当前位置：文档之家 › 直流电机数字控制系统的设计

直流电机数字控制系统的设计

  • 格式：docx
  • 大小：397.84 KB
  • 文档页数：9

电机数字控制系统的设计摘要：介绍了一种直流电机控制系统,该系统以TMS320F2812 DSP芯片作为核心处理单元,搭建了驱动、采样、保护等硬件电路,利用TMS320F2812的高速运算能力,实现电流、速度双闭环的全数字P I调节、PWM控制等算法。

试验结果表明,整个系统稳定、可靠、实时性良好,为数字脉宽调制系统提供了一种可行的方案。

0引言采用数字方式控制的电力拖动系统与传统的模拟方法实现的电力拖动系统相比 ,表现出诸多的优越性。

随着永磁材料和工艺的发展 ,近年来多将小功率范围内的直流电机的励磁部分改用永磁材料代替 ,使得电机结构更简单、体积更小、更省电。

长期以来凭借着简单的控制性能、高效平滑的运转特性 ,直流电机一直占据着速度控制和位置控制控制的统治地位。

而以采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制( PWM )的控制方式 ,是实现直流电机数字控制的主流方式。

文中提出了一种基于TMS320F2812 DSP芯片实现的电流、转速双闭环的永磁直流电机的数字控制系统。

1系统硬件设计在所设计的控制系统中 ,硬件电路主要包括 DSP控制电路 ,电流及速度检测电路 ,功率驱动与保护电路、人机接口 (液晶和键盘接口 )电路、通信接口电路。

系统硬件框图如图 1所示 ,下面对主要电路做介绍。

1.1 DSP控制电路双闭环直流调速系统是一个实时控制系统 ,要求控制器具有较高的运算速度和处理能力才能满足实时控制的要求。

该设计采用基于TMS320C2xx内核的 32位定点数字信号处理器5亿次指令[1],高速低功耗 ,支持 JTAG边沿扫TMS320F2812,该芯片每秒可执行 11描技术 ,内含 32 ³32乘加器 ,一个 TMS320F2812内部拥有 2个事件管理器 ,分别为 EVA和 EVB ,每个事件管理器内都有 2个定时器、 6路 PWM波产生器、 3个捕捉口 ,多种通讯方式 : SPI、SC I、ECAN、MCBSP等等。

2电流及速度检测电路11电流检测采用 Honeywell公司的 CSNR161电流霍尔传感器。

被测电流通过电流霍尔传感器经过电阻采样后 ,所得电压信号通过反向比例运算电路及加减求和运算电路调理 ,得到范围为 0～3V的电压信号 ,最后将其送入到 TMS320F2812的模数转换接口 ADC IN1经 A /D转换产生电流反馈信号。

速度检测使用多摩川公司的增量式光电编码器 ,它可以输出 A、B两路频率变化且相位相差 90°的脉冲。

将该装置通过机械传动机构与电机轴相连 ,输出的脉冲数量和电机的转速成正比 ,增量式光电编码器和 DSP的 QEP电路配合使用 ,对输入脉冲四倍频提高分辨率。

3 功率驱动与保护电路11采用 H型双极性驱动电路如图 2所示。

所谓双极性是指在一个 PWM波周期里电机电枢电压呈正负变化。

通过 DSP的 PWM输出引脚PWM1～PWM4输出的控制信号进行控制 ,4个开关管分成两组 , V1、V4为一组 , V2和 V3为另一组。

同组的开关管同步导通或者关断 ,不同组开关管之间的导通关断的关系正好相反。

因此平均电压 Ua的计算公式为 : 式为:U a=[t1/T-(T-t1)T]U s=(（2 t1/T）-1)U s=(2a-1)U s式(1)中当a = 0时, Ua = - Us ,电机反转;当a = 1时, Ua =Us ,电机正转。

当a =1/2 时, Ua = 0,电机不转,通过调节占空比 a 即可实现 PWM调速。

双极性驱动时电机工作在 4个象限上 ,低速时的高频振荡有利于消除负载的静摩擦 ,提高系统的动态性能。

功率管 IGBT采用西门康 ( SEM IKRON )公司的 SKM600GB066D。

IGBT驱动模块选用 CONCEPT的 SCALE DR IVER系列产品 (2SD106A I) ,该集成模块有如下特点 :拥有短路和过流保护功能 ;高门极驱动电流 , ±6～± 30 A;高达 500～10 kV的电气隔离 ;开关频率 >100 kHz;直流端电压监控 ;内嵌 DC /DC转换器。

外围电路搭建简单 ,保护功能强 ,抗干扰能力强[2]。

14 人机接口电路1键盘电路采用 4 ³4矩阵式键盘 ,从 I/O口引线组成行、列结构 ,按键设置在行列的交点上 ,采用扫描查询法确定哪个按键被按下。

液晶显示器采用内藏 T6963控制器的点阵式液晶显示模块 MS12864F,可显示汉字、图形、字符。

与 DSP的接口电路采用 4条控制总线和 8位并行数据总线的方式。

15 通信接口电路1为了方便转速信号的采集和系统的调试 ,利用 TMS320F2812 DSP的 eCAN总线模块与外部的一块周立功 USBCAN智能接口卡搭建了通信接口 ,实现了与上位机的通信。

2控制算法和软件设计图 3给出双闭环数字调速系统的结构图 ,采用速度外环 ,电流内环组成的全数字双闭环控制系统[3] ,其核心是引电流调节器 ACR和速度调节器ASR。

电流调节器[4]的作用主要有两个 :一是在直流电动机启动和大范围加减速时起电流调节和限幅作用 ,因为为此时速度调节器 ASR呈饱和状态 ,其输出信号一般作为极限给定值加到电流调节器上 ,电流调节器的作用结果是使绕组电流迅速达到并稳定在其最大值上 ,从而实现快加、减速和电流限幅作用 ;二是使系统的抗电源扰动和负载扰动的能力增强。

速度调节器的主要作用有 :使转速根据给定值变化 ,稳态运行无静差 ;在负载变化(给定电压变化或产生扰动 )而出现转速偏差时 ,依靠 ASR的调节起到抗扰动的作用 ;当转速出现较大的偏差时 , ASR的输出限幅值决定了所允许的最大电流 ,作用于 ACR,以获得较快的动态响应。

控制作用的强弱取决于比例系数 ,系数越大 ,控制越强 ,但过大会导致系统震荡 ,破坏稳定性。

积分调节的作用是消除静态误差。

但它也会降低系统的响应速度 ,增加系统的超调量[5]。

用数字信号处理器取代了传统的双闭环直流调速系统中的外环速度调节器 ASR、内环电流调节器 ACR,实现了对系统 PI调节的软件化。

系统的给定由电位器输入改为键盘输入保证了系统给定的精确性。

ACR和 ASR调节器都采用了 PI调节器 ,体现在程序中即电流环控制程序和转速环控制程序都调用了 PI运算子程序。

当电机在启动、停止或是大幅度增减设定值时 ,短时间内系统输出很大的偏差值 ,这会使得 PI运算的积分积累很大 ,引起输出的控制量增大 ,容易引起积分饱和效应。

数字 PI调节基本算法有位置式和增量式两种算式 ,这两种算式无本质的差别。

与位置式相比 ,增量式的优点是积分饱和的情况得到改善 ,使得系统的超调量减少 ,过渡过程时间短 ,系统的动态性能有所提高。

本系统中不允许有大的超调量 ,所以采用了增量式 PI算法。

211 数字 PI调节器的 D SP实现模拟 PI调节器的控制系统的原理如图 4,其中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之差构成偏差。

由此可知模拟的 P I系统的控制规律的数学模型为:u ( t) = KP [【e ( t) + t1/TI ∫e ( t) d t 】+ U0 (2) 其中U0为 PI控制开始前的初值, KP为比例系数, TI为积分常数。

使用 DSP对电机进行控制时 ,使用的是数字 PI调节器 ,而不是模拟 PI调节器。

在计算机中只能根据采样时刻的偏差值计算控制量,而且只能识别数字量,因此( 2)式的积分项不能直接使用。

需要进行离散化处理。

连续时间t用一系列的采样时刻点kT代替,采用矩形法进行数值积分,以求和代替积分,得到相应的离散 PI表达式。

对( 2)式离散化后得到:uk=Kp [ e ( t) + e k T∑e j]+ u0 ( 3)k为采样序列号, 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;u0为开始 PI控制时的初始值。

由式( 3)可得第k -1个采样式输出值为:k-1u k -1= Kp+[e k+t1/T1∑ ] + U0 (4)TI j= 1( 3)式和( 4)式相减得到增量式 PI算法公式: ∑Δuk = uk –u K-1 = Kp [(ek –e k-1)] ]+T TIek ( 5)进一步简化,令第k次采样时刻的输出值的增量为:Δuk = Kp （Δek +IΔek） (6)uk -1为第k -1次采样时刻的输出值; ek -1第k -1次采样时刻输入的偏差值;Δek = ek -ek -1 ;I =T TI。

由( 6)式可见增量式 PI算法只与最近两次采样值有关,不需要进行大量的数据存储和累加,不易引起误差积累,易于进行算法的数字化,计算量少且实时性好。

对( 5)式进行有限次数的乘法和加法,便可快速地计算出 PI调节器的输出uk。

一旦确定了Kp、TI、T,只要使用前后两次测量的偏差就可由( 6)式求出控制增量Δuk。

212程序流程图软件部分主要由主程序和中断服务程序组成。

图 5 (a)给出了控制系统的主程序流程图 ,主程序主要包括上电自检和对 DSP内核系统进行初始化 ,启动系统中使用的定时器 ,模数转换模块的初始化 , PWM输出模块的初始化等 ,然后进入循环体 ,查询键盘状态和调用显示子程序并等待系统中断。

当发生中断时优先去执行中断服务程序 ,在中断服务程序中完成系统的控制。

图 5 (b)给出了 ADC中断处理子程序的处理流程。

双极可逆 PWM控制系统中 ,直流电动机的电枢电流一般呈脉动变化 ,不可避免地遇到尖脉冲干扰的现象 ,为此 ,采用平均值法做数字滤波。

每个 PWM周期都进行一次电流采样和电流 PI调节 ,由于速度时间常数较大 ,需要经过若干个 PWM波周期才对速度进行一次调节。

这样 PI运算前转速值和电流值这两个参数都会到更新。

PI运算的结果送到比较寄存器 ,比较寄存器值与周期寄存器值的比值即为 PWM波形的占空比 ,这样就使得占空比在线及时得到更新 ,实现实时控制。

为了防止 H型双极性驱动电路的上下桥臂的 IGBT同时导通 ,对死区控制寄存器进行设置 ,便可产生带死区 PWM波形。

3系统调试结果以一台控制对象功率为 35 kW,额定电压为 210 V,额定电流 174 A,额定转速为 3 000 r²min -1的永磁直流电机对控制系统进行测试。

为了保证系统的转速稳定性 ,采用工程整定法进行了 PI调节器的参数整定试验 ;同时 ,为了保证系统安全可靠运行 ,还进行了系统保护功能试验 ,当电枢电流超过预设最大值时 ,系统能够实现保护功能。

图 6 (a)为上下桥臂的 PWM波形 ,A为 PWM1; B为 PWM2。

合集下载

直流伺服电机控制系统设计

直流伺服电机控制系统设计

电子信息与电气工程系课程设计报告设计题目：直流伺服电机控制系统设计系别：电子信息与电气工程系年级专业：学号：学生姓名：2006级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书摘要随着集成电路技术的飞速发展，微控制器在伺服控制系统普遍应用，这种数字伺服系统的性能可以大大超过模拟伺服系统。

数字伺服系统可以实现高精度的位置控制、速度跟踪，可以随意地改变控制方式。

单片机和DSP在伺服电机控制中得到了广泛地应用，用单片机作为控制器的数字伺服控制系统，有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。

本设计研究的直流伺服电机控制系统即以单片机作为核心部件,主要是单片机为控制核心通过软硬件结合的方式对直流伺服电机转速实现开环控制。

对于伺服电机的闭环控制，采用PID控制，利用MATLAB软件对单位阶跃输入响应的PID 校正动态模拟仿真，研究PID控制作用以及PID各参数值对控制系统的影响，通过试凑法得到最佳PID参数。

同时能更深度地掌握在自动控制领域应用极为广泛的MATLAB软件。

关键词：单片机直流伺服电机 PID MATLAB目录1.引言 ...................................................... 错误!未定义书签。

2．单片机控制系统硬件组成.................................... 错误!未定义书签。

微控制器................................................ 错误!未定义书签。

DAC0808转换器.......................................... 错误!未定义书签。

运算放大器............................................... 错误!未定义书签。

按键输入和显示模块....................................... 错误!未定义书签。

直流电机闭环调速控制系统设计和实现

直流电机闭环调速控制系统设计和实现

实验报告直流电机闭环调速控制系统设计和实现班级:姓名:学号:时间:指导老师:2012年6月一、实验目的1．了解闭环调速控制系统的构成。

2．熟悉PID 控制规律，并且用算法实现。

二、实验设备PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块三、实验原理根据上述系统方框图，硬件线路图可设计如下，图中画“○”的线需用户自行接好。

上图中，控制机算机的“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚P1.4，输出PWM 脉冲经驱动后控制直流电机，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259 的7 号中断，用作测速中断。

实验中，用系统的数字量输出端口“DOUT0”来模拟产生 PMW 脉宽调制信号，构成系统的控制量，经驱动电路驱动后控制电机运转。

霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。

在参数给定情况下，经PID 运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。

系统定时器定时1ms，作为系统采样基准时钟；测速中断用于测量电机转速。

直流电机闭环调速控制系统实验的参考程序流程图如下：四、实验步骤1．参照图 6.1-3 的流程图，编写实验程序，编译、链接。

2．按图6.1-2 接线，检查无误后开启设备电源，将编译链接好的程序装载到控制机中。

3．打开专用图形界面，运行程序，观察电机转速，分析其响应特性。

4．若不满意，改变参数：积分分离值Iband、比例系数KPP、积分系数KII、微分系数 KDD 的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。

5．注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0 的状态应保持上次的状态。

当DOUT0 为1 时，直流电机将停止转动；当DOUT0 为0 时，直流电机将全速转动，如果长时间让直流电机全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0的排线拔掉或按系统复位键.五、心得体会此次实验是直流电机闭环调速控制系统的设计和实现，通过这次实验，让我了解了闭环调速控制系统的基本构成。

基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统

基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统

基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统本文主要研究基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统。

直流电机是工业生产中常用的电机，其调速系统对于保证生产效率和质量至关重要。

因此，研究直流电机调速系统的控制方法和参数设计具有重要意义。

本文将首先介绍直流电机的数学模型和调速系统的工作原理，然后探讨常规PID控制器的设计方法和参数控制原理，最后通过MATLAB仿真实验来研究数字PID控制器的设计和应用。

2 直流电机调速系统的数学模型直流电机是一种常见的电动机，其数学模型可以用电路方程和动力学方程来描述。

电路方程描述了电机的电气特性，动力学方程描述了电机的机械特性。

通过这两个方程可以得到直流电机的数学模型，为后续的控制器设计提供基础。

3 直流电机调速系统的工作原理直流电机调速系统是通过控制电机的电压和电流来改变电机的转速。

其中，电压和电流的控制可以通过PWM技术实现。

此外，还可以通过变换电机的电极连接方式来改变电机的转速。

直流电机调速系统的工作原理是控制电机的电压和电流，从而控制电机的转速。

4 常规PID控制器的设计方法和参数控制原理常规PID控制器是一种常见的控制器，其控制原理是通过比较实际输出值和期望输出值来调整控制器的参数，从而实现控制目标。

常规PID控制器的参数包括比例系数、积分系数和微分系数，这些参数的选取对于控制器的性能有重要影响。

常规PID控制器的设计方法是通过试错法和经验公式来确定参数值。

5 数字PID控制器的设计和应用数字PID控制器是一种数字化的PID控制器，其优点是精度高、可靠性强、适应性好。

数字PID控制器的设计方法是通过MATLAB仿真实验来确定控制器的参数值。

数字PID控制器在直流电机调速系统中的应用可以提高系统的控制精度和稳定性。

6 结论本文主要研究了基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统，介绍了直流电机的数学模型和调速系统的工作原理，探讨了常规PID控制器的设计方法和参数控制原理，最后研究了数字PID控制器的设计和应用。

直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统课程设计

直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统课程设计

电力拖动课程设计题目：直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统姓名：学号：班级：指导老师：课程评分：日期目录一、设计目标与技术参数二、设计基本原理（一）调速系统的总体设计（二）桥式可逆PWM变换器的工作原理（三）双闭环调速系统的静特性分析（四）双闭环调速系统的稳态框图（五）双闭环调速系统的硬件电路（六）泵升电压限制（七）主电路参数计算和元件选择（八）调节器参数计算三、仿真（一）仿真原理（含建模及参数）（二）重要仿真结果（目的为验证设计参数的正确性）四、结论参考文献附录1：调速系统总图附录2：调速系统仿真图一、设计目标与技术参数直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统的设计目标如下：额定电压：U N=220V；额定电流：I N=136A；额定转速：n N：=1460r/min；电枢回路总电阻：R=0.45Ω；电磁时间常数：T l=0.076s；机电时间常数：T m=0.161s；电动势系数：C e=0.132V*min/r；转速过滤时间常数：T on=0.01s；转速反馈系数α=0.01V*min/r；允许电流过载倍数：λ=1.5；电流反馈系数：β=0.07V/A；电流超调量：σi≤5%；转速超调量：σi≤10%；运算放大器：R0=4KΩ；晶体管PWM功率放大器：工作频率：2KHz；工作方式：H型双极性。

PWM变换器的放大系数：K S=20。

二、设计基本原理（一）调速系统的总体设计在电力拖动控制系统的理论课学习中已经知道，采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。

这主要是因为在单闭环调速系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。

如图2-1所示。

图2-1 直流调速系统启动过程的电流和转速波形用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。