华中科技大学
硕士学位论文
基于DSP的直流直线电机控制的研究与开发
姓名：程立
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：艾武;陈幼平
20040422
华中科技大学硕士学位论文
摘要
作为一种利用电能直接产生直线运动的电子机械装置，直线电机可以直接驱动机械负载作直线运动，它所具有的突出优点已使其越来越受到人们的重视。
本文在前人研究成果的基础上，深入研究了直流直线永磁电动机的位移和频率控制方法，结合电机控制专用的高速的数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，设计了电机的运动控制程序，使得电机的精确定位以及高频往复运动得以实现。
文中对直线电机的运动原理及其结构进行了分析，在此基础上建立了直流直线电机的数学模型并提出了电机的控制方案和整个控制系统的结构。电机的控制系统是由位移检测装置、控制器、隔离电路、功率放大器以及上位计算机组成，其中ＤＳＰ控制器是电机控制系统的关键部分，它负责对电机的位移反馈信号进行处理并输出控制信号来控制电机的运动。ＤＳＰ控制器所具有的特别适用于电机控制的事件管理器模块使得电机的控制易于实现并且硬件结构简单，软件设计容易实现。
要使电机精确地实现预定的运动，控制软件是关键。整个控制程序由主程序、通用定时器周期中断子程序、串行口通信子程序、电机对零子程序以及位移调节子程序组成。其中位移控制是由ＰＩＤ算法来实现的。在完成了控制程序的设计后，文中进行了实验，将电机运动过程中的位移量和运动时间绘制成曲线，其控制效果良好，这证明控制程序是切实可行的。
关键词：直流直线电机数字信号处理器位移检测ＰＩＤ控制控制程序设计
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｓａｍｃｃｈａｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｔｏｄｉｒｅｃｔｌｙｇｅｎｅｒａｔｅｌｉｎｅａｒｍｏｖｅｍｅｎｔｆｒｏｍｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙ，ａｌｉｎｅａｒｍｏｔｏｒＣａｒｌｄｒｉｖｅｌｏａｄｓｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｌｉｎｅａｒｍｏｖｅｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ
ａｔｔｅｎｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎａｒｏｕｓｅｄｔｏｔｈｅｌｉｎｅａｒｍｏｔｏｒｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｉｓｔｅｄａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ，ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｍｅｔｈｏｄｓｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｔｒｏｌｏｆｌｉｎｅａｒＤＣｍｏｔｏｒ（ＬＤＭ）ａｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｎｄａｒｅｌａｔｅｄｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｗｉｔｈａｓｐｅｃｉａｌｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｈｉｐ，ｎａｍｅｌｙＤＳＰＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，ｆｏｒｔｈｅｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ８０嬲ｔｏｒｅａｌｉｚｅａｐｒｅｃｉｓｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒ．
ＡｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆＬＤＭｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｊｅｃｔａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆＬＤＭａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＬＤＭ．Ｕｓｕａｌｌｙ，ａｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
ｍｅａｓｕｒｅｄｅｖｉｃｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅ，ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｄｒｉｖｅｍｏｄｅｌａｎｄＰＣ．Ａｓｏｎｅｋｅｙｐａｒｔｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅｉｓｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｉｇｎａｌｆｒｏｍｔｈｅｍｏｔｏｒａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｏｆｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅｅｖｅｎｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｏｆＤＳＰｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｍａｋｅｓｉｔｅａｓｙｔｈａｔｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄｅｓｉｇｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍ，ａｎｄａｌｓｏｉｔｍａｋｅｓｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｍｐｌｅｒ．ＡｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｆｏｒｔｈｅａｃｃｕｒａｔｅｍｏｔｉｏｎｏｆＬＤＭ．ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｏｆｔｗａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｓｕｂ－ｍｏｄｕｌｅｓ，ｎａｍｅｌｙａｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍ，ａｎｐｅｒｉｏｄｉｎｔｅｒｒｕｐｔｐｒｏｇｒａｍｆｏｒｇｅｎｅｒａｌ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬｉｎｅａｒＤＣＭｏｔｏｒＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＤｅｔｅｃｔｉｎｇ
Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－－Ｉｎｔｅｇｒａｌ??ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｇｒａｍ
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：哥翌皇’
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１绪论
１．１课题的来源
本课题是国家８６３计划项目《高响应直线电机及其伺服驱动器的研究与开发》（项目批准号为２００２ＡＡ４２３１２０）以及湖北省自然科学基金项目《基于模糊神经网络的非线性复杂系统智能控制方法研究》（项目批准号为２００２ＡＢ０２６）中的《短行程微进给赢线电机伺服驱动系统的研究与开发》的重要组成部分。
１．２课题研究的发展概况
１．２．１直线电机概况
直线电机是一种将电能直接转化为赢线运动，而不需要通过任何中间转换机构的新颖电机，它具有广阔的应用和发展前景，是２０世纪下半叶电工领域出现的具有新原理、新理论的新技术。它所具有的突出优势，已越来越受到人们的重视。直线电机可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。同传统的旋转电机相比，它有以下一些优点：
（１）采用直线电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生推力，因此，它可以省去中间转换机构，简化了熬个装置或系统，保证了运行的可靠性，提高了传递效率，降低了制造成本，易于维护。
（２）普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制；而直线电机运行时，它的零部件和传动装置不象旋转电机那样会受到离心力的作用，因而它的直线速度可以不受限制。
（３）直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，它在驱动装置中，其运动可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少了机械损耗，例如直线电机驱动的磁悬浮列车就是如此。
（４）旋转电机通过钢绳、齿条、传动带等转换机构转换成直线运动，这些转换机构在运行中，其噪声是不可避免的；而直线电机是靠电磁推力驱动装置运行的，故整个装置或系统的噪声很小或无噪声，运行环境好。
（５）由于直线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体。所以可以在一些特殊场合中应用，例如可在潮湿甚至水中使用，可在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用，也可在几千度的高温下或零下几百度的低温下使用。
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（６）由于直线电机结构简单，其散热效果也较好，特别是常用的扁平型短初级直线电机，初级的铁心和绕组端部直接暴露在空气中，同时次级很长，具有很大的散热面，热量很容易散发掉，所以这一类直线电机的热负荷可以取得很高，而且不需要附加冷却装黉ｆ”。
直线电机的发展历史最早可追溯到１６０多年前，１８４０年惠斯顿（Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ）开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机。在其后的一段时间里，由于电机理论、工艺技术、控制技术以及应用领域等多方面的制约因素，直线电机的发展出现了停滞。但自１９７１年以来，随着在上述制约因素领域里取得了巨大的进步，直线电机进入了全面的开发应用阶段。这一时期世界各国出现了许多直线电机的产品，例如前苏联生产的液态金属电磁泵。美国Ｘｙｎｅｔｉｃｓ公司生产的自动绘图仪、法国生产的直线电机记录仪、ＥｄｗａｒｄｓｏｆＥｎｆｉｅｌｄ公司生产的铝和有色金属工业用的新型挤拉机、日本三洋公司生产的直线电机驱动的电唱机、英国ＨｅｒｂｅｒｔＭｏｒｒｉＳ公司生产的桥式吊车、传送带和一般机械搬运设备等。
相对于国外，国内的直线电机研究起步较晚，发展不稳定，六十年代比较热，八十年代前期滞退，八十年代后期至今又有较大发展。现在国内已出现了一支直线电机的开发、研究队伍，一些大专院校、科研单位和工厂积极丌展了各类直线电机的基本理论和开发应用的研究。我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如浙江大学的遥控直线电机窗帘机、世界首创的新型电磁式直线电机冲床、圆盘直线电机驱动并利用其电磁内热的炒茶机、西安交通大学的一种新型电磁打泊机、上海工业大学的浮法玻璃生产用的直线电机、直线电机驱动的自动门等等，关于直线电机国内已有许多项专利【２，３】。但相比国外，在这一领域我国还是存在着较大的差距，因此研制我国自己的高精度的直线电机是很必要的。
１．２．２电机控制技术的发展
一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围巳遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。除了人们己经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等。另一方面，由干应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高，如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子。
在实际中，电机应用己由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是“运动控制”。运动控制使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展ｆ５．６１。
１．２．３电机控制器的发展
电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想，因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。
随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加，用户也不断提高对电机控制技术的要求。总是希望能在驱动系统中集成更多的功能，达到更高的性能。许多设备试图使用８位或是准１６位的微处理器实现电机的闭环控制，然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现。例如，在很多领域（如工业、家电和汽车），用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机。这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现。但是这可能超出上述微处理器的计算能力。
使用高性能的数字信号处理器（ＤＳＰ）来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前最为普遍的做法。将一系列外围设备如模数转换器（Ａ／Ｄ）、脉宽调制发生器（Ｐ哪）和数字信号处理器（ＤＳＰ）集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的ＤＳＰ芯片。近年来，各种集成化的单片ＤＳＰ的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好，价格却大幅度降低。低端产品的价格巳接近单片机的价格水平，但却比单片机具有更高的性能价格比。越来越多的单片机用户开始选用ＤＳＰ器件来提高产品性能，ＤＳＰ器件取代高档单片机的时机己成熟。
首先，与单片机相比，ＤＳＰ器件具有较高的集成度。ＤＳＰ具有更快的ＣＰＵ，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和ＦＩＦＯ缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了Ａ／Ｄ和采样／保持电路，可提供ＰＷＭ输出。更为不同的是，ＤＳＰ器件为精
简指令器件，大多数指令都能在一个周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令周期内可完成多条指令。同时ＤＳＰ采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线，使ＤＳＰ器件具有高速的数据计算能力。而单片机为复杂指令系统计算机（ＣＩＳＣ），多数指令要２～３个指令周期来完成。单片机采用冯．诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令和数据、ＡＬＵ只能做加法，乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指令周期，也就是说速度比较慢。所以，结构上的差异使ＤＳＰ器件比准１６位单片机单指令执行时间快８～１０倍，完成一次乘法运算快１６～３０倍。ＤＳＰ器件还提供了高度专业化的指令集，提供ＴＦＦＴ快速傅立叶变换和滤波器的运算。此外，ＤＳＰ器件提供了ＪＴＡＧ（ＪｏｉｎｔＴｅｓｔＡｃｔｉｏｎＧｒｏｕｐ）接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便。
其次，基于ＤＳＰ芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求。通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利技术的保密。现在各大ＤＳＰ生产厂家都推出自己的内嵌式ＤＳＰ电机控制专用集成电路。如占ＤＳＰ市场份额４５％的美国德州仪器公司，凭借自己的实力，推出了电机控制器专用ＤＳＰ—ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ。新的ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘＤＳＰ采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ２ｘＬＰｌ６位定点ＤＳＰ核，并集成了一个电机事件管理器，后者的特点是可以最佳方式实现对电机的控制。该器件利用ＴＩ的可重用ＤＳＰ核心技术，显示出ＴＩ的特殊能力一通过在单一芯片上集成一个ＤＳＰ和混合信号外设件，制造出面向各种应用的ＤＳＰ方案。ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ作为第一个数字电机控制器的专用ＤＳＰ系列，可支持用于电机控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等功能。集成的ＤＳＰ核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式Ａ／Ｄ设计等诸多功能块加在一起，就可以提供一个单芯片式数字电机控制方案。系列中的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７包括一个４０ＭＩＰＳＤＳＰ核、两个事件管理器、３２位的中央算术逻辑单元、多达１６通道的１０位Ａ／Ｄ转换器、６４Ｋ的Ｔ／ｏ空间和一个３２Ｋ字的闪速存储器，它利用ＴＭＳ３２０的定点ＤＳＰ软件开发工具和
ＪＴＡＧ仿真支持，可使电机控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机使用。另外，美国模拟设备（ＡＤ）公司也不甘落后，与著名的Ｉｎｔｅｌ公司合作，生产出ＡＤＭＣ３ｘｘ系列电机控制专用ＤＳＰ，性能与ＴＩ公司的产品相差不大，也是基于ＡＤ公司的１６位定点ＤＳＰ设计的，并且也集成了三相ＰＷＭ发生器年ＮＡ／Ｄ转换器。
第三，ＤＳＰ运算速度快，控制策略中可以使用先进的实时算法，如自适应控制、卡尔曼滤波、状态预估等，大大提高控制系统的品质。而且ＤＳＰ控制软件可用ｃ语言或汇编语言编写或者二者嵌套使用。因此采用ＤＳＰ芯片制造的电机控制器便于用户的调试和应用。
最后，在越来越多的场合，如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等，他们往往是规模比较大，时序、组合逻辑都很复杂的情况，这时如果同时运用ＤＳＰ芯片和一
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些其它的可编程逻辑器件可以大大减小系统的体积、提高系统运算能力，实现复杂的实时控制Ⅲｌ。
１．３课题研究的目的和意义
高速切削理论创立以来，特别是应用于立铣刀加工铝合金获得巨大成功后，高速机床得到了迅猛发展。紧随高速机床之后，标准机床的切削速度也越来越快，主轴转速已高达１２０００ｒ／ｍｉｎ，进给量可达２５ｍ／ｍｉｎ。高速机床在提高主轴转速的同时，必须具有高的轴向进给速度和高的进给加、减速度。传统的滚珠丝杆进给系统由于本身结构的限制，难以满足以上要求。这样，以直线电机驱动的高速机床进给系统便应运而生。直线电机可以直接驱动刀具工作台，这样就取消了驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节，从而克服了传统驱动方式的传动环节带来的缺点，显著提高了机床的动态灵敏度、加工精度和可靠性。
直线电机作为一种机电系统，将机械结构简单化，电气控制复杂化，符合了现代机电技术的发展趋势。它的最大特点是满足了人们对机床进给系统伺服性能提出的更高要求：有很高的驱动能力、快速进给速度和极高的快速定位精度。在整个直线电机系统中，电机是执行部分，而要实现直线电机运动时的精确定位、速度调节等控制，还必须有一个优良的控制系统，并配以先进的算法。这也是整个课题的研究重点。在高精度微进给的数控机床伺服驱动系统中，对于直线电机的控制要求很高，合适的控制算法能很好地适合伺服控制的要求。伺服控制技术经历了几个阶段的发展，到现在已进入了一个全新的阶段，其主要标志为智能功率集成电路和数字信号处理器的出现，使得伺服系统模块化和全数字化容易实现，长期以来建立在现代控制理论或其它一些复杂控制算法基础上的控制原理得以快速在线计算及进行对系统的优化处理。美国ＴＩ公司推出的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘ芯片，将ＤＳＰ的高速运算能力和面向电机的高效控制能力集于一体，使得实现伺服控制系统的全数字化成为可能。该芯片具有丰富的周边接口，能使系统的结构大为简化，并能实现系统的在线实时控制。而且，由于控制采用数字化，不易受干扰，稳态跟踪精度高、动态响应快、鲁棒性好［９３０］。因此，开发出性能良好的控制软硬件，应用于直线电机，可以推动直线电机在我国的应用，对我国直线电机的发展有很重要的意义。
影响直线电机工作的问题牵涉到材料、结构、工艺、测量及其驱动控制等诸多因素。因此在研制过程中对一些关键技术问题必须进行“综合治理”。此处主要进行以下工作的研究：
（１）对高响应直线电机伺服驱动系统，采用数字与模拟混合控制方式基于ＰＩＤ控
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制方法，以满足高速加工的动态响应快、稳态跟踪精度高、抗干扰能力强和鲁棒性好的技术要求。
＜２）在软件和硬件上开发出具有自主知识产权的数模混合式控制方式高响应直线
＿
电机伺服驱动器。研发出满足一定推力下的短行程微进给高响应直线电机样机。１．４本文所做的工作
（１）制定控制方案
根据合同的指标要求以及电机的机械结构，最终形成整个系统的控制方案。本文决定采用ＤＳＰ作为控制芯片，运用ＰＩＤ调节原理来实现电机的位移控制，运用振动理论相关的知识来实现电机的频率调节。
（２）程序编写
程序采用基于ＤＳＰ的汇编及Ｃ语言的混合编程。目前已经完成了所有模块的编制工作，包括ＤＳＰ控制芯片与上位机的通信、位移调节、频率控制等模块。
（３）程序调试及实验
根据控制要求进行了程序的调试并完成了一系列的实验，包括电机控制参数的确定、电机频率的测试、时间．位移曲线的绘制。
６
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２．１前言
２直流直线电机的控制系统总体结构
为了分析研究和综合设计符合性能指标的自动控制系统，首先要建立系统的数学模型，有了系统的数学模型，就可以综合各种合适的控制算法，组成理想的控制系统。文中在分析了电机的工作原理和结构后，提出了整个控制系统的总体结构。
２．２直流直线电机的工作原理
按照直流直线电动机的基本工作原理，直流直线电动机的结构有多种类型。根据磁动势（或磁通）源的不同，直流直线电动机可分为永磁式和电磁式两大类。永磁式是采用永久磁铁做磁通源，而电磁式是用直流电流来激励的。永磁式直线直流电动机容易达到无刷无接触运行。但永磁材料由于质硬，很难进行机械加工，因而一般来说永磁式电动机的制造成本比电磁式高。而电磁式比永磁式多了一项激磁耗损。直流直
水动矩
外直磁圈————■形
状线
————斗型磁
磁战铁铁直
流
电
动
电动柿
机——————■磁
铁式型图２．１直线直流电动机的基本结构分类
线电动机的基本结构分类如图２．１所示ｆｌｏＩ。
本课题研究的电机为永磁式动圈型直流直线电动机，其磁铁为环状永磁铁。由文献【１】知永磁式动圈型直流直线电机工作原理如图２．２所示，图中线圈可沿铁棍轴向自由移动。在线圈的行程范围内，永久磁铁给予它大致均匀的磁场曰。当线圈中通入直流电流，时，载有电流的导体在磁场中就会受到电磁力的作用。这个电磁力的方向可由Ｆｌｅｍｉｎｇ左手定则来确定。即让左手掌正对着Ｂ方向，四指顺着电流方向，则拇指
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所指的方向即为线圈所受电磁力作用的方向。电磁力的大小可由下式算出：
Ｆ＝ＢＬＩ＝删（２．１）式中，Ⅳ…．线圈匝数；
，…一线圈导体每匝处在磁场中的平均有效长度（ｍ）；
工～一绕组线圈总长（ｍ）
曰…．线圈所在空间的磁感应强度（Ｔ）；
，…．线圈导体中的电流（Ａ）。
王
．甲，玉
［Ｉ＼口
１／＼｝
图２．２永磁式动圈型直流直线电机工作原理图
只要线圈受到的电磁力大于线圈支架上存在的静摩擦阻力，就可使线圈产生直线运动。这就是直线直流电动机工作的基本原理。
２．３直流直线电机的数学模型
为使电机动子在未通电的情况
下总是处于某一平衡位置，在电机的
移动线圈和电机外壳之间安装两根
弹簧。文中所研究的直线电机的结构
简图如图２．３所示。
电机由内外环形磁铁、杯套（与
运动轴固定在一起）、弹簧、通电线
圈和机座外壳组成，其中两根弹簧在图２．３本课题直线电机结构图
安装时都有一定预压，保证电机运动轴在其行程范围内都会受到两根弹簧的弹力。当通电线圈中通有电流时，在电磁力的作用下，杯套和轴一起做直线运动。而且由电磁
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力与通电线圈中电流方向关系可知要使电机能够克服弹簧的弹力而在两个方向上都可以产生运动，线圈中的电流也应该可以改变方向。
２．３．１直流直线电机的力平衡方程式
线圈中通电时，电磁力大小如式（２．１）所示。从力学中可知受的弹簧阻力和摩擦力才能使动子产生直线运动。
由力平衡关系有：
ＢＬｌ—Ｋｘ—Ｆ，＝ｍａ
其中电磁力克服了动子所
（２．２）
置……一弹簧的弹性系数（Ｎ／ｎｕｎ）
Ｘ……一电机轴的位移量（ｍｍ）
只……．电机轴和外壳之间的摩擦力Ⅲ）
ｍ……动子的质量（即杯套、运动轴以及位移检测装置的质量和）（ｋｇ）
口……．动子的加速度（ｍ／ｓ）
可见式（２．２）表示电机运动位移变化时电机的力平衡关系，也称为电机动态力平衡式。在设计和选择直线直流电动机时，通常要考虑力平衡的要求。Ｂ和￡是表征电机内部的两个重要参数。因为它们只取决于所给的电机的尺寸和材料，所以乘积ＢＬ是一个特性参数，代表电磁力和电枢电流之比，称为赢线直流电机的力常数。由式（２．２）可知，要控制直线电机的位移，可以通过控制其绕组线圈中的电流来实现。
２．３．２直流直线电机电压平衡方程式
１．电枢绕组中的反电动势Ｅ
通有电流，的电枢绕组（线圈）在气隙磁密口中会产生电磁力，这只是电磁现象中的一个方面；另一方面，当电枢在磁场力作用下一旦产生运动后，电枢绕组的导体会切割磁力线产生感应电动势Ｅ，感应电动势的方向根据楞次定律总是指向反对电枢电流，的方向，因而称为绕组的反电动势。反电动势的大ｄ，ｎ－Ｉ用下式表示：
Ｅ＝ＢＬｖ（２．３）式中
ｖ……．电枢（动子）切割磁力线的速度（ｍ／ｓ）
由此可见，力常数（ＢＬ）在数值上也可用感应电动势和速度之比来表示。
２．电动机的电压平衡方程式
９
设电动机的电枢端电压为【，，电枢回路的电阻为Ｒ（动线圈本身的电阻以及和它串联的驱动电路中的电阻）。根据电路的基尔霍夫第二定律∑Ｅ＝ＥＵ，可得稳态时电枢回路的电压平衡方程式，即
Ｕ＝Ｅ＋ＩＲ（２．４）稳态时电枢电流为
，：—Ｕ－—Ｅ（２．５）
Ｒ
可见，直线直流电动机稳态电流不仅与外加电压ｕ以及电枢回路的电阻胄有关，而且还和动子的速度有关，即和电机的反电动势Ｅ＝ＢＬｖ有关。
从式（２．３）和（２．４）可求得动子的稳态速度
ｖ：—Ｕ－—ＩＲｆ２．６１
ＢＬ
实际上，直流直线伺服电动机在控制系统中通常处在动态的情况下。此时电枢绕组的电感是不可忽略的，因而动态时的电压平衡方程式应写为
Ｖ＝口＋ｉＲ＋厶譬ａｔ（２．７）
２．３．３高频往复运动时直流直线电机的数学模型
在高频往复运动时，由直线电机的结构可将
其简化为弹簧．质子模型，如图２．４所示。其中
ｍ为动子质量。动予可视为质点，它受到电磁力
Ｆ＝ＢＬｌ，摩擦力ｆ以及弹簧力Ｆｋ＝Ｋｘ的作用，
动子在此三力的作用下运动。
我们知道，实际的振动系统总免不了由于阻
尼而消耗能量，从而使振幅不断衰减。在振动系图２．４弹簧一质子模型图
统存在阻尼的情况下，要获得等幅的振动，只能靠给系统施加周期性的外力，对系统作功，从而不断为系统补充能量来实现等幅振动。当补充的能量与耗散的能量相等时，系统便能做等幅振动。给振动系统施加的这种周期性的外力叫策动力，在策动力的作用下系统的振动称为受迫振动。当直线直流电机做高频等幅运动时，其所做的运动即为受迫振动，其模型为弹簧…质子模型。
为简单起见，设策动力是随时问按余弦规律变化的简谐力Ｈｃｏｓｒｏｔ。由于同时受到弹性力和摩擦阻力的作用，物体受迫振动的微分方程为
１０
ｄ２ｘ
。，
川—ｄｔ—２
２一ＫＪｙ鲁＋胁ｓ脚，（２．８）其中，为阻尼系数，Ｈ为策动力的最大值，称为力幅，∞为策动力变化的角频率。令
‰２＝告，一＝而‘开ｈｉ万砰，略摩擦力。则可得（２．８）式的解为２口：上，＾：旦。由于摩擦系数很小，在此忽，”ｍ
ｚ＝４Ｐ一皿ｃｏｓ（～／％２一∥２ｔ＋靠）＋』ｃｏｓ（耐＋≯）（２．９）其稳定状态为
善＝Ａｃｏｓ（ｃｏｔ＋庐）（２．１０）
将（２．１０）式代入（２．８）式，可得处于稳定状态的受迫振动的振幅为
４２丽‘硒ｈ研‘２?１１）
肚面工硒Ｋ丽…１Ｊ
可见对于作受追振动的系统来说，其振幅与加在其上的策动力的最大值成正比，而要想使其在外加策动力的作用下达到需要的频率出，就应该给它施加频率也为ＣＯ的策动力［１２，１３】。
２．４控制系统的控制方案及总体结构
自动控制系统中，为了获取控制信号，要将被控制量ｙ与给定值ｒ相比较，以构成误差信号ｅ＝ｒ－ｙ，直接利用误差ｅ进行控制，使系统趋向减小误差，以至使误差为零，从而达到使被控制量Ｙ趋于给定值ｒ的目的［２５】。在此处的电机控制中也采用这种思想：在点位控制中，将给定位移作为给定值ｒ，而将检测到的位移量作为被控制量Ｙ，在控制过程中不停地检测Ｙ值并与给定值ｒ相比较，将偏差ｅ经过一定的变换后得到控制电压并输出使电机运动，这样只要有偏差就会有输出变化，电机就会运动，直到偏差达到允许范围为止，这时也达到了我们的控制目的；在高频运动时，可以首先给电机加上一定频率的成正弦变化的电压，使电机运动。通过上面的讨论我们知道，此时电机的运动属于受迫振动，它的振动频率也就是给电机施加的正弦波的频率，只要控制正弦电压的电压幅值，就可以控制电机振动时的振幅。这就是电机控制的基本思想。控制系统由上位控制用ＰＣ、ＤＳＰ控制器、位移检测模块、隔离模块以及功率放大器组成。其中位移检测装置采用光栅尺（光栅传感器），控制器采用ＴＩ（ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）
公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ控制芯片，同时由于ＤＳＰ控制器的输出不足以驱动电机运动，因此还必须采用功率放大器来驱动电机，最后为了将控制器与驱动模块隔离以提高安全性、提高系统的抗干扰能力以及实现电机控制电压的双极性，在控制器与驱动模块之间加入了隔离电路。整个控制系统组成如上图２．５所示。其中箭头的方向为控制电流或信号的方向。
图２．５控制系统总体结构图
２．５本章小结
本章在介绍了直流直线电动机的工作原理和结构的基础上，给出了它的运动方程和电压平衡方程并将其模型等效为弹簧一质子模型，以确定电机实现高频往复运动时需要的力的条件，并在此基础上给出了电机控制系统的总体结构。
１２
３直流直线电机的控制算法研究
３．１ＰＩＤ控制算法的特点
在工业过程控制中，目前采用最多的控制方式仍然是结构简单，在很宽的范围内都能保持较好的鲁棒性，操作也很简单的ＰＩＤ控制方式。将偏差的比例（Ｐ）、积分（Ｉ）和微分（Ｄ）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控制对象进行控制，这样的控制器称为ＰＩＤ控制器。ＰＩＤ控制器是控制系统中技术比较成熟，且应用最广泛的一种控制器。它的结构简单，参数容易调整，不一定需要知道系统的确切的数学模型，因此在工业的各个领域中都有应用。
Ｐ／Ｄ控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟ＰＩＤ控制器是通过硬件（电子元件、气动和液压元件）来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到计算机控制系统中，将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称作数字ＰＩＤ控制器，所形成的一整套算法则称为数字ＰＩＤ算法。数字ＰＩＤ控制器与模拟ＰＩＤ控制器相比，具有非常强的灵活性，可以根据实验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能【１４ｌ。
在实际应用中的直线电机多为直线电动机，直线电动机作为驱动源又广泛应用于直线伺服系统中。直线伺服系统与传统的“旋转电动机＋滚珠丝杠”传动式相比，虽然消除了机械传动链所带来的一些不良影响，极大地提高了系统的快速反应能力和运动精度，但由于系统的参数摄动、负载扰动等不确定因素的影响将直接反映到直线电动机的运动控制中，而没有任何中间的缓冲过程，因此增加了电气电子控制上的难度。这就是说，在传动链上机械方面的简化必将导致电气控制上的难度增加，也提高了对传感器分辨率和反应能力的要求。
ＰＩＤ控制器早在上个世纪３０年代末期就出现，经过多年的更新换代，ＰＩＤ控制得到了长足的发展。特别是近年来，随着计算机技术的飞速发展，发生了由模拟ＰＩＤ至ＩＪ数字ＰＩＤ控制的重大转变。与此同时还涌现出了许多新型ＰＩＤ控制算法和控制方式。到目前为止，ＰＩＤ控制仍然是历史最久、生命力最强的基本控制方式，这是因为ＰＩＤ控制具有如下优Ａｔｌ５】：
（１）ＰＩＤ控制原理简单，使用方便，并且己经形成了一套完整的参数设计和参数整定方法，很容易为工程技术人员所掌握。
（２）ＰＩＤ控制算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息。通过对比例系数、积分时间常数和微分时间常数的适当调整，可以达到良好的控制效果。
（３）ＰＩＤ控制适应性强，可以广泛用于电气传动、伺服控制、化工、热工冶金、炼
华中科技大学硕士学位论文
油、造纸以及加工制造等各个生产部门。
（４）ＰＩＤ控制鲁棒性较强，即其控制品质对控制对象特性的变化不十分敏感。
（５）ＰＩＤ控制可以根据不同的需要，针对自身的缺陷进行改进，并形成一系列改进的算法。
正是由于ＰＩＤ控制具有上述许多优点，使得它仍然是在电气传动和过程控制中应用最广泛的基本控制方式。本节将介绍ＰＩＤ控制的基本原理、数字ＰＩＤ控制算法及其改进的几种常用的数字ＰＩＤ控制算法。
３．２数字ＰＩＤ控制原理
３．２．１模拟ＰＩＤ控制原理
常规的模拟ＰＩＤ控制系统原理框图如图３．１所示。该系统由模拟ＰＩＤ控制器和被控对象组成。图中，ｒ（ｔ）是给定值，Ｙ（ｔ）是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差
ｅ（ｔ）＝，Ｏ）一ｙ（ｆ）（３．１）ｅ（ｆ）作为ＰＩＤ控制器的输入，“（ｆ）作为ＰＩＤ控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟ＰＩＤ控制器的控制规律为
硼）咆Ｍｒ）＋吉扣）ｄｒ＋％警ｍ。（３２）式中Ｋｐ一比例系数。
正～积分系数；
％…微分系数；
‰～控制常量。
图３．１模拟ＰＩＤ控制系统原理图
在模拟ＰＩＤ控制器中，比例、积分和微分环节的作用分别是对被控制系统的现在、过去和将来作出反应。比例环节的作用是对偏差瞬间作出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数ＫＰ，ＫＰ越大，控制越强，但过大的ＫＰ会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。——由式（３．２）可见，只有当偏差存在时，第一项才有控制量输出。所以，对大部分被
４
控制对象（如直流电机的调压调速），要加上适当的与转速和机械负载有关的控制常量ｕ。，否则，比例环节将会产生静态误差。１
积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大，直到偏差ｅ（ｔ）＝０，输出的ｕ（ｔ）才可能维持在某一常量，使系统在给定值ｒ（ｔ）不变的条件下趋于稳定。
积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数Ｔ，越大，积分的积累作用越弱。增大积分常数Ｔ一会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。所以，必须根据实际控制的具体要求来确定ＴＩ。
实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量作出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在ＰＩ控制器的基础上加上微分环节，形成ＰＩＤ控制器。
微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化得越快，微分控制器的输出越大，并能在偏差值变化之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波【ｌ６，１７１。
由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟ＰＩＤ控制规律引入到计算机中来。对式（３．２）的ＰＩＤ控制规律进行适当的变换，就可以用软件来实现ＰＩＤ控制，即数字ＰＩＤ控制。
数字ＰＩＤ控制算法可以分为位置式ＰＩＤ控制算法和增量式ＰＩＤ控制算法。３．２．１位置式ＰＩＤ控制算法
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，而不能象模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。由于这一特点，式（３．２）中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法是：以丁作为采样周期，≈作为采样序号，则离散采样时间耵对应着连续时间ｔ，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，可做如下近似变换：
ｆ≈ｋＴｆｅ（ｔ）ｄｔ
—ｄｅ—（ｔ）。
出刘Ｐ（（七＝０，１，２，…）
（３．３）上式中，为了表示方便，将类似于８（耵）简化为ｅｊ，等。将式（３．３）代入式（３．２），就可以得到离散的ＰＩＤ表达式为坼＝巧＋要壹ｅｊ＋［ｅｋ誓一－（ｅｋ－ｅ，ＪＭ。（３＇４）坼＝Ｋ，＋熹∑～，）］＋‰（３．４）
１／ｊ＝ｏ１或
‰＝Ｋｒｅ，＋蟛∑ｅｊ＋世。（气一气一Ｉ）＋‰（３．５）
式中ｋ一一采样序号，ｋ＝０，１，２，…：
雌～一第ｋ次采样时刻的计算机输出值；
ｅｋ一一第ｋ次采样时刻的输入的偏差值：
略一。一一第ｔ—１次采样时刻的输入的偏差
Ａｕｋ
丘一一积分系数，ＫＩ＝Ｋｒｒ／ｒ，；
Ｋｏ…一微分系数，ＫＤ＝ｏ％／丁；
‰…一开始进行ＰＩＤ控制时的原始初值。
如果采样周期取得足够小，则式（３．４）或（３．５）的近似计算可获得足够精确的结果，离散控制过程与连续控制过程十分接近。
式（３．４）和式（３．５）表示的控制算法是直接按式（３．２）所给出的ＰＩＤ控制规律定义进行计算的，它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式ＰＩＤ控制算法。
这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对ｅ－进行累加，工作景大；并且，因为计算机输出的ｕ。对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的ｕ。将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可
１６笋
各雌卜土篓ｒ
128 在当今电气传动领域，由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，因此在要求速度调节范围宽、响应快的电气传动中，仍广泛采用直流电动机作为执行电机的直流调速系统。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中的许多特殊运行要求［１］。所以直流调速系统至今仍然被广泛地用于自动控制要求较高的各种生产部门，是调速系统的主要形式。近年来，直流电机的控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型功率电子元器件的不断出现，使采用全控型开关功率元器件进行全数字化直流脉宽调速已成为主流。随着电子技术，特别是电子计算机的高速发展，带来了伺控制系统向智能化方向的快速发展。从当前情况看，直流电动机能在大范围内实现精密的速度控制，所以，要求系统调速性能高的场合都在广泛使用直流电机控制系统。目前直流调速系统在传动领域中仍占重要的地位［２］。 本文在认真学习了直流电机调速原理和数字信号处理芯片工作原理的基础上，以ＴＩ公司推出的电机控制专用微处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２数字信号处理器为系统的控制核心，以Ｌ２９８Ｎ集成芯片为直流电机驱动电路，运用ＰＷＭ技术和ＰＩ控制算法对数字直流调速系统进行了设计。 １、基本原理 直流电机的主要调速方法 直流电动机转速ｎ的表达式： 式（１） 式（１）中：Ｕ为电枢电压； a I 为电枢电流； R 为电枢电路总电阻； e C 为与电机结构有关的电动势常数；ｎ为转速；为励磁磁通。由式（１）可知直流电机的主要调速方法有三种。（１）调压调速—调节电枢电压Ｕ，使电机速度在宽广的范围内平滑变化；（２）弱磁调速—改变励磁磁通大小使转速变化，但基于电机铁磁饱和考虑只能在额定速度以上通过弱磁做升速运行，限制了调速范围；（３）串电阻调速—通过增大电枢电阻实现调速，并伴随有巨大的功率损耗、发热和运行效率下降，很少采用。因此，直流电动机主要采用调压调速方式。 本文设计的直流调速系统采用闭环系统。闭环系统要在开环系统的基础上加上转速检测环节，如图２．１所示。目标转速和测速器检测到的电机当前转速相减，结果作为处理器的输入，处理器根据这个结果控制ＰＷＭ的占空比。当电机的实际转速比目标转速快时，处理器把ＰＷＭ的占空比调低，电机的转速变慢。当电机的实际转速比目标转速慢时，处理器把ＰＷＭ的占空比调高，电机的转速变快。如 基于ｄｓｐ直流电机调速系统的设计 李方圆 李晓 (中北大学信息与通信工程学院 山西太原 030051) 摘要：在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静，动态性能。采用DSP 控制器控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。直流电机具有调速平滑，调速范围广等优良的调速特性。又由于直流调速系统是自动化专业教学的重点，本设计为学生们提供了一个良好的实验平台，同学们可以通过此平台进行直流电机调速的实验，可以通过改变PI 参数理解PID 算法对直流电机启动和调速性能的影响。 关键词：dsp 直流电机 调速中图分类号：TM33文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)12-0128-03 Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｃ ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ LI Fang-yuan,lixiao (1North University of China. The College of Information and Communication, Taiyuan 030051, China) Abstract ：In engineering practice, There are many production machinery requirements in a certain range for speed smooth adjustment ，and ask to have good static and dynamic performance. After the controlling of DSP controller the speed control system can realize full digital, simple structure, high reliability, convenient operation and maintenance, and the motor steady state operation speed precision can achieve a higher level. And because of dc speed regulating system is the emphasis of the teaching of automation and this design provides students a good experiment platform, so that Students can experiment through the platform for dc motor speed control ,and they can change the parameters of pi to understand the influence of pid algorithm for dc motors ’starting and the performance of speed controlling. Key Words ：dsp dc motor speed control 图1 PWM 闭环控制系统组成
单片机直流电机控制实训报告
基于AT89C51单片机的直流电动机控制器设计 实训报告 专业：弹药工程与爆炸技术 班级：弹药二班 学生姓名：杨宁 指导教师：佟慧艳 能源与水利学院
1 实训目的 通过单片机实训使学生能够掌握利用Keil软件编写单片机程序，学会设计完整的单片机应用系统；依托Protues仿真平台进行单片机电子应用系统设计与仿真，使学生掌握单片机应用系统的设计技能；培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力以及实际动手能力和查阅资料能力。
2 实训任务及要求 2.1 任务描述 一单片机为控制核心设计一款直流电机电机控制系统，可以实现直流电机的加速、正转、反转等控制方式。 2.2 任务要求 1)用AT89C51单片机实现上述任务要求； 2)在Keil IDE中完成应用程序设计与编译； 3)在Proteus环境中完成电路设计、调试与仿真。
3 系统硬件组成与工作原理 3.1单片机的控制器与最小系统 单片机的最小系统是指有单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以使单片机工作的系统，一般来说，它包括单片机、晶振电路和复位电路（如图一）。 图1 最小系统设计截图 （一）控制器部分分析 AT89C51（如图2）是一种带4K字节FLASH存 储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微 处理器，俗称单片机。 AT89C51提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪 速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两 个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构， 一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支 持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及 中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，
无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机（BLDC）的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的，输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。”
图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括： 1 永磁同步电机（PMSMs）； 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机； 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机； 4 内嵌式磁铁无刷直流电机； 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机； 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的，其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电
一种无刷直流电动机控制系统设计
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一种无刷直流电动机控制系统设计 摘要：介绍了MOTORALA公司专门用于无刷直流电机控制的芯片MC33035和 MC33039的特点及其工作原理，系统设计分为控制电路与功率驱动电路两大部分，控制电路以MC33035/33039为核心，接收反馈的位置信号，与速度给定量合成，判断通电绕组并给出开关信号。在驱动电路设计中，采用三相Y联结全控电路，使用六支高速MOSFET 开关管组成。通过实验，电机运行稳定。 关键词：无刷直流电机;MC33035/33039;控制电路;驱动电路 Design of control system for Brushless DC Motors SUN GuanQun;SHI Ming;TONG LinYi;XU YiPing Abstract:It introduces the MOTORALA company used for the characteristics o f the chip MC33035 and MC33039 which control the brushless direct curren t motor exclusively and its work principle. The system design divides into tw o major parts: the control circuit and the power driver circuit, the control circ uit take MC33035/33039 as the core, receive feedback position signal, with th e speed to the quota synthesis, the judgment circular telegram winding and p roduces the switching signal. In the actuation circuit design, uses the three-p hase Y joint all to control the electric circuit, uses six high speed MOSFET swit ching valve to compose. Through the experiment, the electric motor moveme nt stable is reliable. Keywords:Brushless DC motor;MC33035/33039;control circuit;drive circuit 1.引言 永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。该电机由定子、 转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成,由于没有励磁装置,效率高、结构简单、工作特 性优良,而且具有体积更小、可靠性更高、控制更容易、应用范围更广泛、制造维护更方便 等优点,使无刷电机的研究具有重大意义。 本系统设计是利用调压调速，根据调整供电PWM电源的占空比进而调整电压的方式实 现。本设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33035，它能够对霍尔传感器检测出的位置 信号进行译码,它本身更具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 组成的系统所需 外围电路简单，设计者不必因为采用分立元件组成庞大的模拟电路,使得系统的设计、调试 相当复杂,而且要占用很大面积的电路板。 MC33035和MC33039这两种集成芯片也可以方便地完成无刷直流电动机的正反转、 运转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号的产生、电动机转速的简易闭环控制等。
直流无刷电机的控制技术 摘要围绕直流无刷电机控制运用广泛技术——基于DSP的控制系统进行了系统研究，采取模糊控制策略，设计出上位监控系统，数字化、智能化的控制系统提出方案，实践证明了系统的平稳性和快速性满足要求。 关键词直流无刷电机；DSP控制；模糊控制 0引言 数字信号（Digital Signal Processing ，DSP）是涉及很多学科，它广泛被用于很多学科与技术领域。数字信号处理器称为DSP芯片，适用在数字信号处理运算的微处理器，能够快速的在数字信号处理算法上实现。现今，DSP芯片用于运动上的控制、数控机床的控制、航天航空的控制、电力系统上的操作、自动化仪器的控制等各个领域[1]，该文主要介绍这种基于DSP芯片控制直流无刷电机智能化控制系统的设计。 1 系统结构设计 系统组成由“PC 上位机、电源单元、TMS320LF2407 DSP芯片、无刷直流电机、检测单元、功率驱动模块、通讯接口”等。（见图1） 1.1 DSP芯片的选择 DSP芯片的选择是很重要的，选对了DSP芯片才能设计出其外围电路和其他电路。DSP芯片的选择要根据实际的应用系统进行确定。DSP芯片由于场合不同选择的也就不同，我们要考虑DSP芯片的运算速度、价格、运算精度、功耗、硬件的资源等。我们根据系统要求，选择TI公司TMS320LF2407芯片。 1.2无刷直流电机 该电机采取1500转/分, 无刷直流电机采用1.78A、27V电压进行供电，电机换向电路主要是由控制和驱动组成，直流无刷电机自身属于机电能量转换部分，该部分由电机电枢、永磁、传感器组成。我们把电机的电轴绕组在定子上、把永磁放在转子上，其目的是为了实现换向。无刷直流电机的工作方式是两相导通的星型3相6状态，这样操作方式是因为转子在旋转定子电流中进行不断换相来保证两个磁场电流方向不发生改变，控制3相定子电流通电顺序与大小控制电机旋转的速度。 1.3功率的驱动模块 TOSHIBA公司采用IPM系列智能型模块，IPM主要集成了检测、控制、逻辑、保护电路这样有效提高了稳定性与可靠性。东芝的高速光耦TLP550（F）是
设计题目:直流电机控制电路设计 一设计目得 1掌握单片机用PWＭ实现直流电机调整得基本方法,掌握直流电机得驱动原理。 2学习模拟控制直流电机正转、反转、加速、减速得实现方法. 二设计要求 用已学得知识配合5１单片机设计一个可以正转、反转或变速运动得直流电机控制电路，并用示波器观察其模拟变化状况。 三设计思路及原理 利用单片机对PWM信号得软件实现方法.MCS一５１系列典型产品8051具有两个定时计数器。因为PWＭ信号软件实现得核心就是单片机内部得定时器，所以通过控制定时计数器初值，从而可以实现从８051得任意输出口输出不同占空比得脉冲波形。从而实现对直流电动机得转速控制。 .AT８9Ｃ5１得P1、0—P1、2控制直流电机得快、慢、转向,低电平有效.P3、0为PＷM波输出,P3、１为转向控制输出，Ｐ3、2为蜂鸣器。PWM控制DC电机转速，晶振为12Ｍ,利用定时器控制产生占空比可变得PＷM波，按K1键,PＷM值增加,则占空比增加,电机转快,按K2键，PＷＭ值减少，则占空比减小，电机转慢，当PWM值增加到最大值255或者最小值1时,蜂鸣器将报警 四实验器材 DＶCＣ试验箱导线若电源等器件
PROＴＵＥS仿真软件KRＩＬ软件 五实验流程与程序 #incｌuｄe 〈 reg51、h > sbiｔK1 =P１^０；增加键 ｓbit Ｋ2 =P１^１ ; 减少键 sbit K３ =P1^２；转向选择键 sbit PWＭＵOT =P3^０； PWM波输出?? ｓbｉｔｔurn_around =P3^1 ;?转向控制输出 sbiｔ BＥEP =P3^2 ；蜂鸣器 unｓiｇned iｎｔ PWＭ； void Ｂeep（void）; ｖｏiｄ deｌay（ｕnｓiｇned int n）; void main(ｖｏid) ｛ TＭOＤ=0ｘ1１；//设置T0、Ｔ1为方式1，(1６位定时器) TH0＝0 ; 65536us延时常数{ｔ=(6５536—TH)/fose／12} ?ＴL0=０； TＨ１=PＷＭ; //脉宽调节,高８位 ? TＬ１=0； ＥA=１;? //开总中断 ＥＴ0＝１; //开Ｔ0中断? ET1=１；??//开T1中断
1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停
实验四直流电机PLC控制实验一、实验目的 1．掌握PLC的基本工作原理 2．掌握PID控制原理 3．掌握PLC控制直流电机方法 4．掌握直流电机的调速方法 二、实验器材 1．计算机控制技术实验装置一台 2．CP1H编程电缆一条 3．PC机一台 三、实验内容 根据输入，实现PLC对直流电机的调速PID控制。1、输入功能 （1）功能操作，按钮1 1．1、按钮1按下一次，显示SV(设定点值)。 1．2、按钮1按下两次，显示速度设定值。 1．3、按钮1按下三次，设定P值，显示。 1．4、按钮1按下四次，显示P值。 1．5、按钮1按下五次，设定I值，显示。 1．6、按钮1按下六次，显示I值。 1．7、按钮1按下七次，设定D值，显示。 1．8、按钮1按下八次，显示D值。
1．9、按钮1按下九次，显示At（PID 自调整增益） 1．10、按钮1按下十次，自整定显示 1．11、按钮1按下十一次，复位 （2）增加按钮2，数值增加 （3）减小按钮3，数值减小 （4）确定按钮4，操作确定 2、PWM脉冲输出，接输出101.00。 3、直流电机测速，光耦，接高速脉冲输入。 4、LED显示，根据按钮输入，显示设定值/测量值/加减量。 四、实验原理 1．直流无刷电机PWM调速原理 PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和低电平的时间比,一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压。 PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压，所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节。在使用PWM控制的直流无刷电动机中，PWM控制有两种方式：(1)使用PWM信号，控制三极管的导通时间，导通的时间越长，那么
直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言 1.1 题目综述 直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。 1.2 国内外研究状况 目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。近些年来，计算机和控制技术快速发展。单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。 经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。 1.3 课题设计的主要内容 本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。本课题涉及的技术概括如下：
基于D S P的直流电机控 制系统 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
太原科技大学课程设计报告直流电机的控制 设计人：成凤强 专业：电子信息工程 班级：电子131502 学号： 0204 指导教师：张雄 二零一六年十二月
第一章设计目的及要求 (3) 一、设计目的 (3) 二、设计要求 (3) 第一章设计原理与方案 (3) 一、设计原理 (3) 二、控制原理 (7) 第三章硬件设计 (8) 一、ICETEK DSP教学实验箱简介 (8) 第四章软件设计 (17) 一、程序编制 (17) 二、实验程序流程图 (17) 第五章系统调试 (19) 一、实验准备 (19) 二、实验程序 (20)
第六章结论分析 (20)
第一章设计目的及要求 一、设计目的 1.学习用C语言编制中断程序，控制VC5416 DSP的通用I/O管脚产生不同占空比的PWM信号。 2.学习VC5416DSP的通用I/O管脚的控制方法。 3.学习直流电机的控制原理和控制方法。 二、设计要求 开始运行程序后，电机以中等速度转动(占空比=60，转速=2)。 在小键盘上按数字‘1’一‘5’键将分别控制电机从低速到高速转动(转速==1 ^-5) 。在小键盘上按数字‘0’键将控制电机停止转动。在小键盘上按‘+’或‘一’键切换电机的转动方向。 第一章设计原理与方案 一、设计原理 第一步TMS 初始化。 第二步PWM调速。 第三步键盘控制 DSP的McBSP引脚:通过设置McBSP的工作方式和状态，可以实现将它们当成通用I/O引脚使用。 2.直流电机控制:直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电了功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制((Pulse Width Modulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。 3.PWM调压调速原理
合肥师范学院本科生毕业论文（设计）开题报告 （学生用表） 装 订 线
第l章主要叙述了无刷直流电机的发展趋势、无刷直流电机的控制技术、研究背景及意义。 第2章首先介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理，然后给出了常见的无刷直流电机的数学模型及其推导过程，在此基础上对无刷直流电机的稳态特性进行了详细分析。 第3章对本控制系统的总体结构和设计进行介绍。主要包括控制系统的整体方案，控制芯片，控制技术以及控制策略的选择。 第4章对控制系统的硬件电路进行设计，包括DSP最小系统、功率驱动电路、采样检测电路、保护电路等的设计，并对各个部分进行了详细的分析。 第5章以TI公司的CCS开发环境为开发工具，对整个控制系统的软件部分进行了设计。 第6章总结与展望，总结了本文的主要工作，展望了以后工作的研究方向。 五、可行性分析 此次研究是在指导老师的指导下搜集，查阅相关资料，确定能够通过应用DSP 芯片进行控制是最优方案，采用TI公司的TMS320F2812作为控制器。根据现在无刷直流电机的控制技术的发展水平和未来的发展趋势及可操作性进行分析，该课题能够顺利进行。 六、设计方案 6.1无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机由于电刷的换向作用，使得电枢磁场和主磁场的方向在电机运行的过程中始终保持相互垂直，这样能够产生最大的转矩，从而驱动电机不停地运转下去。无刷直流电机取消电刷实现了无机械接触换相，做成“倒装式直流电机"的结构，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧。无刷直流电机必须具有由控制电路、功率逆变桥和转子位置传感器共同组成的换相装置以实现电机速度和方向的控制[5]。因此，可以认为无刷直流电机是典型的机电一体化器件，其基本结构由电动机本体、驱动控制电路及转子位置传感器三部分组成，如图所示。 无刷直流电机的构成 6.2无刷直流电机的工作原理 普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不变的磁场。为了使直流电机旋转，需要通过换相器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转[6]。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即便是这样的改变仍然不够，因为直流电通入定子上的电枢以后，产生的不变磁场还是不能使电动机转动起来。为了达到使电动机
2.4 无刷直流电动机驱动控制程序 //########################################################################## ###/// //无刷电机控制源程序 //TMS320F2812 // //########################################################################## ### //===================================================================== //头文件调用 //===================================================================== #include "DSP28_Device.h" #include "math.h" #include "float.h" //===================================================================== //常量附值 //===================================================================== #define Idc_max 3000 //电流给定最大值 #define Idc_min 0 //电流给定最小值 //===================================================================== //标志位 //===================================================================== char Iab_Data=0; struct Flag_Bits { // bits description
2012/2013学年第一学期《精密测控与系统》期末大型作业 日期：2012 年11 月 题目与要求： 直流电机转速控制问题，直流电动机物理模型如下图所示。
电动机产生的转矩与电枢电流成正比，即：t t T K i =，电枢绕组的反电动势与转速成正比，即：e d e K dt θ=，牛顿第二定律：2 2d T J dt θ=，其中J 为电机轴上的转动惯 量。 已知：转动惯量：2 2 0.01kg.m /s J =，机械系统摩擦系数：0.1N.m.s b =，电动机力矩 系数：0.01N.m/A e t K K ==，电阻：1R =Ω ，电感：0.5H L =。假设电机转动系统刚 性，输入量为直流电压V ，输出量为电机转速θ 。 问题1：建立该系统的时域数学模型。 问题2：给出该系统的传递函数，用Matlab 计算该系统的阶跃响应曲线，给出阶 跃响应的特征参数。 问题3：建立该系统的状态空间表达式，用Matlab 计算该系统的阶跃响应曲线。 问题4：加入速度反馈及PID 控制器环节，使系统性能达到: （a ） 建立时间<2s; （b ） 超调量<5%; （c ） 稳态误差<1%. 问题5：采用下图所示的模糊控制系统 系统中的模糊控制器是一个双输入单输出型的控制器，输入变量为转速的误差e 和转速误差的变化率Δe ，输出为直流电压的增量ΔV 。请选用合适的隶属度函数，建立该系统的模糊控制规则库，对电机的转速进行控制使期望转速为1000r/min ，建立时间<2s;超调量<5%;稳态误差e<±1.0%。 问题6：通过这个大型作业，谈谈你对本课程的学习心得和体会，以及对本课程授课方式的建议和改进。 一、建立该系统的时域数学模型
直流无刷伺服电机运动控制系统设计 Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片，扩展容易，使用方便。本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷/无刷伺服电机的智能伺服驱动器，并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统中，上位机通过485总线分别控制直流有刷电机和无刷电机，取得了很好的控制效果，满足了该系统的高精度要求。 在传统的电机伺服控制装置中，一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。由于这种伺服控制器外围电路复杂，计算速度慢，从而导致控制效果不理想。近年来，许多新的电机控制算法被研究并运用于电机控制系统中，如矢量控制、直接转矩控制等。随着这些控制算法的日益复杂，必须具备高速运算能力的处理器才能实现实时计算和控制。为了适应这种需要，国外许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器（DSP）。现在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成，这种方案可以根据不同需要，灵活的设计出性能很好的专用伺服控制器，但是一般研制周期都比较长。 MotionChip的特点 MotionChip是瑞士Technosoft公司开发的一种高性能且易于使用的电机运动控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外围设置了许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。TMS320C240是美国TI公司推出的电机控制专用16位定点数字信号处理器，其具有高速的运算能力和专为电机控制设计的外围接口电路。MotionChip很好的利用了该DSP的优点，并集成多种电机控制算法于一身，以简化用户设计难度为目的，设计成为一种新颖的电机专用控制芯片。MotionChip有着集成全部必要的配置功能在一块芯片的优点，它是一种为各种电机类型进行快速和低投入设计全数字、智能驱动器的理想核心处理器。具有如下特点： ?可用于控制5种电机类型：直流有刷/无刷电机、交流永磁同步电机、交流感应电机和步进电机，且易于嵌入到用户的硬件结构中； ?可以选择独立或主从方式工作，并可根据需要，设置成通过网络接口进行多伺服控制器协同工作； ?全数字控制环的实现，包括电流/转矩控制环、速度控制环、位置控制环； ?可实现各种命令结构：开环、转矩、速度、位置或外环控制，步进电机的微步进控制，并可实现控制结构的配置，其中包括交流矢量控制； ?可以配置使用各种运动和保护传感器（位置、速度、电流、转矩、电压、温度等）； ?使用各种通讯接口，可以实现RS232/RS485通讯、CAN总线通讯； ?基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台，强大功能的IPM Motion Studio 高级图形编程调试软件：可通过RS232快速设置，调整各参数与编程运动控制程序。其功能强大的运动语言包括：34种运动模式、判决、函数调用，事件驱动运动控制、中断。因此便于开发和使用。 ?可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制；也可以与Labview和PLC无缝连接，通过动态链接库，用户可以在上层开发电机的控制程序，研究控制策略。 运动控制系统设计
工学硕士学位论文 基于DSP的无刷直流电机 控制系统 鲁宗峰 哈尔滨理工大学 2005年3月
国内图书分类号：TM33 工学硕士学位论文 基于DSP的无刷直流电机 控制系统 硕士研究生：鲁宗峰 导师：张春喜 申请学位级别：工学硕士 学科、专业：电力电子与电力传动 所在单位：电气与电子工程 答辩日期：2005年3月 授予学位单位：哈尔滨理工大学
Classified Index：TM33 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE CONTROL SYSTEM OF BLDCM BASED ON DSP Candidate：Lu zongfeng Supervisor：Zhang chunxi Academic Degree Applied for：Master of Engineer Specialty：Power Electronics and Electric Power Transmission Date of Oral Examination：March, 2005 University：Harbin University of Science and Technology
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于DSP的无刷直流电动机控制系统 摘要 永磁无刷直流电动机控制系统是一种新型的调速系统。该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。尤其值得指出的是，我国稀土资源丰富，稀土磁钢生产已达到国际水平，如果充分利用和发挥我国在这方面的优势，大力发展稀土永磁电机，形成无刷直流电动机系列产品，将对提高我国机电产品在国际市场的竞争力，具有战略意义。本文正是基于这一考虑，对无刷直流电动机的控制技术与控制方法进行研究。 我们用美国TI公司专门为电机的数字化控制设计的16 位定点DSP控制器TMS320LF2407A 作为微控制器。它集DSP 的信号高速处理能力及适用于电机控制的优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与控制硬件。 本文在对永磁无刷直流电动机调速系统的发展及应用综述的基础上，介绍了采用DSP芯片对无刷直流电动机进行换向与转速控制的微机控制系统。文中给出了系统的总体设计方案，分析了无刷直流电机的工作原理和数学模型，提出了驱动电路和控制电路的设计策略。阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。文中还对硬件各种功能的控制原理和电路设计以及各软件模块(包括位置信号检测，PWM 波产生，正反转控制，故障保护中断处理等)进行了详细的分析。最后给出了样机运行的实验结果。 关键词无刷直流电动机(BLDCM)；DSP控制系统；脉宽调制 - - I
实验一直流电机速度控制与PID参数校正 一、实验目的 1、掌握调整直流伺服驱动器PID参数的方法 2、理解不同转动惯量对系统性能指标的影响 二、实验要求 通过simulink对电机进行仿真，确定合适的PID参数。随后对直流电机进行电流环、速度环、位置环的PID控制，通过改变系统转动惯量，根据期望性能指标整定直流伺服驱动器的电流环、速度环、位置环PID参数，确保理论曲线与实际曲线尽量拟合。进一步地分析直流电机控制精度的影响因素。 三、实验设备 1、直流伺服系统控制平台，GSMT2012； 2、PC、Easy Motion Studio软件； 四、实验原理 转动惯量是刚体转动时惯量的度量，其量值取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置。转动惯量在旋转动力学中的质量，所以当系统转动惯量增大后，相同的控制器参数情况下，系统的性能指标一定下降。为保持原有的性能指标，必须重新整定PID参数。 五、实验步骤 1、Easy Motion Studio软件对直流电机进行测试 Easy Motion Studio是针对直流电机控制器进行参数调整的专业软件，它能够实时在线的对电机的参数进行调整，并通过编码器对电机参数进行测试，并通过软件界面观测调试结果，最终成功选择合适的PID参数。首先，对Easy Motion Studio软件进行了解。 点击图标，进入软件界面，选择“Open”，并点击“OK”。如下图所示。
进入软件界面后，在“View”菜单下，选择“Project”即可得到以下界面。 选择在左列的下拉菜单选择“Setup”，并选择“Edit”，在这里对直流电机的参数可以方便地进行调整，并可对调整后的结果进行实时观测。需要注意的是，在这里电机应选择T54。并 选择“Save to User Database”。
32位定点DSP， 片上存储器 z FLASH：128K*16-位 z SRAM：18K*16-位 z BOOT ROM：4K*16-位 z OTP ROM: 1K*16-位 片上外设 z PWM：16路 z CAPTURE / QEP：6通道 z SCI：2路 z CAN ：1路 z SPI ：1路 z McBSP：1路 z AD ：2×8路、12-位、80ns转换时间、0～3V量程 z看门狗 z3个外部中断触发 z Flash加密 z供电电压：1.9-V （150M）/1.8VCore, 3.3-V I/O 外部数据总线：XZCS0AND1 、XZCS2 、XZCS6AND7
32位定点DSP，60M主频，便于实现工业控制和电机控制等场合。 片上存储器 z SRAM：6K*16 z FLASH：16K*16 z OTP ROM: 1K*16 片上外设 z EPWM：8路 z HRPWM: 4路，占用EPWM1A/2A/3A/4A z ECAPTURE: 2路 z SPI: 1路 z IIC: 1路 z AD: 2×8路、12-位、267ns转换时间、0～3V量程 z看门狗 z3个外部中断：由外部GPIOA进行触发 z Flash加密 z供电电压：1.8-V Core, 3.3-V I/O
TMS320F28015较TMS320F2812不同 取消了两个事件管理器，将PWM单元和CAP单元独立出来，便于设计人员从单片机向DSP过渡 无外部数据地址总线 ADC单元增加了零点校正 增强的CAP，32位计数器，也可以将CAP管脚设成PWM输出管脚 增强的PWM单元 z8路PWM，EPWMxA和EPWMxB（x为1～4） z EPWMx可以由外部同步信号（EPWMxSYNCI）进行同步控制 z每路EPWMx输出可以由外部信号TZx进行异步触发，如触发为低、高或高阻 z高解析度PWM（HRPWM），可在100 KHz 控制环路中实现16位精度，或在1.5 MHz情况下实现12 位精度，可以为电源等提供更高的输出精度 3个外部中断，任意一个GPIOA(GPIO0~GPIO31)都可以触发，TMS320F2812有3个固定的外部中断引脚 无论在何种主频下内核供电电压1.8V 内核和IO口上电顺序没有严格要求，IO不必先内核上电
第三章、用EL-DSPMCKIV实现无刷直流电动机PWM 控制方案 实验概述： 本实验是一个无刷直流电动机的PWM控制系统。结构简单，用到的模块也较少。下面给出每个模块的输入与输出量名称及其量值格式 （一）、无刷直流电动机PWM 控制原理简介 无刷直流电动机从结构上讲更接近永磁同步电动机（我们在下一章节中做详细介绍），控制方法也很简单，主要是通过检测转子的位置传感器给出的转子磁极位置信号来确定励磁的方向，从而保证转矩角在90 度附近变化，保证电机工作的高效率。定子换相是通过转子位置信号来控制，转矩的大小则通过PWM的方法控制有效占空比来调控。 我公司提供过两种直流无刷电机，一种以前提供过的57BL-02直流无刷电机的额定电压为24V，额定转速为1600rpm，转子极数为4，也就是2 极对，还有一种是现在提供的57BL-0730N1直流无刷电机，该电机额定转速为3000rpm，转子极数为10，也就是5极对，这两种电机的转子位置都由霍尔传感器提供，同时由此计算出电机的转速，控制程序样例没有电流环。 （二）、系统组成方案及功能模块划分 本实验为开环和闭环实验，通过几个模块信号处理最终用BLDCPWM模块产生IPM 驱动信号来控制直流无刷电机转动。
下图为一个开环控制的系统功能框图，参考占空比信号经由RMP2CNTL 模块处理，变成缓变信号送到PWM产生模块。霍尔传感器的输出脉冲信号，经由DSP的CAP1、CAP2、CAP3端口被DSP获取。通过霍尔提供的转子位置信息HALL3_DRV模块判断转子位置，并将该转子位置信息通过计数器传递给BLDC_3PWM_DRV 模块，该模块通过占空比输入、设定开关频率以及转子的位置信息产生相应的PWM 信号作用于逆变器中的开关管，从而驱动电动机旋转。