基于DSP的PWM双闭环直流调速系统.pdf

1、中 图 分 类 号 : TM38314 文 献 标 识 码 : B 文 章 编 号 : 100126848 (2007) 0420051204基 于 DSP的 PWM双 闭 环 直 流 调 速 系 统林 立 1 , 唐 旭 2 , 张 续 义 2 , 黄 声 华 3(11邵 阳 学 院 信 息 与 电 气 工 程 系 , 邵 阳 422004; 21浙 江 求 是 科 教 设 备 有 限 公 司 , 杭 州 310000;31华 中 科 技 大 学 电 气 与 信 息 工 程 学 院 , 武 汉 430074)摘 要 : 为 提 高 直 流 调 速 系 统 的 性 能 , 介 绍 了 采 用

2、TMS320LF2407A 为 控 制 核 心 、 H桥 直 流 斩 波驱 动 、 电 流 内 环 与 速 度 外 环 P I调 节 以 及 转 速 测 量 等 环 节 都 实 现 全 数 字 化 的 微 机 控 制 双 闭 环 调 速系 统 。 分 析 了 系 统 的 全 数 字 化 调 速 原 理 , 阐 述 了 双 闭 环 调 速 系 统 的 硬 件 组 成 和 软 件 设 计 。 这 种系 统 在 调 速 性 能 要 求 较 高 的 场 合 有 着 广 泛 的 应 用 。关 键 词 : 数 字 信 号 处 理 器 ; H桥 电 路 ; 直 流 电 动 机 ; 调 速 ; 双 极 性 控

3、 制 ; 工 程 设 计 方 法D ouble C losed PWM System s of Veloc ity M odula tion of D irect Curren tM otor Ba sed on D SPL IN L i1 , TANG Xu2 , ZHANG Xu2yi2 , HUANG Sheng2hua3(1. Shaoyang University, Shaoyang 422004; 2. Science and TechnologyTeaching Apparatuses Company of Q iuShi in Zhejiang, Hangzhou 310000

4、;3. Hua Zhong University of Scince and Tecnology, W uhan 430074, China)ABSTRACT: In order to get good performance in DC motor speed control system s, this paper intro2duces double closed PWM system s of velocity modulation of direct currentmotor based on DSPs, this sys2tem come ture the digital cont

5、rol. In the paper, speed control theory and hardware and software are de2scribed in detail, this speed control of system have achieved the enterp rise p roduces p roduction request.The experiment indicates that this control system structure is simp le and performance is good. This sys2tem s can be u

6、sed in advanced control field all over the agricltue and industry.KEY WO RD S: DSP; H bridge circuit; DC motor; Speed control; B ipolar control; Engineering de2sign methods收 稿 日 期 : 2006206219邵 阳 学 院 科 学 基 金 资 助 项 目 (2005B17)0 引 言随 着 电 力 电 子 技 术 和 微 处 理 器 的 快 速 发 展 ,运 动 控 制 系 统 的 控 制 方 式 由 硬 件 控 制 转

7、 向 软 件 控制 , 智 能 化 的 软 件 控 制 将 成 为 运 动 控 制 系 统 的 发展 趋 势 。 运 动 系 统 控 制 器 的 实 现 方 式 在 数 字 控 制中 也 在 向 硬 件 方 式 发 展 。 在 软 件 方 式 中 也 是 从 运动 系 统 的 外 环 向 内 环 , 进 而 向 接 近 电 动 机 环 路 的更 深 层 发 展 。 目 前 , 运 动 系 统 的 数 字 控 制 大 都 是采 用 硬 件 与 软 件 相 结 合 的 控 制 方 式 , 其 中 软 件 控制 方 式 一 般 是 利 用 微 机 实 现 的 。1 结 构 与 原 理调 速 系 统

8、如 图 1所 示 。 这 是 以 TMS320LF2407A为 控 制 核 心 的 PWM电 流 内 环 和 转 速 外 环 的 双 闭 环直 流 调 速 系 统 。 主 电 路 采 用 三 相 不 可 控 整 流 , 经 电容 滤 波 H桥 直 流 斩 波 调 压 后 给 直 流 电 动 机 供 电 。 控制 电 路 利 用 调 节 器 的 工 程 设 计 方 法 1 , 求 出 实 际 系统 各 个 环 节 的 传 递 函 数 后 将 电 流 内 环 按 典 型 1型 系统 进 行 校 正 设 计 , 转 速 外 环 按 典 型 2型 系 统 进 行 校正 设 计 , 分 别 确 定 2个

9、 P I调 节 器 的 比 例 与 积 分 参数 , 从 而 满 足 稳 、 准 、 快 等 性 能 指 标 的 要 求 。 整 个系 统 的 控 制 实 现 了 数 字 化 。 其 中 2个 P I调 节 器 的 参数 经 离 散 化 后 由 DSP编 程 来 实 现 。 H桥 直 流 斩 波 调压 的 控 制 信 号 是 由 DSP的 事 件 管 理 器 控 制 产 生 的 4路 PWM脉 冲 波 进 行 双 极 性 控 制 的 。 同 时 利 用 DSP15基 于 DSP的 PWM双 闭 环 直 流 调 速 系 统 林 立 唐 旭 张 续 义 黄 声 华 1994-2007 China

10、Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/的 QEP引 脚 和 光 电 编 码 器 实 现 对 电 机 速 度 的 检 测 ,利 用 ADC IN引 脚 可 以 完 成 模 数 转 换 , 利 用 PDP INTA引 脚 进 行 故 障 保 护 。ASR2转 速 调 节 器 ACR2电 流 调 节 器 TG2测 速 发 电 机TA2电 流 互 感 器 UPE2电 力 电 子 变 换 器 U i 2电 流 反 馈 电 压U3n 2转 速 给 定 电 压 Un 2转 速 反 馈 电 压 U3i

11、2电 流 给 定 电 压图 1 DSP控 制 的 PWM双 闭 环 直 流 调 速 系 统 原 理 图2 硬 件 组 成DSP数 字 控 制 PWM双 闭 环 直 流 调 速 系 统 的 硬件 结 构 如 图 2所 示 。 其 硬 件 结 构 由 主 电 路 和 控 制 电路 两 部 分 组 成 。 主 电 路 由 三 相 不 可 控 整 流 、 H桥 双极 性 直 流 斩 波 、 泵 升 电 压 电 路 与 直 流 电 动 机 构 成 。H桥 双 极 性 直 流 斩 波 电 路 驱 动 信 号 的 产 生 由 DSPTMS320LF2407A 控 制 输 出 。 转 速 的 检 测 采 用

12、数 字测 速 器 。 它 是 用 DSP读 取 与 电 动 机 联 轴 的 光 电 编码 器 输 出 的 脉 冲 数 , 经 DSP计 算 后 得 出 转 速 值 。泵 升 电 压 的 控 制 经 与 事 先 设 定 值 比 较 后 由 DSP发出 控 制 信 号 实 时 控 制 启 动 泵 升 电 压 电 路 , 进 行 能量 泄 放 , 保 护 主 电 路 。 系 统 利 用 故 障 保 护 引 脚PDP INTA产 生 的 信 号 , 及 时 封 锁 4路 PWM 信 号 ,以 及 通 过 I/O口 控 制 开 关 K1的 动 作 实 现 保 护 。 该DSP控 制 系 统 有 完 善

13、的 保 护 体 系 。图 2 DSP控 制 的 PWM双 闭 环 直 流 调 速 系 统 硬 件 结 构 图211 主 电 路三 相 交 流 电 源 经 不 可 控 整 流 器 变 换 为 电 压 恒定 的 直 流 电 源 , 再 经 过 直 流 PWM变 换 器 得 到 可 调的 直 流 电 压 , 给 直 流 电 动 机 供 电 。 直 流 PWM变 换器 采 用 双 极 性 斩 波 控 制 , 其 结 构 如 图 3所 示 。212 控 制 电 路控 制 电 路 由 数 字 信 号 处 理 器 、 检 测 电 路 、 驱动 电 路 与 故 障 保 护 等 组 成 。1)数 字 信 号 处

14、 理 器数 字 信 号 控 制 器 是 整 个 系 统 的 核 心 。 选 用 专 为电 机 控 制 设 计 的 TMS320LF2407A为 控 制 器 , 配 以 显示 、 键 盘 等 外 围 电 路 , 通 过 通 信 接 口 与 上 位 机 或 其他 外 设 交 换 数 据 。 这 种 控 制 芯 片 本 身 都 带 有 A /D转换 器 , 通 用 I/O口 和 通 信 接 口 , 还 带 有 一 般 控 制 器并 不 具 备 的 故 障 保 护 、 数 字 测 速 和 PWM生 成 功 能 ,大 大 简 化 了 数 字 控 制 系 统 的 硬 件 电 路 。图 3 桥 式 可 逆

15、双 极 性 直 流 脉 宽 调 速 系 统 主 电 路 原 理 图2)检 测 电 路检 测 电 路 包 括 电 压 、 电 流 、 温 度 和 转 速 检 测 ,其 中 电 压 、 电 流 和 温 度 检 测 由 A /D转 换 通 道 变 为数 字 量 送 入 DSP控 制 器 。3) 驱 动 电 路图 3通 过 DSP产 生 5路 PWM信 号 , 其 中 DSP的 引 脚 PWM1 - PWM4输 出 4路 控 制 信 号 对 H桥 电路 的 电 力 电 子 开 关 进 行 控 制 。 桥 式 电 路 的 电 力 电子 开 关 采 用 电 力 晶 体 管 D202。 PWM1 - PWM

16、4 4路信 号 经 驱 动 芯 片 M57215BL后 控 制 晶 体 管 (D202)V1 - V2 - V3 - V4的 通 断 。 另 外 , PWM5信 号 经M57215BL后 对 图 3的 Vb 进 行 泵 升 保 护 。 具 体 结 构如 图 4所 示 。4)故 障 保 护在 检 测 回 路 中 , 对 电 压 、 电 流 、 温 度 等 信 号进 行 分 析 比 较 , 若 发 生 故 障 或 者 与 给 定 的 动 态 参数 不 符 , 立 即 反 馈 到 DSP控 制 器 , 进 行 及 时 处 理 ,通 过 数 字 调 节 转 速 和 电 流 调 节 器 , 将 动 态

17、参 数 调25微 电 机 2007年 第 40卷 第 4期 (总 第 160期 ) 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/整 到 规 定 的 标 准 , 避 免 误 差 或 故 障 进 一 步 扩 大 。图 4 直 流 电 动 机 DSP控 制 的 驱 动 电 路3 软 件 设 计采 用 TMS320LF2407A DSP对 控 制 系 统 进 行 设计 。 必 须 对 控 制 系 统 的 动 态 参 数 进 行 校 正 。 按 工程 设 计 方 法 ,

18、电 流 内 环 按 典 型 型 系 统 设 计 , 转速 外 环 按 典 型 型 系 统 设 计 。 结 合 调 节 器 设 计 、 H桥 双 极 性 直 流 斩 波 控 制 算 法 、 模 数 转 换 和 故 障 保护 , 本 调 速 系 统 的 软 件 设 计 由 3部 分 组 成 : 即 主 程序 、 初 始 化 程 序 和 中 断 服 务 子 程 序 。 主 程 序 完 成实 时 性 要 求 不 高 的 功 能 , 完 成 系 统 初 始 化 和 其 他外 设 通 信 等 功 能 。 其 流 程 如 图 5所 示 。 初 化 始 后 ,实 现 键 盘 处 理 、 刷 新 处 理 与 上

19、 位 计 算 机 和 其 他 程序 完 成 硬 件 工 作 方 式 的 设 定 、 系 统 运 行 参 数 和 变量 的 初 始 化 等 。 其 流 程 如 图 6所 示 。 中 断 服 务 子 程序 主 要 完 成 实 时 性 强 的 功 能 , 如 故 障 保 护 、 PWM生 成 、 状 态 检 测 和 数 字 P I调 节 等 。 中 断 服 务 子 程序 由 相 应 的 中 断 源 提 出 申 请 , CPU 实 时 响 应 。 它包 括 了 3种 中 断 服 务 申 请 , 其 中 , 转 速 调 节 中 断 服务 子 程 序 流 程 如 图 7所 示 。 电 流 调 节 中 断

20、服 务 子 程序 流 程 如 图 8所 示 。 故 障 保 护 中 断 服 务 子 程 序 流 程如 图 9所 示 。本 系 统 设 计 脉 冲 编 码 器 在 每 个 PWM 周 期(50 s )都 对 直 流 调 速 系 统 进 行 一 次 电 流 采 样 和 电流 P I调 节 , 因 此 电 流 采 样 周 期 与 PWM采 用 定 时 器1周 期 中 断 标 志 来 启 动 A /D转 换 , 转 换 结 束 后 申请 ADC中 断 。 图 10是 ADC中 断 处 理 子 程 序 框 图 。全 部 控 制 功 能 都 通 过 中 断 处 理 子 程 序 来 完 成 。由 于 速 度

21、 时 间 常 数 较 大 , 在 本 程 序 中 设 计 每 90个 PWM周 期 (即 415m s)对 速 度 进 行 一 次 P I调 节 。速 度 反 馈 量 是 按 以 下 方 法 计 算 的 : 在 每 个 PWM周 期 都 通 过 读 编 码 器 求 一 次 编 码 脉 冲 增 量 , 并 累 计 。设 电 动 机 的 最 高 转 速 是 200 r/m in即 10 /3 r/ s。 采 用1 024线 的 编 码 器 , 经 DSP4倍 频 后 每 转 发 出 4096个脉 冲 。 所 以 在 这 个 转 速 下 , 每 秒 发 出 10 /3 4 096 =40 960 /

22、3个 脉 冲 。 那 么 415 m s发 出 的 最 大 脉 冲 数 为40 960 /3 415 103 = 61144。 令 编 码 器 脉 冲 速 度 转换 系 数 KSPEED = 1 /61144, 其 Q22格 式 为 KSPEED = 222 /61144, 即 10AAAH。 用 编 码 器 的 脉 冲 累 计 值 乘 以KSPEED就 可 以 得 当 前 转 速 反 馈 量 相 对 于 最 高 转 速 的 比例 值 n, 当 前 转 速 反 馈 量 等 于 200 n /222。程 序 中 的 速 度 P I调 节 器 和 电 流 P I调 节 器 的 各 个 参数 可 以

23、 根 据 要 求 在 初 始 化 程 序 中 改 写 。常 规 的 模 拟 P I控 制 系 统 由 模 拟 P I调 节 器 和 被控 对 象 组 成 。 采 用 DSP对 电 动 机 进 行 控 制 时 , 使用 的 是 数 字 P I调 节 器 , 而 不 是 模 拟 P I调 节 器 , 也就 是 说 用 程 序 取 代 P I模 拟 电 路 , 用 软 件 取 代 硬 件 。数 字 P I调 节 器 的 算 法 :uk = KP ek + TTIkj = 0ej + u035基 于 DSP的 PWM双 闭 环 直 流 调 速 系 统 林 立 唐 旭 张 续 义 黄 声 华 1994-

24、2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/或 uk = KP ek + TKI kj = 0ej + u0图 10 ADC中 断 处 理 子 程 序 框 图式 中 , k为 采 样 序 号 , k = 0, 1, 2, ; uk 为 第 k次 采 样 时 刻 的 输 出 值 ; ek 为 第 k次 采 样 时 刻 输 入 的偏 差 值 ; kI 为 积 分 系 数 , KI = KP / TI; u0 为 开 始 进行 P I控 制 的 原 始 初 值 。根 据 工 程

25、 设 计 方 法 , 按 照 实 际 系 统 的 具 体 要求 计 算 得 到 两 个 调 节 器 的 实 际 参 数 , 然 后 将 模 拟P I调 节 器 离 散 化 得 到 数 字 P I调 节 器 后 , 求 得 以 下数 字 调 节 器 的 参 数 :电 流 比 例 系 数 I_ KP = 4A14H, Q12格 式 ;电 流 积 分 系 数 I_ KI = 134AAAH, Q12格 式 ;电 流 积 分 饱 和 修 正 系 数 I_ KC = 000DH, Q12格 式 ;速 度 比 例 系 数 N _ KP = 5666H, Q12格 式 ;速 度 积 分 系 数 N _ KI

26、 = 71000H, Q12格 式 ;速 度 积 分 饱 和 修 正 系 数 N _ KC = 0199H, Q12格 式 ;电 流 最 大 值 IMAX = 7666H, Q12格 式 。4 结 论本 文 根 据 上 海 一 精 密 仪 器 加 工 系 统 进 行 了 设计 。 该 系 统 的 基 本 参 数 和 设 计 要 求 是 2 7 : 电 动机 功 率 PN = 200 W , UN = 48 V, IN = 317 A , nN =200 r/m in, 电 枢 电 阻 Ra = 6 , 电 枢 回 路 总 电 阻 R= 8 , 电 动 势 系 数 Ce = 0112 V m i

27、n / r, 允 许 电 流过 载 倍 数 = 2, 电 磁 时 间 常 数 T1 = 01015 s, 机 电时 间 常 数 Tm = 012 s, 电 流 反 馈 滤 波 时 间 常 数 Toi= 01001 s, 转 速 反 馈 滤 波 时 间 常 数 Ton = 01005 s。设 调 节 器 输 入 输 出 电 压 Unm 3 =U im 3 =Ucm = 10 V ,调 节 器 输 入 电 阻 R0 = 40 k 。 已 知 电 力 晶 体 管D202的 开 关 频 率 f = 1 kHz, PWM环 节 的 放 大 倍 数Ks = 418。 要 求 是 : 进 行 动 态 参 数

28、 设 计 , 设 计 指 标为 : 稳 态 无 静 差 , 电 流 超 调 量 i F 5% , 有 抗 负 载性 能 , 空 载 起 动 到 额 定 转 速 时 的 转 速 超 调 量 n F20% , 过 渡 过 程 时 间 ts 011 s; 进 行 数 字 化 控 制 ;有 完 善 的 自 动 保 护 功 能 。根 据 生 产 系 统 的 基 本 要 求 , 利 用 高 性 能 的 专用 DSP芯 片 TMS320LF2407A的 强 大 运 算 能 力 和 快速 实 时 处 理 能 力 , 本 文 提 出 的 PWM双 闭 环 直 流 调速 系 统 可 以 使 转 速 和 电 流 调

29、 节 器 复 杂 的 控 制 算 法更 加 容 易 编 程 实 现 , 实 现 了 全 数 字 化 控 制 , 结 构简 单 、 性 能 良 好 。 与 模 拟 直 流 调 速 系 统 相 比 , 具有 易 于 改 变 控 制 算 法 、 程 序 易 于 移 植 、 控 制 精 度高 、 可 靠 性 好 、 调 速 范 围 宽 、 静 差 率 小 、 功 率 因数 高 等 优 点 。 这 种 系 统 在 可 逆 、 小 功 率 驱 动 、 精密 仪 器 制 造 生 产 线 等 领 域 中 有 着 广 泛 的 应 用 。参 考 文 献 1 陈 伯 时 . 电 力 拖 动 自 动 控 制 系 统

30、: 运 动 控 制 系 统 3版 M .北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 2003. 2 江 思 敏 , 戴 向 国 , 李 伟 . TMS320LF240x DSP应 用 程 序 设 计教 程 M . 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 2003. 3 江 思 敏 . TMS320LF240x DSP硬 件 开 发 教 程 M . 北 京 : 机械 工 业 出 版 社 , 2003. 4 王 晓 明 , 王 铃 . 电 动 机 的 DSP控 制 : TI公 司 DSP应 用 M .北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 , 2004. 5 王 晓 明 . 电

31、 动 机 的 单 片 机 控 制 M . 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大学 出 版 社 , 2002. 6 苏 彦 民 . 电 力 拖 动 系 统 的 微 型 计 算 机 控 制 M . 西 安 : 西 安交 通 大 学 出 版 社 , 1988. 7 Leonhard, W. 电 气 传 动 控 制 M . 吕 嗣 杰 译 . 北 京 : 科 学出 版 社 , 1988. 8 Leonhard, W. Control of Electrical D rives 3 rd ed . Sp ringer2Verlag, 2001. 9 Texas Instruments Second G

32、eneration TMS30 U serps Guide, 1987. 10 王 兆 安 , 黄 俊 . 电 力 电 子 技 术 (第 四 版 ) M . 北 京 : 机 械工 业 出 版 社 , 2000.作 者 简 介 : 林 立 ( 1972年 - ) , 男 , 湖 南 武 冈 市 人 , 硕 士 研究 生 , 讲 师 , 研 究 方 向 为 电 力 电 子 与 电 力 传 动 。45微 电 机 2007年 第 40卷 第 4期 (总 第 160期 ) 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/