基于DSP的直流电机数字调速系统设计

“模拟差”无法实现这一点，此时宜采用“数字差”。
液晶
测速机
川一 川一
薤倒倒倒……Ｉ｛ｌ ＤＳＰ
直流 、 电机
薯鬻Ｍ— （ＴＭＳ３２０Ｆ２８ ２） Ｍ一
出值；ｅｔ为第ｋ次采样时刻输入偏差值。
进一步化简式（３）得：
／Ｘｋ＝Ｕ“ｌ＋孟，Ｐ（ｅＩ—ｅ☆一１）＋７ＸＩｅｔ
（４）
式中：／Ｚ。为第ｋ－１次采样时刻输出值；ｅ¨为ｋ－１次采样时
生，研究方向为太功率开荧电源及光伏毵电，
电力电子与电力传动。
万方数据
下，醌呈正损交替变化。当ＶＴｌ，ＶＫ导通时，ＶＥ，ＶＥ 截止，电枢绕组承受从Ａ到Ｂ的正向电压；反之电 箍绕组承受从Ｂ刭Ａ懿反囊电压。一个ＰＷＭ嗣裳 内电机承受的电枢电艉平均值为：
珏｛每～争》强（争一１）Ｕ产（２Ｄ－１）阢（１）
Ｍ４
魏取决予露的大，ｌ、，改变霸值瑟可达裂调速的善 的。设计中采用了图１所示的直流电机Ｈ型双极性 可逆ＰＷＭ驱动系统，ＰＷＭ由ＤＳＰ控制。
在～个麟熊震麓两缀开关管交替导通博嚣
慕盛项目：国辫自然科学瀛念资助项目（５０６７７０５６）。 宠攘基期：２∞７一０９～１７ ｛皋鸯篙贪：曹太强（１９６９－），男，霹蛾寓壤人，博士谚究
绣，
｛
ｔ／（２０ ｍｓ／格１
图７ ５０ Ｈｚ突变到５１ Ｈｚ时输出电压相位的跟踪情况
５结论 详细分析和比较了３种软件锁相方法，强霉指针
！日零法、先调频后调相法、同时调频调相法，在适用 范围、所爆ＤＳＰ资源以及锁桷速度等方蕊的优缺
图５周时调频调相锁相情况
点。其中，指针归零法采用一个Ｃａｐ口，薄个定时 器，适合频率稳定的场合，锁相速率最快，但ｕ耐有畸
雾鸵卷第２褰
２００８警２其
奄力电子撬拳
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ。４２，Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００８
基于ＤＳＰ的直流电机数字调速系统设计
营太强。，许建平１，昊 昊２，王 杰２ （１．西南交通大学，四川成都６１００３１；２．电子科技大学，四川成都６１００５４）
穗甏：蝥蔷蚕两大多采蘑模糍方法实瓒整滚迄祝夔鞠驴麓囊邃，该方法不双逛臻复杂，丽鼹莓靠整羞。鉴，手蓖。提出充 分利用ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２）芯片的高速运算功能，即以数字控制替代传统的模拟ＰＩＤ控制来完成豢流电视的ＰＷＭ
（１）类似。
（４）％＞霉。且％落后珏沁对瓦。的调节与情况
（２）类似。 图５示出输入电压频率在４０ Ｈｚ和７２０ Ｈｚ稳
态时．采用同时调频谲相成功锁穗静情况。图６示
出同时调频调相的流程图。
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增强系统抗电源扰动和负载扰动的能力。图４示出
系统程序流程图。
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图２ ＰＷＭ系统硬件框图
图２中的电流反馈由安装在电枢电压线上的霍 尔器件采样．电阻将其转化为电压信号，再经过绝对 值电路后进行Ａ／Ｄ采样．所得到的电流反馈值将用 于电流环调节。用户给定速度和转动方向后，ＤＳＰ计 算出ＰＷＭ占空比．输出ＰＷＭ信号经光耦合驱动 ＩＧＢＴ桥．电动机将按照用户要求的速度和方向转 动。控制ＰＷＭ占空比之前，需对Ａ／Ｄ采样所得的数 据进行ＰＩ调节即比例积分调节．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。比例系数越大，控制越强，但过大
ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅＬＴｅｓｔ ｆ鹅珏廷ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｅｒｒｉｆｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．
刻输入偏差值；Ｋ。为积分常数，Ｋ，＝Ｋｐ／Ｋ。。
通过有限次乘法和加法可快速计算出ＰＩ调节
器的输出。设计中使用的是速度与电流双环调节。
速度调节器的作用是对给定速度和反馈速度之差
按一定规律进行运算，并利用运算结果对电动机进
行调速控制。电流调节器有两个作用：一是在启动
和大范围加减速时起调节电流和限速的作用；二是
变；先调频后调摆法也采用一个Ｃａｐ口，诱个定时 器。适合频率稳定和变化的场合，锁相速度一般，聪商
无畸变；同时调频调相法采用两个Ｃａｐ口，３个定时 器，适合频率稳定帮交化的场合，珏《无畸变，且相位
和频率跟踪的速度较快，是一种较为理想的软件锁
相方法。
图６同时调频调相流程圈
（上接第７４页）运行，系统具有很好的低速调节性能１４】。 ５结束语
ＴＭ￥３２０Ｆ２８１２芯片内部集成了诸多功能，加上 强大的运算能力．使得采用该芯片的电动机控制系 统结构简单。所需外围器件少。萁中的关键算法由 软件实现．可编程性好，可在不同的应用场合采用 不同的控制算法。且无需改变外围电路，因而具有 很好的灵活性．易于控铡系统升级及满足一璺特殊 场合鼹。试验结果表明，系统结构简单，控制可靠，能 保持快速响应和无静差以及较小超调等优良性能，
’
高壹流调速系统豁控裁性能。
２系统的控制方案［１１ 鲞瀛电动机的转速扎避比于电枢端电压酞，所
戮控裁骗藏可以控制鼯。剩瘸舞关管对直流意动榄 进行ＰＷＭ调速，在一个周期中，若开关管触发为高 电平，其即导通。壶流电动机电枢绕组髓端有电源电 压坟。经ｔ，秒匿，触发电压变秀低电平，开关管截
止，岵Ｏ。电动机电枢两端的电压平均值珏配（＃，／孵 ＝印。占空比Ｄ＝ｔ，／Ｔ，且０《Ｄ≤１。电源电压玩和
了３
第４２卷第２期
电力电子技术
２００８年２月Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．４２，Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００８
时的速度反馈通过减法器相减．判断正负后取绝对
式中：ｋ为采样序列号，ｋ＝０，１，２，…；“ｔ为第ｋ次采样时刻输
值．通过ＤＳＰ的Ａ／Ｄ采样得到给定转速与速度反馈
之间的“模拟差”：另一路直接进入绝对值电路进行
间为１２斗ｓ，与预计相符。
会导致系统振荡．破坏系统稳定性。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［３１。图３示出模拟ＰＩ调节控制系统原
理图。该系统由模拟ＰＩ调节器和被控对象组成。
图３模拟ＰＩ控制系统原理图
给定值ｒ（ｔ）与实际输出值ｃ（￡）构成控制偏差 ｅ（￡），所以模拟控制器的控制规律是：
４．２锁相速度分析 图７是当输入电压频率从５０ Ｈｚ突变到５ｌ Ｈｚ
时，输出电嚣穗位的蹑踪情况。闲样在程穿中设定一 个变量ｌｌ，ｕｍ，“村经过ｎｕｍ＝１２Ｔｉ。就能与１１，ｉ。同频同相， 即１２ｘ２０ ｍｓ＝Ｏ．２４ ｓ。比先调频后调相法的锁相速度快 了约０．２６ ｓ，由于是遥过调频实堍调穗的，数拄耐无畸 变，适用于频率稳定和变化的情况。
静态性能：由键盘输入各种给定转速，使负载电 流从小到大变化。记录电动机稳态时速度反馈的稳定 度，测速机反馈范围为一２０￣＋２０ Ｖ。在给定转速ｈｅ＝１～ １ ５００ ｒ／ｍｉｎ时．测速机速度反馈电压波动小于０．０１ Ｖ。
动态性能：ｎ。＝０．５～１ ５００ ｒ／ｍｉｎ时，观察系统起 动及突加、突卸１００％额定负载时的过渡过程。结果 表明。速度响应时间很小，超调量小于１％，电动机 在转速为０．５ ｒ／ｍｉｎ时仍然能够稳定（下转第７７页）
圈１ Ｈ型双辍霹遂ＰＷＭ驱动系统 哥见，双极性驱动时，通过调节蚤疆＃可实瑗 ＰＷＭ调速。当Ｄ＝Ｏ时，００＝一玑，电动机反转且转速
最大；当Ｄ＝Ｉ辩，珏玩，电动辊正转且转速最大；当
Ｄ＝ｌ／２时，玩＝Ｏ，电动桃不转，餐电枢绕缀中仍然有 电流流动，使电动机产生高频振荡，这种振荡有利于 克服电动机负载戆静摩擦，提离动态性麓。 ３控制系统硬件设计
ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｌｏｗ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｒｍｕｌａｔｅｓ ａ ｗａｙ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ａ ｆｕｌｌ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ ｃｈｉｐ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ
基于矜ＳＰ２８１２戆妖停镶籀
Ｚ。一咒。Ｊ（１ Ｚ。一Ｔｏ。Ｊ＋ＡＴ）／２ＡＴ的关系，若ＡＯ＜ 八互。，％），则应先增加气；若ａｏ＞ｆ（熙，气），则应先 减小‰。
（２）‰＜Ｔ，ｎ且“村超前“；。。此时输入输出相位差 △拶越来越大，应直接将吃增加到‰＞Ｅ，故调整 Ｚ乙＝霉ｎ＋△Ｆ，使Ａ０减小。
（３）‰≥Ｚ。且ｎ村超前Ｍ¨对‰的调节与情况
万方数据
参考文献
（１】曹凤香，基于单片机的ＵＰＳ数字化锁相技术【Ｊ】．电力电 子技术，２００７，４１（６）：８６—８９。
’
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣ ｍｏｔｏｒ；ＤＣ ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ；ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ，５０６７７０５６）。
匝厂巫丽襟粤萧匦田
里～一 天一Ｉ一 一
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图４系统程序流程图
４系统调试结果
图５示出ＰＷＭ测试波形，／ｔＰＷＭ，为高电平有效；
／－ｔＰＷＭ２为低电平有效，测出ＰＷＭ波频率为１ ｋＨｚ，与预
计相符。通过电位器可在０。１００％范围内调节ＰＷＭ
占空比。由图５ｂ显而易见，两路波形实际上是存在死
区的，可以避免两路ＩＧＢＴ同时导通。测出的死区时