基于DSP的电机控制模块课程设计

电机控制模块课程设计目录前言..............................................................................................................................................一、课设要求............................................................................................................................1、1课题研究的目的.......................................................................................................1、2任务..........................................................................................................................二、系统总体设计2.1、系统组成框图.................................................................................................................2.2、系统主电路.....................................................................................................................2.3、采样调理电路.................................................................................................................2.4、滤波电路设计.................................................................................................................三、控制策略与算法3.1、PID算法................................................................................................................................3.2、SPWM波程序设计...............................................................................................................3.2.1、SPWM波概念..............................................................................................................3.2.2、产生SPWM波算法.....................................................................................................3.2.3、SPWM实现程序流程图..............................................................................................3.3、交流采样测量程序实现........................................................................................................3.3.1、交/直流变换采样方式..................................................................................................3.3.2、均方根法.......................................................................................................................3.3.3、基于瞬时无功理论的检测方法...................................................................................3.2.4、傅里叶级数法...............................................................................................................四、实验的MATLAB仿真实现…......................................................................................................五、课设总结....................................................................................................................六、参考文献………………………………………………………………………………………附录一、各模块原理图与PCB图附录二、源程序代码前言：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。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。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。开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；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。一、课设要求1、1课题研究的目的1、巩固电机控制课程的理论知识。2、学习和掌握中电力电子系统控制系统设计的基本方法，设计一个三相400Hz中频静止电源；3、养学生独立分析和解决工程问题的工作能力及实际工程设计的基本技能；4、提高编写技术文件和制图的技能。1、2任务对三相400Hz中频静止电源的理论进行研究，设计一台样机，参数为400Hz，电压36V，容量为100VA，电压稳定度96%，失真度小于5%，效率80%。二．系统总体设计2、1系统组成框图检测调理光驱电源DSP图1系统组成框图由图1可知系统主电路由采样调理电路、控制电路、光电隔离驱动电路和保护电路组成。2、2系统主电路负载图2主电路系统组成框图系统主电路是典型的AC-DC-AC逆变电路，由整流电路、中间电路、逆变电路和隔离变压器构成。整流电路将输入的三相交流电经整流；中间电路滤波后的直流电供给逆变器；逆变电路将直流电逆变为400Hz的三相正弦交流电。主电路系统组成框图如图2所示。2、3采样调理电路该检测调理电路由霍尔检测、偏置电路和滤波三部分组成。若采样电压有效值220V,可以选择LEM的LV25-P电压传感器测量电压，转换率为2500:1000由于进入DSP的信号范围为0-3V，LT308-S7的副边额定有效电流为150mA，所以选择RM=20欧姆的测量电阻。该电压传感器原边额定有效值电流为10mA，因此原边选择R1=22k的限流电阻；副边额定有效值电流为25mA，选择RM=120欧姆的测量电阻。偏置电路和滤波具体参数如图3所示：图3电压检测调理电路2、4滤波电路设计常见的滤波电路有LC,LCL等，LC滤波的电路如图4所示：LCZ图4LC滤波电路滤波电路的输入输出传递函数为：1111()1jnCHjjnLjnC式中，1为基波角频率，n为谐波次数。令截止频率LC10，则：02221111()()11()HHjnLCn0的选择决定了幅频特性的基本特征。0越大，对高频的衰减能力越差，0越小，对高频的衰减能越强，但是L、C参数值增大，会使滤波器成本增加，体积变大，因此需要合理选择0。由于根据图4所示，设滤波电路后端等效负载阻抗为Z。则在该处阻抗满足匹配条件：000(1)(1)jCZZjLjCZ令截止频率LC10，则：CLZ继而可得，0ZL01ZC三、控制策略与算法本系统采用DSP2812为主控器件，软件代码采用C语言编程，所有小数运算均转化为Q15格式处理以提高运算速度。程序由主程序和一个中断服务程序组成，主程序主要完成初始化和均方根值得计算；定时下溢中断完成信号的采集、运算和PWM波的输出。程序流程如图5所示：在该实验的程序设计时，根据控制系统需要实现的功能，涉及到了PID控制算法的应用、SPWM波程序设计和交流采样程序设计三个方面。3.1、PID控制算法在本系统中选用数字PID控制算法，数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，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，对被控对象进行控制，故称PID控制器。数字PID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。因此，需要采用离散化方法。tDIpdtteTdtteTteKtu0)()(1)()(sTsTKsEsUsGDIp11)()()(图5DSP的序流程图PID控制器各校正环节的作用如下：(1)比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正传号，从而加