直流电机控制系统设计(1)

湖南工程学院课程设计《DSP原理及应用》
题目：直流电机控制系统设计
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2015年5 月19 日
摘要
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。

电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。

采用微机控制后，整个调速系统体积小，结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。

本篇论文介绍了基于单片机的直流电机PWN调速的基本办法，直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法。

重点介绍了基于TMS320LF2407单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方法。

对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。

关键词：单片机最小系统；PWM ；直流电机调速，TMS320LF2407;
前言
电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。

无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。

据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。

同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。

电动机与人的生活息息相关，密不可分。

电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。

简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。

然而近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。

直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。

而作为单片嵌入式系统的核心—单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。

随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。

这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。

所以选用单片机作为控制系统的核心以
提高整个系统的可靠性和可行性.
目录一、系统方案设计
二、硬件电路系统设计
三、软件系统设计
四、结语
一、系统方案设计
1.1 系统方案
依据本课题的设计任务，进行分析得到：本次课程设计以TMS320LF2407单片机为核心，以3个弹跳按钮作为输入端，达到控制直流电机的正转、反转、停止。

在设计中，采用PWM技术对电机进行控制。

1.2 系统构成
该直流电机控制系统的设计，在总体上大致可分为以下4个部分组成：输入模块，TMS320LF2407单片机，驱动模块，直流电机。

系统原理框图如图1所示。

1.3直流电动机的PWM 调压调速原理
直流电动机是最早实现方便调速的电动机。

随着计算机进入控制领域，新型的功率电子器件的不断出现，使用全控型开关功率器件进行脉宽（PWM ）的控制方式已成为主流.直流电动机的控制方式发生了很大变化。

直流电动机的转速n 的表达式如下：
Φ
-=K IR
U n 0 式中，U0为电枢端电压，I 为电枢电流，R 为电枢电路总电阻。

Φ为每极磁通量，K 为电动机结构常数。

直流电动机转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。

目前多数场合采用电枢控制法。

直流电动机多采用开关驱动方式，即使功率器件工作在开
关状态，通过脉冲调制PWM 来 控制电机的电枢电压，实现调速。

1.4方案选择
方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。

但是电阻网络智能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现起来很困难。

方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。

这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构容易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：选用大功率的三极管作为驱动电路，具有驱动能力强，外围电路简单等优点。

综合考虑各方面因素，选择方案三作为本次论文的电路设计。

二、硬件电路系统设计
2.1芯片介绍
74HC00是4路双输入与非门，可用于组成与门、非门等。

TMS320LF2407是TI公司主推的一种高性能、低价格DSP处理器，其处理速度达到30 MIPS，片内处理集成RAM、Flash及定时器外，还集成了A/D转换器、PWM控制器及CAN总线控制器等模块，特别适合于电机、电源变换等实时要求高的控制系统。

但是通常设计DSP程序的方法是，在DSP的集成开发环境CCS中用C语言设计，需要花费大量的时间用来编写和输入程序代码。

在Matlab 中用图形化的方式设计DSP的程序，能够缩短产品的开发时间。

2.2直流电机驱动电路设计
直流电机控制电路原理如图2所示。

图中PWM输入对应2407DSP的DSP的PWM11/IOPE5，DSP将在此引脚给PWM信号用于控制直流电动机的转速。

图中的IOPE4将在此引脚给出高电平或低电平用于控制直流电机的转向。

从DSP输出的PWM信号先经过两个与门在与各个开关管的栅极相连。

当电动机要求正转时，IOPE4给出高电平信号，该信号分成3路。

第一路接与门Y1的输入，使与门Y1的输出由PWM决定，所以开关管T1栅极受PWM控制。

第二路直接与开关T3的栅极相连，使T3导通。

第三路经非门F1连接到与门Y2的输入端。

使与门Y2输出为0，这样使开关管T4截止。

从非门F1输出的另一路与开关管T2的栅极相连，其低电平信号也使T2截止。

此时电枢绕组承受正向电压。

同样，当电动机要求反转时，IOPE4给出低电平信号，经过两个
与门和1个非门组成的逻辑电路后，使开关管T4受PWM信号控制，T2导通，T1、T3全部截止。

此时电枢绕组承受反向电压。

图2 PWM调速直流电机原理图
三、软件系统设计
3.1流程图：
依据设计要求可以设计出以下流程图：
图3 程序流程图
3.2主体程序如下：
#include “f2407_c.h”
#define T1MS 0x1387
void gpt3_init(void);
void interrupt gptimer3();
void Delay(unsigned int nTime);
unsigned int datacnt.data[2]{0xfa,0x9c4};
main()
{
asm(“setc INTM”); WDCR=0x6f; SCSR1=0x83fe; MCRC|=0x0020; MCRC&=0xfeff; CMPR6=0xfa0; COMCONB|=0xa600; COMCONB&=0xa7ff; gpt3_int();
IMR=2;
IFR=0xffff;
WSGR&=0xfef3; PEDATDIR|=0x1000; PEDATDIR&=0xffef; asm(“CLRC INTM”); Delay(128);
cnt=1;
datacnt=0;
for( ; ; ){;}
}
viod interrupt gptimer3(void)
{
switch(PIVR)
{
case 0x2f;
{
EVBIFRA=0x80;
cnt++;
if(cnt>10000)
{
cnt=0;
datacnt++;
if(datacnt>1) datacnt=0;
CMPR6=data[datacnt];
}
Break;
}
}
asm(“CLRC INTM”);
}
void gpt3_int(void)
{
EVBIMRA=0x80; EVBIFRA=0xffff; GPTCONB=0x0000;
T3PR=T1MS;
T3CNT=0;
}
void Delay(unsigned in nDelay) {
int i,j,k;
for(i=0;i<nDelay;i++)
for(j=0;j<16;j++) k++;
}
Void interrupt nothing() {return;}
四、结语
电动机的调速从有了电动机开始一直到现在，就在不断的研究、发展，电动机的控制也是当今工业生产中应用十分广泛的。

而直流电机的调速是其他调速系统的基础，技术方面也已经比较成熟。

在研究过程中克服了很多困难，解决了不少问题。

本文的研究只是处于初级阶段，还有很多不足之处，我会在以后的实践工作中进行学习、补充，完善自己缺乏的知识。