基于TMS320F2812的交流电机控制系统的设计

xx大学毕业设计（论文）任务书课题名称：基于TMS320F2812的交流电机控制系统的设计一、课题训练内容本课题主要学习以下几个方面内容：1)学习使用CCS编译系统和C语言来实现电机的调速控制。2)了解DSP的特点、类型和各系列差别，以及DSP芯片的工作原理与选型。3)学会使用面向电机控制的专业芯片TMS320F2812，了解2812的性能和各模块功能，特别是SPWM波产生的方法，数字PID的编程和调试。4)练习画PCB的能力，完成系统原理图及PCB制板，了解实际工程的实现方法。5)学习H桥的硬件焊接和调试，特别是驱动器的调试。6)掌握在隔离地的情况下交流电压和频率、转速的测量。7)学习交流电机恒压频比调速的基本技能。二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量的具体要求）设计任务和要求：1)搭建起一个交流电机控制平台，它具有单相交流电机的启动、停止、转速调节和控制的基本功能。2)具有良好的人机界面，操作方便。3)实现恒压频比调速的功能，达到节能的目的。4)转速控制精度达到2%。5)逆变输出的正弦波在最大输出功率时无明显失真。6)整个系统可以长时间稳定运行。7)论文能够说明整个系统的工作原理，有总原理图和程序流程图。8)论文文字简练专业，字数、格式符合要求。三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料主要参数电机转速调节范围：300-1000r/min。调节精度2%。正弦波电压测量精度优于1%。频率控制精度优于1%。DSP2812最小系统可以连续正常工作。主要参考资料：[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京:机械工业出社,2003.[2]顾卫钢.手把手教你学DSP-基于TMS320X281X[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.[3]许建国.电机与拖动基础[M].北京:高等教育出版社,2009.[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京:高等教育出版社.2006.[5]谭浩强.C程序设计（第三版）[M].北京:清华大学出版社.2005.[6]电力电子技术（第四版）[M].北京:机械工业出版社,2000.[7]邹彦.DSP原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2005.四、毕业设计（论文）进度表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查人签名检查日期12012.2.20-2012.3.8查阅资料，了解交流电机的工作原理，处理器的选型，主电路的选取22012.3.9-2012.3.19对已选DSP进行熟悉，掌握其内部结构并能予以应用32012.3.20-2012.4.1硬件电路的原理图的绘制和F2812开发板的制作42012.4.2-2012.4.11完成全桥逆变电路和驱动电路的焊接，并进行调试，52012.4.12-2012.4.15信号采集电路的焊接和调试62012.4.16-2012.4.25熟悉CCS编程环境，进行DSP的软件编写72012.4.26-2012.5.1整体调试和校正，逐一测试相关功能，进一步修改和优化软件设计82012.5.2-2按规范要求完成毕业设计论012.6.5文的撰写，参加答辩xx大学毕业设计（论文）开题报告课题名称基于TMS320F2812的交流电机控制系统的设计学院名称班级(1)课题的意义英国石油发布的《世界能源统计年鉴》显示，去年，中国首次超过美国成为世界上最大的能源消费国，中国的能源消费量占全球总消费量的20.3%，美国的比例为19%。中国的人口是美国的４倍，消费量大或许是情有可原。但从经济规模方面去比较，中国的经济规模只是美国的三分之一。为何比率为差这么多，全球20.3%的能源，都用到哪里去了？来自美国能源部的统计数字显示，中国的工业部门占能源总消耗量的70%以上。“全球第一大能耗国”的帽子虽然戴在了头顶，却未能做出应有的贡献。中国能源利用率仅有33%，每创造1美元国民生产总值，消耗的煤、电等能源是世界平均消耗的3-4倍。中国能源利用率过低，而由海外转移来的大量的、低附加值、高消耗、劳动密集型产业进一步造成中国的能源浪费、紧张，环境进一步遭到破坏。因此加快对我国能耗高、资源浪费的工业企业的技术改造和升级换代，是提高能源利用率的有效办法。众所周知，电能作为绿色能源在工业领域应用非常广泛，电机是将电能转换成动能的最主要的设备，因此提高电动机机的电能利用效率是非常有必要的，更是符合国家可持续发展战略需求和响应国家节能减排政策的重要举措。直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，这样就可以独立控制，因此可以达到优越的调速性能，但其制造复杂，成本高，功率日益不能满足现代化工业发展的需求，而交流电机因为控制复杂，磁场相互耦合，难以实现良好的控制性能。但随着电力电子技术的发展，交流变频调压的出现，使得利用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现。常见的异步电动机调速方法有：①调压调速；②转差离合器调速；③转子串电阻调速；④绕线转子异步电动机串级调速和双馈电动机调速;⑤变极对数调速;⑥变压变频调速等。按照交流异步电动机的原理，从定子传入转子的电磁功率Pm可分为两部分:一部分Pm＝(1-s)Pm是拖动负载的有效功率;另一部分是转差功率Ps＝sPm,与转差率s成正比。从能量转换的角度看,转差功率是否增大,是消耗掉还是得到回收,显然是评价调速系统效率高低的一种标志。从这点出发,可以把异步电动机的调速系统分为三大类：1.1转差功率消耗性调速系统这种类类型的全部转差功率都以转换成热能的形式而消耗掉。上述的第①、②、③三种调速方法都属于这一类。在异步电动机调速系统中,这类系统的效率最低,但结构最简单,所以还有一定的应用场合。1.2转差功率馈送型调速系统在这类系统中,除了转子铜损外，大部分则通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。转速越低,回收的功率越多,上述第④种调速方法属于这一类。这类调速系统的效率显然比第一类要高,但增加的变流装置总要多消耗一部分功率,因此不及下一类。1.3转差功率不变型调速系统在这类系统中，只有转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的,而且无论转速高低,转差功率的消耗基本不变,因此,效率最高。上述的第⑤、⑥种调速方法属于此类。其中变极调速只能有级调速,应用场合有局限性,而变频调速可以构成高动态性能的交流无级调速系统,是效率最高、最有发展前途的调速方法。(2)所属领域的发展状况2.1电力电子技术的发展从1947年贝尔实验室发明第一个晶体管开始，电力电子技术迎来一场技术革命，进入快速发展阶段，到了70年代后期，以门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶闸管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，同时，与之相对应的控制方式—脉冲宽度调制（PWM）技术也快速发展，它在逆变、斩波、镇流、变频和交流电力控制中应用广泛，它使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生深远影响。2.2微处理器和数字信号处理器的技术应用在电机控制系统中应用的控制器主要有单片机和数字信号处理器（DSP）。单片机片内集成较多I/O接口，但是运算速度较慢；DSP是面向高速信号处理的，运算速度比单片机要提高一个数量级，但是成本价格较高。为了满足需要，单片机和数字信号处理器正朝着提高集成度、增加位数、提高数据处理能力、增强扩展功能、降低成本的方向发展。电机驱动微处理器的发展分为三个阶段：第一阶段：只具有单一数据处理功能的微处理器。此时，微处理器处理速度慢，硬件配置不全，由它们组成的控制系统数字化程度有限，控制精度不高。第二阶段：单片机阶段。由于单片机的处理速度满足不了系统对电流控制的快速性要求，要实现高性能全数字控制是比较困难的。目前采用16位单片机控制的电机调速系统多采用数字和模拟混合控制方式，即位置环、速度环的控制及其旋转坐标变换等由单片机实现，电流环的控制一般由模拟电路实现。第三阶段：数字信号处理器DSP。如TI公司的TMS320F2812是专门面向电机控制的DSP芯片，DSP的最大特点就是运算速度快，能满足电流环的实时控制要求。当采用DSP构成全数字电机控制系统时，其控制功能可以由软件实现，这样有利于提高系统的可靠性，降低系统成本，并且可以采用先进的控制算法，获得更好的控制性能。2.3电机控制方法的发展电动机的控制方法从最初简单的转差功率消耗性调速系统到转差功率馈送型调速系统，发展到现在的转差功率不变型调速系统，效率不断得到提高，转差功率不变型调速系统中应用最多的恒压频比调速，在正弦波电压供电时，按不同规律实现电压-频率协调控制可以分为一下三类：a)恒压频比（1/SU=恒值），这种控制方式最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移硬度也比较好，能够满足一般的调速要求，但低频带载能力有限，需对定子压降进行补偿，但其成本最低，能够满足大多数的应用场合。b)恒1/gE控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到m=恒值，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力依然受到限制。c)恒1/rE控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通m=恒定进行控制既得1/rE=恒值，在动态中也尽可能保持m=恒定，是矢量控制系统所追求的目标，但实现起来比较复杂。(3)课题的研究内容、研究方法、研究手段和研究步骤3.1课题的研究内容本系统是交流电机数字控制系统，主要研究的内容有DSP2812双电源供电方案的设计；外扩SRAM的设计；DSP2812中断系统、时钟系统的设置；DSP事件管理器中的通用定时器和全比较单元的配置和SPWM波的产生方法的研究；捕获单元的配置和输入捕获功能的实现；数字PID的理论研究和程序的实现；H桥的驱动电路设计以及主电路和DSP控制系统的地隔离的研究；交流电压有效值的测量方法和模拟光耦隔离电路设计的研究；转速测量硬件电路设计的研究；如何实现恒压频比控制并且达到节能的目的的。其总体结构框图如下：DSP281212864液晶显示数字光耦隔离键盘IR2110驱动H桥逆变AD637测量交流有效值220V单相交流电机光电传感器测速模拟光耦隔离模拟到数字转换直流电源变压器3.2.课题的研究方法和手段1)采用TI公司的TPS767D318来产生1.8V、3.3V双路电源并且利用外围电路对这两路电源的时序进行控制，利用这个两路电源为TMS320F2812主芯片供电。2)利用DSP2812的通用定时器和全比较单元产生SPWM波形。3)利用红外对管来监测电机转动，输出转速脉冲利用DSP2812的输入捕获单元测量计算转速。4)将输入捕获单元测得转速值与转速设定值做比较，利用数字PID控制器稳定转速，提高电机运行的硬度。5)利用IR2110设计H桥的驱动电路。6)利用H桥逆变电路来产生电压幅值和频率可协调控制的正弦波。7)利用AD637测量交流有效值。8)利用ISO7220作为数字光耦和HCNR201作为模拟光耦来隔离DSP2812数子控制部分和交流电机部分。3.3.课题研究步骤第一步先确定课题题目和研究的可行性；研究电机控制方法的种类和实现方法，确定选用的控制芯片和需要研究的内容。第二步是学习TMS320F2812的性能、各功能模块的设置方式、CCS的使用方法。第三步是依据需要实现的功能编写程序，开始焊接硬件和制作最小系统板。第四步是结合硬件调试程序模块，同时检测硬件并且改进硬件。第五步是整个系统联合调试，找出存在的问题并且解决问题，直至整个系统工作稳定正常，各个功能都实现，设计指标也都达到。第六步是撰写论文，总结课题的研究成果，准备答辩。3.4主要参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.[2]顾卫钢.手把手教你学DSP-基于TMS320X281X[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.[3]许建国.电机与拖动基础[M].北京:高等教育出版社,2009.[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北