电机伺服控制系统数字化设计

南京化工职业技术学院毕业论文设计题目：基于PLC的伺服系统的运动控制系统设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

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作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教学系意见：系主任：（签名）年月日摘要本文采用运动控制系统，完成三菱电机杯竞赛的关于伺服电机如何实现系统的运动控制系统。

第一章伺服系统概述伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。

在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地尾随输入量的变化，因此又称之为随动系统或者自动跟踪系统。

机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及机电创造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步机电、感应电机为伺服机电的新一代交流伺服系统。

目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路创造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性创造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。

1.1 伺服系统的基本概念1.1.1 伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行住手。

伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵便方便的控制。

1.1.2 伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。

它由检测部份、误差放大部份、部份及被控对象组成。

1.1.3 伺服系统性能的基本要求1 )精度高。

伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。

2 )稳定性好。

稳定是指系统在给定输入或者外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。

3 )快速响应。

响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。

4)调速范围宽。

调速范围是指生产机械要求机电能提供的最高转速和最低转速之比。

5 )低速大转矩。

在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。

异步电机矢量控制的数字化系统的设计与实现摘要：为了满足交流传动系统对异步电机控制的要求，根据异步电机的工作原理和矢量控制的原理，详细分析了空间矢量脉宽调制（svpwm）算法和控制实现方法，建立了以tms320f2812型dsp 为控制核心的异步电机矢量控制数字化实验平台，实现了对异步电机的高效控制。

实验结果表明，该数字化系统具有良好的性能，实现方法简单有效便于工程实际应用。

关键词：异步电机矢量控制空间矢量脉冲调制 tms320f28121 引言矢量控制以磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系下的交流量变换到旋转坐标系下的直流量，可以将定子电流分为励磁电流与转矩电流进行分别控制，进而控制异步电机的转矩、转速[1]，从而使电机的控制效果达到直流电机的控制效果。

本文采用基于转子磁场定向的矢量控制结合svpwm对异步电机进行控制[2，3]。

以三相对称正弦电压供电时的理想圆形磁通为基准，用逆变器不同开关模式进行组合，使实际磁通逼近基准磁通。

以tms320f2812型dsp为控制核心，进行了数字化异步电机调速控制系统的研究。

2 svpwm原理及实现2.1 svpwm原理交流电机的对称三相正弦供电电压所合成的电压矢量us是一个旋转的空间矢量，以角速度ω=2πf按逆时针方向匀速旋转。

逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，定义开关函数 sx （x=a、b、c）为：（sa、sb、sc）的全部可能组合共有八个，6个非零矢量ul（001）、u2（010）、u3（011）、u4（100）、u5（101）、u6（110）和两个零矢量u0（000）、u7（111），如图1所示。

图 1 电压空间矢量图2.2电压空间时间作用时间的计算对于任意的电压矢量，可以通过某两个基本空间矢量来合成，以第一扇区为例：（2）其中ts为参考旋转电压矢量uref的作用时间，t1和t2分别为电压矢量u4和u6的作用时间，在αβ坐标系下有：（3）从上式可以得到，相邻电压空间矢量作用时间t1、t2。

论文题目：电机驱动系统的数字化控制及性能优化研究摘要本文主要研究了电机驱动系统的数字化控制及性能优化。

首先介绍了电机驱动系统的基本组成、工作原理和发展趋势，然后详细探讨了数字化控制的基本概念、电机驱动系统的数字控制器设计以及数字化控制在电机驱动系统中的应用实例。

接下来，文章分析了电机驱动系统的性能指标，并基于模型预测控制、遗传算法和粒子群优化分别进行了电机驱动系统的优化研究。

最后通过案例分析和仿真验证了所提方法的有效性。

本文的研究有助于提升电机驱动系统的控制精度和运行效率，对于推动相关领域的技术发展具有一定的理论和实际意义。

关键词：电机驱动系统；数字化控制；性能优化；模型预测控制；遗传算法；粒子群优化目录第1章绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.3 论文的主要研究内容和结构 (1)第2章电机驱动系统概述 (2)2.1 电机驱动系统的基本组成 (2)2.2 电机驱动系统的工作原理 (2)2.3 电机驱动系统的发展趋势 (2)第3章电机驱动系统的数字化控制技术 (3)3.1 数字化控制的基本概念 (3)3.2 电机驱动系统的数字控制器设计 (3)3.3 数字化控制在电机驱动系统中的应用实例 (3)第4章电机驱动系统的性能优化方法 (4)4.1 电机驱动系统的性能指标分析 (4)4.2 基于模型预测控制的电机驱动系统优化 (4)4.3 基于遗传算法的电机驱动系统优化 (4)4.4 基于粒子群优化的电机驱动系统优化 (4)第5章案例分析与仿真验证 (5)5.1 案例描述 (5)5.2 控制策略的仿真建模 (5)5.3 仿真结果与分析 (5)第6章结论与展望 (6)6.1 主要研究成果总结 (6)6.2 存在的问题与未来研究方向 (6)致谢 (7)第1章绪论1.1 研究背景与意义随着工业自动化和智能化水平的不断提升，电机驱动系统作为众多机械设备的核心部件，其控制精度和运行效率对整个系统的性能至关重要。

ＩＳＳＮ１００６－７１６７ＣＮ３１－１７０７／ＴＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＩＮＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ第３９卷第１１期　Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．１１２０２０年１１月Ｎｏｖ．２０２０　·计算机技术应用·面向伺服应用的计算机控制实验平台的设计程国扬，　胡金高（福州大学电气工程与自动化学院，福州３５０１０８）摘　要：自动化本科专业《计算机控制技术》课，是实现从控制理论走向控制工程（应用）的桥梁。

这门课介绍了基于状态空间模型的先进控制技术，但控制律的复杂性给设计和实现带来了困难。

以工业自动化常用的电机伺服系统作为控制对象，采用闭环阻尼和自然频率等作为关键可调参数，设计了全参数化的伺服控制律，并利用ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ＤＳＣ编程工具，搭建了一个计算机控制半实物仿真实验平台，用户可借助代码调制器作为操作界面，在线调整控制律的参数，观察实时控制效果。

平台提高了实验教学的效率，增强了学生对先进控制技术的领悟和对自动化专业的认同感。

由于控制律具有通用性，平台也能用于相关课程如《运动控制系统》的实验教学，若稍加改造则可用到工业伺服应用中。

关键词：计算机控制系统；数字化控制律；伺服系统；参数化设计；实验平台中图分类号：ＴＰ２７３　文献标志码：Ａ　文章编号：１００６－７１６７（２０２０）１１－０１４０－０６ＤｅｓｉｇｎｏｆａＣｏｍｐｕｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＨＩＬＴｅｓｔｂｅｄｆｏｒＳｅｒｖｏＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＣＨＥＮＧＧｕｏｙａｎｇ，　ＨＵＪｉｎｇａｏ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＦｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｏｄｕｌｅｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｔｙｐｉｃａｌｌｙｔａｕｇｈｔｔｏｓｅｎｉｏｒｓｔｕｄｅｎｔｓｍａｊｏｒｉｎｇｉｎａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ａｉｍｉｎｇｔｏｂｒｉｄｇｅｔｈｅｇａｐｂｅｔｗｅｅｎｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）．Ｔｈｅｍｏｄｕｌｅｃｏｖｅｒｓｓｏｍｅａｄｖａｎｃｅｄｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｂａｓｅｄｏｎｓｔａｔｅ ｓｐａｃｅｍｏｄｅｌ，ｂｕｔｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｓｕｃｈｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｓｐｏｓｅｓａｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｆｏｒｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｔａｒｇｅｔｉｎｇｆｏｒｍｏｔｏｒｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｓｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ａｆｕｌｌｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｉｎｇｔｈｅｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐｄａｍｐｉｎｇｒａｔｉｏａｎｄｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｓｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｔｕｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｗａｓｔｈｅｎｐｒｏｇｒａｍｍｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｏｎａＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＤＳＣ）ｂｏａｒｄ，ａｎｄａｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌＨＩＬ（ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｎ ｌｏｏｐ）ｔｅｓｔｂｅｄｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｂｅｄ，ｕｓｅｒｓｃａｎｍａｎｉｐｕｌａｔｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｔｈｅｒｅａｌ ｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｖｉａｔｈｅｕｓｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＳｔｕｄｉｏ（ＣＣＳ）ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｔｅｓｔｂｅｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｒａｉｎｉｎｇ．Ｉｔａｌｓｏｈｅｌｐｓｔｈｅｓｔｕｄｅｎｔｓｂｅｔｔｅｒａｐｐｒｅｃｉａｔｅｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆａｄｖａｎｃｅｄｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｔｈｕｓｅｎｈａｎｃｅｓｔｈｅｉｒｉｄｅｎｔｉｔｙｗｉｔｈｔｈｅｍａｊｏｒｏｆａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｅｎａｂｌｅｓｔｈｅｔｅｓｔｂｅｄｔｏｂｅｅｍｐｌｏｙｅｄｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｒａｉｎｉｎｇｏｆｒｅｌｅｖａｎｔｍｏｄｕｌｅｓ，ｓｕｃｈａｓｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｔｅｓｔｂｅｄｍａｙａｌｓｏｂｅｕｓｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｓｅｒｖｏａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｆｔｅｒｓｏｍｅｒｅｎｏｖａｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｙｓｔｅｍ；ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌｌａｗ；ｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄｄｅｓｉｇｎ；ｔｅｓｔｂｅｄ收稿日期：２０２０ ０２ １１基金项目：国家自然科学基金项目（５１９７７０４０）；福建省自然科学基金项目（２０１７Ｊ０１７４７）作者简介：程国扬（１９７０－），男，福建惠安人，博士，教授，研究方向为控制工程、电力传动系统。

基于D S P的直流电机控制系统设计摘要：直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦,可以独立控制,因此具备良好的调速性能,出力大、调速范围宽和易于控制,广泛应用于电力拖动系统中;而随着对电机控制要求的不断提高,普通的单片机越来越不能满足对电机控制的要求,DSP技术的发展正好为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持;本设计采用美国TI公司专门为电机数字化控制设计的16位定点DSP 控制器TMS320LF2407作为微控制器;该芯片集DSP信号高速处理能力及适用于电机控制优化的外围电路于一体,可以为高性能传动控制技术提供可靠高效的信号处理与控制硬件;电机的控制系统是由检测装置、主控制器、功率驱动器以及上位机组成,其中DSP控制器是电机控制系统的关键部分,负责对电机的反馈信号进行处理并输出控制信号来控制电机的转动;关键词：直流电机； DSP； PID控制器； PWMThe Design of DC Motor Control System Based on DSP Abstract：The DC motor armature magnetic field and the excitation completely decoupled, it can be independently controlled, so it has a good speed performance, contribute to a large power, widely speed range, and easy to control, so it is widely used in electric drive systems. With the motor control required for continuous improvement, common single MCU can't meet requirements of the motor control well, DSP technology just for the advanced control theory and complex control algorithm implementation provides a strong support.This design uses the American TI company specially for motor control design of digital 16 fixed-point DSP controller TMS320LF2407 as the controller. The chip set DSP signal the high processing capacity and used in motor control optimization the periphery of the circuit in a body, high performance driving control technology to provide reliable and efficient signal processing and control hardware. Motor control system is composed of detection devices, the main controller, power driver and PC componen ts, whichDSP controller is a key part of the motor control system , responsible for the motor feedback signal processing and output control sig n al to control the rotation of the motor.Keywords：DC motor, DSP, PID controller, PWM目录第1章绪论课题概述课题研究的背景电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象,按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统;根据电动机的不同,工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类;纵观电气传动的发展过程,交流与直流两大电气传动并存于各个时期的各大工业领域内,虽然它们所处的地位和作用不同,但它们始终随着工业技术而发展的;特别是随着电力电子技术和微电子学的发展,在相互竞争中完善着自身,发生着变更;由于直流电机具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,因此在工业场合应用广泛;近代,随着生产技术的发展,对电气传动在起制动、正反转以及调速能力、静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求,所以计算机控制电力拖动控制系统已成为计算机应用的一个重要内容;直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用;随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展,两者的有机结合使电力拖动控制技术产生了新的变化;电力电子技术、计算机技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉,具有广泛的应用前景;有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究;直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程;随着数字信号处理器DSP的出现,给直流调速控制提供了新的手段和方法;将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中,在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法,为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作;用计算机技术实现直流调速控制系统,计算机的选型很多;经过选择,选取DSP芯片作为控制器;直流调速系统的内容十分丰富,有开环控制系统,有闭环控制系统；有单闭环控制系统,有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统,有不可逆调速系统等9;开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；研究的目的是利用计算机硬件和软件发展的最新成果,对控制系统升级进行研究；研究工作是在对控制对象全面回顾总结的基础上,重点对控制部分展开研究,它包括对实现控制所需要的硬件和软件环境的探讨,控制策略和控制算法的探讨等内容;目前,对于控制对象的研究和讨论很多,有比较成熟的理论,但实现控制的方法和手段随着技术的发展,特别是计算机技术的发展,不断地进行技术升级;这个过程经历了从分立元件控制,集成电路控制和单片计算机控制等过程;每一次的技术升级都是控制系统的性能有较大地提高和改进;随着新的控制芯片的出现,给技术升级提供了新的可能;电机控制是DSP应用的主要领域,随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高,DSP将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用;课题研究的目的及意义长期以来,直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位;由于它具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,高质高效的平滑运转的特性,尽管近年来不断受到其它电动机的挑战,但到目前为止,就其性能来说仍无其它电动机可比;在控制系统的构成上,本课题对硬件电路进行了设计,而这个硬件系统具有一定的通用性,也即可以将它作为一个硬件平台,在其它过程控制中应用;另外,由DSP的特点量身订做,可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计,进而来构成硬件系统,这样既便于设计思想的物化,又使得设计系统更加紧凑,不浪费资源;本直流电机控制系统采用经典的数字增量式PID控制算法,在本文中对数字增量式PID控制的理论、设计和实现进行了较为详细的论述; 课题研究的现状近些年来,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,由于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1;在实际中,电机应用已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5;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5;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较为普遍的做法;将一系列外围设备如模数转换器A/D、脉宽调制发生器PWM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,各种集成化的一单片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;低端产品的价格已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13;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,提供了FFT快速傅立叶变换和滤波器的运算;此外,DSP器件提供了JTAG Joint Test Action Group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TMS320C24x DSP采用TI公司TMS320C2xLP16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30MIPSDSP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IO位A/D转换器、64K的I/0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;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;课题研究的内容本文主要研究基于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、按键模块等的基本原理及相关知识,实现对电机的速度控制;整个系统的基本思想就是利用DSP内部资源产生可控制的脉冲控制整流电压,改变串入主回路中的直流电动机的电磁转矩,实现电动机的转速调节;研究内容包括如下：1电机控制系统功能实现的分析；2控制算法与调速方法的分析与设计；3电机驱动、电源模块、按键模块、测速、显示模块的硬件设计与实现；4系统主程序、按键扫描、控制算法、测速、电机速度控制等程序的分析、设计与实现；5电机控制系统整机测试与实现；第2章系统总体设计系统的组成由图2-1可知,该设计包含DSP控制单元、功率驱动单元、检测单元、显示单元、通信单元五个部分;DSP控制单元：对来自上位机的给定信号和来自传感器的反馈信号按一定的算法进行处理,输出相应的PWM波,经过光电隔离部分,送给功率驱动单元；功率驱动单元：对来自DSP控制器的PWM信号进行功率放大后送给直流电动机的电枢两端,驱动电机与负载；速度检测单元：采集电机的速度信息,并送给主控制器；显示单元：将采集到的电机转速信息予以显示；通信单元：负责主控制器与上位机及外设的信息交换;图2-1 系统总体框图2. 2 DSP芯片选择直流电机的调速控制系统一般采用电机专用微处理器,其种类主要包括复杂指令集CISC处理器如工NTEL196MX系列单片微控制器,精简指令集RISC如日立公司SH704x系列单片微控制器,哈佛结构DSP处理器如TI公司T145320F24X系列DSP;一般用于直流电机控制的徽处理器性能要满足以下几个方面：1指令执行速度；2片上程序存储器、数据存储器的容量及程序存储器的类型；3乘除法、积和运算和坐标变换、向量计算等控制计算功能；4中断功能和中断通道的数目；5用于PWM生成硬件单元和可实现的调制范围以及死区调节单元；6用于输入模拟信号的A/D转换器；7价格及开发环境;DSP一般采用哈佛或者改进的哈佛结构,程序空间和数据空间分离,程序的数据总线和地址总线分离,数据的数据总线和地址总线分离;这种结构允许同时访问程序指令和数据,在同一机器周期里完成读和写,并行支持在单机器时钟内同时执行算术、逻辑和位处理操作,极大地提高了执行速度,并且电机控制专用DSP具备丰富的设备和接口资源;TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影响、最为成功的数字信号处理器,其产品销量一直处于国际领先地位,是公认的世界DSP霸主;本论文选择了TI公司的TMS320LF2407DSP作为直流电机控制系统的微处理器;TMS320LF2407 DSP 控制器介绍TMS320LF2407 DSP是专为数字电机控制和其它控制系统而设计的;是当前集成度最高、性能最强的运动控制芯片;不但有高性能的C2XX CPU 内核,配置有高速数字信号处理的结构,且有控制电机的外设;它将数字信号处理的高速运算功能,与面向电机的强大控制功能结合在一起,成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品12;TMS320LF2407的片内外设模块包括：事件管理模块EV、数字输入/输出模块I/O、模数转换模块ADC、串行外设模块SPI、串行通信模块SCI、局域网控制器模块CAN;1事件管理器EVA和EVBTMS320LF2407提供两个事件管理器EVA和EVB模块,每个模块包含两个通用GP定时器、3个全比较/PWM单元、3个捕获单元和一个正交编码脉冲电路;事件管理器位用户提供了众多的功能和特点,在运动控制和电机控制中特别有用;通用定时器：LF2407共有4个通用定时器,每个定时器包括：一个16位的定时器增/减计数的计数器TxCNT；一个16位的定时器比较寄存器TxCMPR；一个16位的定时器周期寄存器TxPR；一个16位的定时器控制寄存器TxCON；可选择的内部或外部输入时钟;各个GP定时器之间可以彼此独立工作或相互同步工作;与其有关的比较寄存器可用作比较功能或PWM波形发生;每个GP定时器的内部或外部的输入时钟都可进行可编程的预定标,它还向事件管理器的子模块提供时毕;每个通用定时器有4种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式、逢续增/减计数模式;当计数器值和比较寄存器值相等时,比较匹配发生,从而在定时器的PWM输出引脚TxPWM/TxCMP上产生CMP/PWM 脉冲,可设置控制寄存器GPTCON中的相应位,选择下溢、比较匹配或周期匹配时自动启动片内A/D转换器;比较单元：LF2407有6个比较单元,每个EV模块有3个;每个比较单元又有两个相关的PWM输出,比较单元的时基由通用定时器1 EVA模块和通用定时器3 EVB模块提供;每个比较单元和通用定时器1或通用定时器3,死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性可控的PWM输出;在每个EV模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚,这6个特定的PWM输出引脚可用于控制三相交流感应电机和直流无刷电机;由比较方式控制寄存器所控制的多种输出方式能轻易地控制应用广泛的开关磁阻电机和同步磁阻电机;捕获单元：捕获单元被用于高速I/O的自动管理器,它监视输入引脚上信号的变化,记录输入事件发生时的计数器值,即记录下所发生事件的时刻;该部件的工作由内部定时器同步,不用CPU干预;LF2407共有6个捕获单元,CAP1,CAP2,CAP3可选择通用定时器1或2作为它们的时基,但CAP1和CAP2一定要选择相同的定时器作为它们的时基;CAP4,CAP5,CAP6可选择通用定时器3或4作为它们的时基,同样CAP4和CAP5也一定要选择相同的定时器作为它们的时基;每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈;当捕获发生时,相应的中断标志被置位,并向CPU发中断请求；若中断标志己被置位,捕获单元还将启动片内A/D转换器;正交编码脉冲QEP单元：常用的位置反馈检测元件为光电编码器或光栅尺,它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号,其输出一般有相位差为90°的A、B两路信号和同步脉冲信号C;A、B两路脉冲可直接作为LF2407的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引脚的输入;正交编码脉冲电路的时基由通用定时器2或通用定时器4提供,但通用定时器必须设置成定向增/减计数模式,并以正交编码脉冲电路作为时钟源;2数字输入/输出模块I/ODSP器件的数子输入/输出引脚均为功能复用引脚;即这些引脚既可作为通用I/O功能双向数据输入/输出引脚,也可作特殊功能PWM输出、捕获输入、串行输入输出等引脚;数子I/O模块负责对这些引脚进行控制和设置;两种功能的选择由I/O复用控制寄存器MCRx,x=A,B,C来控制;当引脚作为通用I/O时,由数据和方向控制寄存器PxDATDIR,x=A,B,C,D,E,F指出各I/O引脚的数据方向输入还是输出和当前引脚对应的电平高或低;读通用I/O引脚的电平或向引脚输出电平,实际上是对相应的寄存器PxDATDIR进行读写操作;3模数转换器ADC模块在自动控制系统中,被控制或被检测的对象,如温度、压力、流量、速度等都是连续变化的物理量,通过适当的传感器如温度传感器、压力传感器、光电传感器等将他们转换为连续变化的电压或电流即模拟量;模数转换器ADC就是用来讲这些模拟电压或电流转换成计算机能够识别的数字量的模块;TMS320LF2407期间内部有一个10为的模数转换器ADC;该模块能够对16个模拟输入信号进行采样/保持和A/D转换,通道的转换顺序可以编程选择;4串行通信接口SCI模块2407器件的串行通信接口SCI模块是一个标准的通信异步接收/发送UART可编程串行通信接口;SCI支持CPU与其他异步串口采用标准不返回零NRZ模块进行异步串行数字通信;SCI有空闲线和地址位两种多处理器通信方式；两个输入/输出引脚：SCIRXDSCI接收数据引脚和SCITXDSCI发送数据引脚；SCI通过一个16位的波特率选择寄存器,可编程选择64K种不同速率的波特率;SCI支持半双工和全双工操作,发送器和接收器的操作可以通过中断或转换状态标志来完成;5串行外设接口SPI模块串行外设接口SPI模块是一个高速同步串行输入/输出I/O口,它能使可编程长度1—16位的串行位流以可编程的位传输速率输入或输出器件;SPI可作为一种串行总线标准,以同步方式实现两个设备之间的信息交换,即两个设备在同一时钟下工作;SPI通常用于DSP控制器与外部设备或其他控制器之间的通信,用SPI可以构成多机通信系统,SPI还可以作为移位寄存器、显示驱动器和模数转换器ADC等器件的外设扩展口;6CAN控制器模块LF24xx系列DSP控制器作为第一个具有片上CAN控制模块的DSP芯片,给用户提供一个设计分布式或网络化运动控制系统的无限可能;CAN总线是一种多主总线,通信介质可以是绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速率可达1 Mbps,通信距离可达10km;CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码,使网络内的节点个数在理论上不受限制;由于CAN 总线具有较强的纠错能力,支持差分收发,因而适合高干扰环境,并具有较远的传输距离;2407的CAN控制器模块是一个16位的外设模块,支持CAN2. 0B协议;CAN模块有6个邮箱MBOX0—MBOX5；有用于0,1,2和3号的邮箱的本地屏蔽寄存器和15个控制/状态寄存器;CAN模块既有可编程的位速率、中断方式和CAN总线唤醒功能；自动回复远程请求；自动再发送功能在发送时出错或仲裁是丢失数据的情况下；总线出错诊断和自测模式; 硬件方案论证测速传感器的选择方案一：使用测速发电机,输出电动势E和转速n成线性关系,即E=kn,其中k是常数;改变旋转方向时,输出电动势的极性即相应改变;方案二：采用霍尔传感器,霍尔元件是磁敏元件,在被测的旋转体上装一磁体,旋转时,每当磁体经过霍尔元件,霍尔元件就发出一个信号,经放大整形得到脉冲信号,送运算;方案三：在电机的转轴上套一码盘,利用光电对管测脉冲,每转一圈OUT端输出若干个脉冲;本设计中码盘每转一圈,输出4个脉冲经比较,方案一中的测速放电机安装不如方案二中霍尔元件安装方便,并且准确率也没方案二的高,并且方案二不需A/D转换,直接可以被DSP接收;但方案二的霍尔传感器的采购不是很方便,故采用方案三,它具有方案二的几乎所有的优点;方案三中可以采用定时的方法：是通过定时器记录脉冲的周期T,这样每分钟的转速：M=60/4T=15/T;0也可以采用。

基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统的研究一、本文概述随着科技的快速发展和工业领域的日益进步，永磁同步电机（PMSM）因其高效率、高功率密度以及良好的调速性能，在工业自动化、电动汽车、航空航天等领域得到了广泛应用。

永磁同步电机的控制策略复杂，需要精准的控制算法以实现其性能优化。

在此背景下，基于数字信号处理器（DSP）的永磁同步电机矢量控制系统成为了研究的热点。

本文旨在探讨基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现。

文章将介绍永磁同步电机的基本原理和控制策略，为后续研究提供理论基础。

将详细阐述基于DSP的矢量控制系统的硬件和软件设计，包括DSP的选择、外围电路设计、控制算法的实现等。

文章还将探讨矢量控制算法的优化，以提高永磁同步电机的运行效率和稳定性。

通过本文的研究，期望能够为永磁同步电机矢量控制系统的设计与实践提供有益的参考，推动永磁同步电机在实际应用中的性能提升，为工业领域的发展做出贡献。

二、永磁同步电机的基本理论永磁同步电机（PMSM）是一种利用永磁体产生磁场的同步电机。

与传统的电励磁同步电机相比，PMSM省去了励磁线圈和相应的励磁电源，因此结构更为简单，效率更高。

PMSM的理论基础主要涉及电机学、电磁场理论和控制理论。

在电机学方面，PMSM的运行原理基于电磁感应定律和电磁力定律。

电机通过定子电流与转子永磁体产生的磁场相互作用，实现电能与机械能的转换。

定子的三相电流在电机气隙中产生旋转磁场，该磁场与转子上的永磁体磁场相互作用，从而产生转矩，驱动电机旋转。

在电磁场理论方面，PMSM的设计和优化需要考虑电磁场分布、绕组设计、磁路设计等因素。

通过合理的电磁设计，可以提高电机的效率、降低损耗、提高转矩密度和动态性能。

控制理论在PMSM的运行中起着至关重要的作用。

矢量控制（也称为场向量控制）是一种先进的控制策略，它通过独立控制电机的磁通和转矩，实现了对PMSM的高性能控制。

矢量控制将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，通过调节这两个分量的大小和相位，可以实现对电机转速、转矩和功率的精确控制。