要点.pdf
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1、 DSP 技术应用综合训练 课程报告 xx xx 学年第 xx 学期 课题名称基于 TMS320F2812 直流电机控制系统 姓名 xxx 学号 xxxxxxxxx 班级 xxxxxxx 成绩 基于 TMS320F2812 无刷直流电机控制系统 【摘要】 :无刷直流电机( Brushless Dirrent Motor BLDCM)时随着 电机控制技术、电力电子技术、微电子技术的发展和新型永磁材料的 进步而出现的一种新型电机。无刷直流电机时多变量非线性受控对象, 传统控制方法难以对其精确控制。本文基于粒子群算法的模糊控制策 略,对模糊控制器参数进行优化,并进行了PID控制、模糊控制、基 于粒子
2、群算法模糊控制的调速系统实验,对各种方法下的系统响应性 能进行比较和分析。实验表明,该系统结构简单紧凑,控制精度高, 具有良好的静态和动态性能。 【关键词】:TMS320F2812 , 数字信号处理器,串行通信 【Abstract 】:Brushless DC motor(BLDCM) is a new type of motor which is develop on base of DC motor due to the advancement of the power electronics , motor control technology , microprocessor and
3、the appearance of new type of permanent materials.BLDCM is a multi-variable and non-linear system.Fuzzy control has been used in the field of the BLDCM control.However,the design and tuning of the fuzzy controller are notsatisfied . And then the speed control performance of speed control PID control
4、ler , fuzzy controller , base on PSO controller were compared and analyzed . Experimental results show that the system has a simple and compact structure,high control precision and good dynamic and static characteristics. 【Key words】: DSP TMS320F2812 ,Digital Signal Processor , Serial Communication
5、引言 无刷直流电动机从上世纪70 年代末开始引起了从事电机及驱动系统学者的重视。电机的 驱动控制结构有很多形式,近年来国外学者多集中于对直流电机的转矩波动及其控制问题上 进行研究。以单片机为核心组成的数字控制电路调速控制能力强,但只能实现系统的外环数 字控制,而DSP 则可以实现全数字化的控制。无刷直流电机利用电子换向器取代了传统直流 电机中的机械电刷和机械换向器,因此不仅保留了直流电动机运行效率高和调速性能好等优 点,又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。由于不受机械换向限制, 易于做到大容量、高转速,目前在航天、军工、数控、冶金、医疗器械等领域已得到大量应 用。TMSF28
6、12 DSP 是 TI 公司新推出的基于TMS320C2xx 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,具有灵活、可靠的控制和通信模块,完全可以采用单芯片实现电 机控制系统的控制和通信功能,使得电机控制系统简单化、模块化,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。本文设计和实现了基于TI 公司 TMS320F2812 DSP 芯片 的无刷直流电机控制系统,整个系统结构紧凑,功能完善。 1. 课题要求 本文主要研究基于DSP的直流电机控制系统, 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、上位机通信等的基本原理 及相关知识,实现对电机的速度控制。可
7、以实现以下功能: 1. 能够完成电机启动、停止; 2. 能够完成正、反转; 3. 在完成以上功能的基础上实现电机的加速与减速。 2 硬件设计 2.1 系统硬件设计 系统的硬件框图如图1 所示,可以看出基本上包括一个以TMS320 F2812 DSP为核心的 DSP控制板,一块配套的功率驱动板和一台无刷直 流电机。 本系统设计控制的无刷直流电机采用霍尔元件作为位置反馈 机制,从反馈的脉冲信号中获得位置信息和转速情况。控制核心DSP 根据采集到的实际转速,修正控制转速,实现系统对电机转速的闭环 控制。此外,系统从电机的驱动器件IGBT处获得电流信息。通过综合 这三个信息,使得整个电机调速系统安全、
8、稳定、可靠地工作。 图 1 系统硬件框图 2.2 部分硬件设计 整个系统由控制、驱动、显示及电源四部分组成,结构框图如下 图所示: 2.2.1 控制部分硬件设计 控制板部分以 TMS320F2812 为核心,加上一部分外围电路及接口 构成。实现的主要功能是控制指令的接收和执行,速度信号的接收和 计算处理,电流采样信号接收和转换,速度闭环和电流闭环控制算法 的执行等。 对电机的控制主要使用F2812片上的两个电机控制专用外设 EVA和 EVB 。利用通用定时器T1配合 PWM 发生器来产生驱动功率 器件所需的六路 PWM 信号,通过 GPIO接口将三路电机霍尔传感器信号 输入捕获单元,从而获取三
9、个转子的位置,进而控制电机的换相和进 行电机转速的计算。 两个 12 位 AD 模块对相电流信号Iphase 和输入的 速度调节电压信号Vref 进行转换和存储, 分别作为电流环的反馈信号 和速度环的参考信号。通过片上的通用输入输出接口(GPIO ),实现 与功率驱动部分的连接,输出启动停止信号,正反转信号,紧急制动 信号等,同时接收输入的保护信号,故障信号等。通过片上的SCI 模 块实现与计算机的通信,接收上位机的控制指令。 控制部分硬件结构如图2 所示。 图 2 控制板电路框图 2.2.2 功率驱动部分硬件设计 功率驱动部分的硬件电路,主要由前置驱动芯片和六个功率 MOSEFET管组成,实
10、现对控制部分传送过来的换相信息的处理和PWM 信号的隔离放大,控制功率MOSFET 管的导通和关断,以此来控制电机 的工作状态和速度。除此之外,还有电源电路,电流检测电路,过流 保护和紧急制动电路等辅助电路,以及与电机和控制板的接口电路。 前置驱动芯片采用的是IR 公司的 MOSFET 驱动芯片 IR2131,具有 集成度高、可靠性好、速度快、过流欠压保护、调试方便等特点。 IR2131 内部设计有过流、过压及欠压保护。 功率驱动电路采用24V供电,驱动电路与电机的连接采用三相全 桥方式,电机工作在三相六状态模式下。以任一时刻电机只有两相导 通的方式来控制换流元件。 PWM 调制的方式是软斩波
11、方式, 即导通时下 桥臂功率管始终保持开状态,上桥臂功率管的开关由PWM 信号决定。 功率开关管采用 HITACHI公司的集成功率开关器件6AM15 , 其内部集成 3 个 N型 MOSFET 管和 P型 MOSFET 管,构成三相全桥功率开关电路。 与 采用六个分立 MOSFET 管相比,有利于提高集成度,减少电路板面积, 增加可靠性。每个MOSFET 管自带超快恢复二极管,在MOSFET 管关闭 期间起反向续流作用。 功率驱动部分电路框图如图3 所示。 图 3 功率主回路电路框图 3. 系统控制策略及软件设计 系统软件设计思想是通过不断采集电机转速,与给出的速度指令 相比较后,利用 PID
12、 算法,同时综合滤波算法,不断修正速度误差, 直到采集到的电机转速与系统给定的转速相同,程序就认为系统已经 入锁了。系统控制时始终监视电机电流和位置反馈,一旦出现异常, 就启动相应的报警机制,并让电机停止转动。 3.1 系统控制策略 由直流电机的数学模型可知,其转速基本上跟电压成正比,转矩 基本上和相电流成正比。为了达到控制精度和动态性能,本系统选用 了转速、电流双闭坏调速系统。电流环采用PI 调节器,速度环采用遇 限削弱积分的积分分离PI 控制算法。它具有良好的起动和抗干扰性能, 可以满足本系统的需要。 在此控制方案中, 霍尔传感器的信号加到TMS320F2812 的捕获单元 端。将捕获端设
13、置为I/O 口,然后采集捕获单元的电位情况。根据捕 获单元的电位情况可以判断电机处于那个区间。根据两次捕获的时间 可以计算出电机运行速度。此速度作为速度参考值的反馈量,然后经 过速度 PI 调节后可以得到参考电流Iref 。另外通过电流检测电路可 以得到相电流 Iphase 信号, 此信号通过 A/D转换后作为参考电流Iref 的反馈量,经过电流 PI 调节后,得到的输出量调节输出的PWM 信号的 占空比, 用此 PWM 信号接到驱动端 . 这样可以根据电机运行的情况而调 节 MOSFET 管的导通时间达到控制电机转速的目的。 3.2 软件设计 本实验采用 Ccs3.3 软件,及串口调试软件,
14、通过串口调试工具向 f2818 发送串口数据,来控制 f2812 中的程序,来实现电机的速度 调控。 程序流程图如下: 程序初始化 比较初始化 开始 判断输入是否合理 N 执行按键功能 Y 测速显示波形 返回主程序 计数初始化 3.2.1数字 PID 模块: 改模块实现数字 PID 算法,对转速误差和电流误差进行调节计算, 控制 PWM 信号的占空比。通过占空比的改变来调节电动机的转速。程 序如下: temp=(Sci_VarRxj-1 temp1=EvaRegs.T1PR/16; pwm=temp1*(16-temp); EvaRegs.T1CMPR = pwm; startmotor();
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