基于DSP的直流电机控制
基于DSP的直流无刷电机控制
基于DSP的直流无刷电机控制直流无刷电机（BLDC）已经被广泛应用于各种低功率电动设备，如户外玩具，无人机，机器人等等。
现在，BLDC还开始被用于先进的工业应用，例如控制较大的电动车辆和家用电器。
BLDC是现代电机的重要进步，它提供了比传统的有刷直流电机更高的效率和更好的性能。
BLDC电机控制是一个广泛研究的领域，因为BLDC电机具有高效能，功率密度高，可靠性和长寿命等优点，因此将BLDC电机用于高速和/或高效应用已经成为一种趋势。
因此，BLDC电机控制技术也显得尤为重要。
BLDC电机通常由三个相互独立的绕组组成，称为相。
在操作期间，采用电路驱动这些绕组，以便电机能够旋转。
此时，需要执行三个要求：定位转子，控制磁场和监控电机速度。
其中，监控电机速度很重要，因为BLDC电机快速变化的电流和转矩但有刷直流电机则有更低的数值控制。
通常，BLDC电机控制采用微控制器来执行算法，以控制电机速度和电流。
微控制器通常需要针对BLDC电机环境的调整和配置，以达到最佳的效果和性能。
基于微处理器的控制系统可以通过使用实时操作系统（RTOS）和/DSP处理器得到进一步改进。
DSP可用于实现高性能BLDC控制使用高速数学运算，信号处理，资源管理和应用逻辑控制等。
这样的端到端系统可以大大提高BLDC电机性能，增强系统可靠性和更精细稳定地控制BLDC电机的速度和力矩。
DSP的使用需要经验丰富的开发人员来优化电机控制算法。
算法的设计者必须有能力理解不同控制方法的优点和缺点，以确保选择最适合BLDC电机控制的算法。
例如，有流水线PID，模型预测控制和磁场定向控制增强了性能和减少了噪音和震动等问题。
通常，基于DSP的BLDC电机控制系统设计和开发需要高度的专业知识和多年的经验，才能确保最佳的性能，可靠性和稳定性。
基于DSP的直流无刷电机控制
基于DSP的直流无刷电机控制【摘要】本文介绍了基于DSP的直流无刷电机控制技术。
在对无刷直流电机和DSP在电机控制中的应用进行了概述。
接着，详细讨论了基于DSP的直流无刷电机控制原理，DSP控制系统的设计与实现，DSP控制算法的优势，DSP控制系统的性能评估以及实验结果与分析。
总结了基于DSP的直流无刷电机控制的优势，并展望了未来的研究方向。
通过本文的研究，可以更好地了解DSP在直流无刷电机控制中的应用，为相关领域的工程师和研究人员提供有益的参考和启发。
【关键词】关键词：直流无刷电机控制、DSP、控制原理、控制系统设计、控制算法、性能评估、实验结果、优势、研究展望。
1. 引言1.1 无刷直流电机概述直流电机是一种常见的电动机类型，可以根据其励磁方式分为直流有刷电机和直流无刷电机。
无刷直流电机是一种不需要用碳刷来换向的电机，因此有较低的摩擦损耗和较长的使用寿命。
相比于有刷直流电机，无刷直流电机具有更高的效率和更稳定的性能。
无刷直流电机的控制需要通过控制器来实现，其中数字信号处理器（DSP）在电机控制中发挥着重要作用。
无刷直流电机具有高效、稳定的特性，而DSP在无刷直流电机控制中的应用使得电机的控制更加灵活和精确。
通过研究和应用基于DSP的直流无刷电机控制技术，可以进一步提高电机系统的性能和效率。
1.2 DSP在电机控制中的应用在无刷直流电机控制中，DSP可以实现闭环控制、速度控制、位置控制等功能。
通过精确的信号处理和数据计算，DSP可以实时监测电机的运行状态，并根据需要调整电机的转速和转矩，实现电机的精准控制。
DSP还可以实现智能控制算法，提高电机的能效和响应速度，使电机系统更加稳定可靠。
DSP在无刷直流电机控制中的应用，可以提高电机系统的性能和稳定性，减小系统的体积和功耗，同时简化系统的设计和开发流程。
随着DSP技术的不断成熟和发展，预计在未来的研究中将会有更多的创新和应用。
2. 正文2.1 基于DSP的直流无刷电机控制原理直流无刷电机是一种电磁旋转式电机，不同于传统的有刷直流电机，无需使用碳刷和电刷，因此具有体积小、效率高、寿命长等优点。
基于DSP的直流无刷电机控制
基于DSP的直流无刷电机控制随着科技的不断发展和进步，直流无刷电机在工业控制中的应用越来越广泛。
而直流无刷电机的控制技术也日益成熟，其中基于数字信号处理器（DSP）的控制技术更是备受关注。
本文将从直流无刷电机的工作原理和特点、DSP的基本原理及其在直流无刷电机控制中的应用等方面展开介绍，希望能够为相关领域的研究和应用提供一些参考。
一、直流无刷电机的工作原理和特点直流无刷电机是一种将电能转换为机械能的设备，它通过电磁感应原理实现动力传递。
与传统的直流有刷电机相比，直流无刷电机具有结构简单、寿命长、噪音小、效率高等特点，因此在工业生产中得到了广泛的应用。
直流无刷电机的工作原理是通过控制电机内部的电流来实现转子的定位和控制。
通常情况下，控制直流无刷电机需要知道电机的转子位置和速度，这需要使用一些传感器来获取相关信息。
而在控制方面，通常采用的是PWM控制技术，控制电机的速度和方向。
二、DSP的基本原理及其在直流无刷电机控制中的应用DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）是一种专门用于数字信号处理的微处理器，它能够对数字信号进行高速处理，广泛应用于通信、音频、视频、医疗等领域。
在直流无刷电机控制中，DSP也有着广泛的应用。
DSP在直流无刷电机控制中的主要应用之一是用于控制电机的PWM信号生成。
通过DSP 可以实现精确的PWM信号生成，从而控制电机的速度和方向。
DSP还可以实时地获取电机的转子位置和速度信息，因此可以实现闭环控制，提高电机的控制精度和效率。
DSP还可以用于实现各种复杂的控制算法，例如磁场定位控制、矢量控制等。
这些控制算法可以提高电机的动态响应性能和稳定性，使电机在不同工况下都能够保持良好的控制效果。
基于DSP的直流无刷电机控制系统通常包括DSP模块、功率放大器模块、电机驱动器模块、传感器模块等几个部分。
DSP模块负责控制算法的实现、PWM信号的生成和输出，功率放大器模块负责放大DSP输出的PWM信号，电机驱动器模块负责将放大后的PWM信号传送给电机，传感器模块负责采集电机的转子位置和速度信息。
基于DSP的直流电机控制系统设计
摘要近年来，电机控制技术、微电子技术和电力电子技术在快速发展，直流电机由于自身的高性能被大量应用。
直流电机具有结构简单、运行可靠和维护便捷等优点，同时具有输出转矩大、运行效率高的优点，因此在运动控制领域取得广泛应用。
尤其在高性能的运动控制系统中，对无刷直流电机性能的要求一直在提高。
在电机本体优化设计、电力电子设备控制跟控制策略等方面对电机性能进行改善，会产生很大的经济效应。
在大量对无刷直流电机控制系统的发展应用文献调研为基础，本文采用TI公司的TMS320F2812芯片为控制核心，控制对象是直流电机，研究基于DSP的直流电机控制系统。
本文对电机本体的基本结构和控制算法进行分析，研究如何使电机平稳起动，提高系统的调速性能。
其次，根据电机及DSP芯片的特性，得出无刷直流电机闭环控制系统设计方案，由此对硬件和软件进行设计。
硬件部分主要电路包括电源电路、位置检测电路、驱动电路和保护电路；在软件部分根据控制策略，在开发软件CCS中用C语言编写主程序、初始化程序和中断服务程序等模块。
最后给出实际电机控制系统运行时的实验测试情况，给出了转速的实验波形，设计的控制系统能稳定调速，结果比较理想。
关键词：直流电机；DSP;PIDThe Design Of DC Motor Control System Based On DSPABSTRACTIn recent years, with the rapid development of control technology, microelectronics technology and power electronic technology,DC motor has been widely applied because of it’s high performance. DC motor has advantages of convenient maintenance, reliable operation and simple structure, but also has high torque, higher operating efficiency advantages. So it has a wide range of applications in the field of motion control. Specially, in the high-performance motion control, the requirement of performance of DC motor has being improving.Based on researching vast literatures about the application research of DC motor control system development, this document studies the sensor DC motor using DSP, which use theTMS320F2812 chip as a control core and the DC motor as the object. In this document, the basic structure of motor and control algorithm is studied in order to make the motor smooth starting and improve system performance. Besides, according to the characteristic of motor and DSP chip and system’s requirements, the design scheme of DC motor’s control system has been completed. The hardware part includes power supply circuit, current detection circuit, protection circuit and drive circuit. The software part contains main program, initialization program and interruption program. Finally, experimental research is made on the worktable, and got the rotate speed fluctuation. The control system designed is stable in this paper, and it has good speed adjusting performance and a wide speed range.Key words: DC motor; DSP; PID目录1.1课题研究的意义 (4)1.2直流电机调速国内外研究现状 (4)1.2.1 改进调速方法 (5)1.2.2 提高系统性能的控制算法。
基于DSP的直流无刷电机控制
基于DSP的直流无刷电机控制直流无刷电机（Brushless DC Motor，简称BLDC）是一种采用无刷技术的电动机，它具有高效率、低噪音、长寿命等优点，在许多领域得到了广泛的应用，比如工业生产、汽车制造、航空航天等。
为了实现对BLDC电机的精确控制，需要采用先进的数字信号处理技术，其中基于数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）的电机控制方案成为了一种常见的选择。
本文将介绍基于DSP的直流无刷电机控制技术。
一、直流无刷电机的特点直流无刷电机与传统的有刷直流电机相比，具有多种优点。
由于无需使用碳刷，因此无刷电机摩擦损失小，寿命长，维护成本低。
无刷电机采用电子换向技术，具有更高的效率和运行平稳性。
由于无刷电机采用了电子换向和闭环控制技术，因此可以实现更加精准的速度和位置控制。
二、基于DSP的无刷电机控制系统基于DSP的无刷电机控制系统通常包括三个主要部分：电机驱动器、信号采集与处理模块、以及控制算法模块。
1. 电机驱动器电机驱动器是指用于控制无刷电机的电子器件，其主要功能是根据控制信号来确定电机的转子位置，并提供相应的驱动信号。
常见的电机驱动器包括三相全桥功率放大器、三相半桥功率放大器等。
在基于DSP的控制系统中，电机驱动器通常由DSP芯片控制，以保证对电机的高效、精准控制。
2. 信号采集与处理模块信号采集与处理模块用于获取电机运行过程中的相关信号，比如电流、电压、速度、位置等参数。
这些信号通常需要进行采样、滤波和数学处理等操作，以便后续的控制算法使用。
在基于DSP的控制系统中，通常采用模拟/数字转换器（ADC）来实现信号的采集与处理。
3. 控制算法模块控制算法模块是整个系统的核心部分，其主要功能是实现对电机的速度和位置控制。
常见的控制算法包括PID控制、模型预测控制（MPC）、磁场定向控制（FOC）等。
在基于DSP的控制系统中，控制算法通常在DSP芯片上实现，以保证对电机的高效、精准控制。
基于DSP的直流无刷电机控制
基于DSP的直流无刷电机控制DSP技术（数字信号处理）已经在很多领域得到了广泛的应用，其中之一便是直流无刷电机的控制。
直流无刷电机的控制技术在工业自动化、机器人、电动汽车等领域都有重要的应用价值。
本文将重点介绍基于DSP的直流无刷电机控制技术。
1. 直流无刷电机基本原理直流无刷电机是利用电磁场力以及交流驱动电流来实现转子的旋转运动。
它由定子和转子两部分组成，定子和转子之间的转矩通过对控制电流的调节来实现。
传统的控制方法是利用PWM（脉冲宽度调制）来控制电流，从而控制电机的转速和转矩。
而基于DSP的直流无刷电机控制技术可以更精准地控制电流，进而实现更高效的电机控制。
DSP技术在直流无刷电机控制中的应用主要包括以下几个方面：（1）电流控制：DSP可以通过精确的采样和控制算法，实现对电机电流的精准调节。
可以根据电机的负载情况和所需转矩，动态调整控制电流，以实现更高效的功率输出和更稳定的运行。
（3）位置控制：基于DSP的直流无刷电机控制技术还可以实现对电机位置的闭环控制。
通过接入位置传感器或者利用编码器来实时监测电机的位置，并结合控制算法来实现更加精准的位置控制。
（4）故障检测和保护：DSP可以实现对电机运行过程中的异常情况的监测和检测，并及时采取措施来保护电机和系统的安全。
可以实现对过载、过流、过温等异常情况的检测和保护。
（1）DSP选择：需要选择性能稳定、控制精度高的DSP芯片，常用的有TI的TMS320系列，ADI的ADSP系列等。
（2）传感器选型：需要根据电机的控制需求，选择合适的位置传感器或者编码器，用于实时采集电机的位置、速度等参数。
（3）控制算法设计：需要设计合适的控制算法，包括电流控制、速度控制、位置控制等。
控制算法的设计需要兼顾性能、稳定性和实时性。
（4）系统架构设计：需要设计合理的系统架构，包括DSP和外围设备（传感器、电机驱动器、电源等）的连接和通信方式。
（5）软件开发：需要根据控制需求，开发相应的控制软件，包括控制算法、通信协议、故障处理等。
基于DSP的直流无刷电机控制
基于DSP的直流无刷电机控制直流无刷电机（BLDC）是一种通过电子方式实现转子初级磁场定向的电机。
相较于传统的有刷电机，BLDC具有高效率、高转矩密度、长寿命和低噪音的优势，因此被广泛应用于工业、交通、家电等领域。
基于数字信号处理器（DSP）的BLDC电机控制系统是一种高性能、高精度的控制方法。
其主要包括三个功能模块：速度闭环、电流闭环和定时器。
速度闭环是为了控制电机转速。
通过测量电机转子位置和速度来实现闭环控制，在每个控制周期内，DSP通过比较实际转速和设定转速来计算控制误差，并通过调整PWM（脉宽调制）信号的占空比来实现转速的闭环控制。
电流闭环是为了控制电机的功率输出。
在BLDC电机控制系统中，电机的相电流与相对应的电机转矩成正比关系。
通过测量和控制电机的相电流，可以实现闭环控制电机的输出功率。
通过调整PWM信号的占空比和频率来控制电机的相电流，并确保其达到设定的值。
定时器是控制整个控制流程的重要组成部分。
在BLDC电机控制系统中，定时器用来驱动PWM信号的生成和产生控制周期。
DSP通过定时器的计时信号来触发速度闭环和电流闭环的计算和控制。
基于DSP的BLDC电机控制系统还可以通过PID控制算法来实现更精确的速度和电流控制。
PID控制算法将实际值与设定值进行比较，并根据误差值来调整控制量，从而实现更快速、更准确的闭环控制。
基于DSP的BLDC电机控制系统是一种高效、高精度的控制方法。
通过速度闭环、电流闭环和定时器等功能模块的协调工作，可以实现对BLDC电机的精确控制，同时还可以利用PID控制算法等实现更精确的闭环控制。
这种控制方法适用于各种需要高精度、高效率的直流无刷电机应用中。
基于DSP的直流无刷电机控制
基于DSP的直流无刷电机控制直流无刷电机广泛应用于各种领域，例如电动汽车、电动自行车、消费电子、机器人等等。
与传统的直流有刷电机相比，直流无刷电机由于无需刷子摩擦，具有更高的效率、寿命更长、噪音更低等优点。
而基于数字信号处理器(DSP)的直流无刷电机控制技术，可以更加精确地控制电机，以提高电机的性能和可靠性。
首先，直流无刷电机的控制原理需要先理解。
直流无刷电机是由转子和定子两部分组成，通常转子上有永磁体和三相绕组。
电机通过电子换向器控制电流，来控制磁极位置，从而控制电机的转速和位置。
在控制每个绕组通电的时间和电流大小的过程中，DSP在电路中扮演着重要的角色。
其次，基于DSP的直流无刷电机控制技术需要分为两个步骤：一是检测电机位置，二是控制电机旋转。
对于电机位置的检测，DSP通常采用霍尔传感器、反电动势方法或次级反馈法进行。
霍尔传感器适合于速度较低的应用，如风扇和电动工具，它可以精确地测量转子的位置。
而反电动势方法和次级反馈方法通常用于高效率和高速应用，它们可以寻找自身角速度和电机位置信息的关联，以获得转子的位置。
控制电机旋转时，DSP需要计算出转子位置和速度，并确定应该加入的相。
为了实现这一目标，通常会使用一个三相桥式电路，它可以产生三个可控的交流电流源。
在基于功率电流控制的方法中，DSP通过调整每个相的PWM波形，以控制电机的转速和转向。
此时，调节的过程需要注意到电机输出功率，以避免溢出和饱和。
最后，基于DSP的直流无刷电机控制技术在实际应用中还需要考虑到的一些问题。
例如电机电压和电流大小的控制、功率因数的控制、防抖动的设计和矢量控制的运用等等。
在使用DSP控制直流无刷电机时，还需要充分考虑到电机和系统的实际需求和性能要求，以实现更好的效果。
总之，基于DSP的直流无刷电机控制技术已经被广泛应用于各种领域，并在提高电机性能和可靠性方面发挥了巨大的作用。
未来，随着技术的不断发展，基于DSP的直流无刷电机控制技术将会有更加广泛的应用。
利用DSP控制直流无刷电机
利用DSP控制直流无刷电机直流无刷电机（Brushless DC Motor，简称BLDC）由于其高效、高转速、大扭矩和低噪音等特性而被广泛应用于各种领域。
要控制BLDC进行转速调节、位置控制等，需要使用数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）来实现。
本文将详细介绍如何利用DSP控制直流无刷电机。
一、直流无刷电机介绍直流无刷电机由转子和定子组成，电机可通过电子调速控制技术实现闭环控制，即通过检测电流、电压、角度等参数来实现控制。
相较于传统的可调电阻电调速和功率电子器件调速，无刷电机控制方式更为精确，可控性更高，并且在减小电气噪声的同时大大提高了效率。
二、直流无刷电机的控制方式直流无刷电机的控制方式可以分为三种：感应式、霍尔传感器控制、反电动势检测控制。
其中，感应式控制方式较为简单，但其准确性和鲁棒性较差；霍尔传感器控制方式使用霍尔元件检测转子位置，可以获得更高的准确性和鲁棒性；反电动势检测控制方式通过检测转子的反电动势来确定位置，具有简化硬件和准确性高等优点。
三、DSP控制直流无刷电机利用DSP控制直流无刷电机需要进行以下几个步骤：1. 设置DSP的GPIO口并输入代码：用GPIO口连接电机，可根据需要设置GPIO管脚的中断、状态和其他属性，并输入代码到DSP中。
2. 制作电机转速控制器：通过编写参考电路和硬件控制程序来制作电机转速控制器，代码需要根据控制方式进行适当的修改。
3. 编写电机控制程序：根据转速调节、位置控制等的需求，编写相关的电机控制程序。
基本步骤包括：初始化电机控制器、设定控制参数、检测电机状态、执行电机控制指令等。
4. 测试和优化：根据测试结果优化电机控制程序，以达到最佳效果。
在测试过程中可以使用示波器、逻辑分析仪等工具进行分析。
四、DSP控制直流无刷电机的优点1. 高精度DSP能够提供高精度的控制，可在微秒级的时间内执行多种运算，实现高速、高精度的控制。
基于DSP的直流电机控制系统设计本科毕业论文
基于D S P的直流电机控制系统设计摘要：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;本设计采用美国TI公司专门为电机数字化控制设计的16位定点DSP 控制器TMS320LF2407作为微控制器;该芯片集DSP信号高速处理能力及适用于电机控制优化的外围电路于一体,可以为高性能传动控制技术提供可靠高效的信号处理与控制硬件;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;关键词：直流电机； DSP； PID控制器； PWMThe Design of DC Motor Control System Based on DSP Abstract：The DC motor armature magnetic field and the excitation completely decoupled, it can be independently controlled, so it has a good speed performance, contribute to a large power, widely speed range, and easy to control, so it is widely used in electric drive systems. With the motor control required for continuous improvement, common single MCU can't meet requirements of the motor control well, DSP technology just for the advanced control theory and complex control algorithm implementation provides a strong support.This design uses the American TI company specially for motor control design of digital 16 fixed-point DSP controller TMS320LF2407 as the controller. The chip set DSP signal the high processing capacity and used in motor control optimization the periphery of the circuit in a body, high performance driving control technology to provide reliable and efficient signal processing and control hardware. Motor control system is composed of detection devices, the main controller, power driver and PC componen ts, whichDSP controller is a key part of the motor control system , responsible for the motor feedback signal processing and output control sig n al to control the rotation of the motor.Keywords：DC motor, DSP, PID controller, PWM目录第1章绪论课题概述课题研究的背景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;直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用;随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展,两者的有机结合使电力拖动控制技术产生了新的变化;电力电子技术、计算机技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉,具有广泛的应用前景;有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究;直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程;随着数字信号处理器DSP的出现,给直流调速控制提供了新的手段和方法;将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中,在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法,为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作;用计算机技术实现直流调速控制系统,计算机的选型很多;经过选择,选取DSP芯片作为控制器;直流调速系统的内容十分丰富,有开环控制系统,有闭环控制系统；有单闭环控制系统,有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统,有不可逆调速系统等9;开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；研究的目的是利用计算机硬件和软件发展的最新成果,对控制系统升级进行研究；研究工作是在对控制对象全面回顾总结的基础上,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;课题研究的目的及意义长期以来,直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位;由于它具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,高质高效的平滑运转的特性,尽管近年来不断受到其它电动机的挑战,但到目前为止,就其性能来说仍无其它电动机可比;在控制系统的构成上,本课题对硬件电路进行了设计,而这个硬件系统具有一定的通用性,也即可以将它作为一个硬件平台,在其它过程控制中应用;另外,由DSP的特点量身订做,可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计,进而来构成硬件系统,这样既便于设计思想的物化,又使得设计系统更加紧凑,不浪费资源;本直流电机控制系统采用经典的数字增量式PID控制算法,在本文中对数字增量式PID控制的理论、设计和实现进行了较为详细的论述; 课题研究的现状近些年来,随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展,电机的应用技术也得到了进一步的发展,新产品、新技术层出不穷;除了人们己经熟悉的普通电机外,许多不同用途的特种电机也不断问世,如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等;另一方面,由于应用了电力电子技术,电机的控制技术变得更加灵活,效率也更高,如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子1;在实际中,电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用,上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制,使被驱动的机械运动符合预想的要求;例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机,几乎都采用功率器件进行控制,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动;这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是“运动控制”;运动控制使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制,以及这些被控机械量的综合控制;因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展5;电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展;由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大,并且它的精度也差;所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差,控制效果不理想,因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展;数字控制器与模拟控制器相比较,具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点;随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加用户也不断提高对电机控制技术的要求5;总是希望能在驱动系统中集成更多的功能,达到更高的性能;许多设备试图使用8位或是准16位的微处理器实现电机的闭环控制,然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现;例如,在很多领域如工业、家电和汽车,用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机;这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现;但是这可能超出上述微处理器的计算能力;使用高性能的数字信号处理器DSP来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前较为普遍的做法;将一系列外围设备如模数转换器A/D、脉宽调制发生器PWM和数字信号处理器DSP集成在一起,就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的DSP芯片;近年来,各种集成化的一单片DSP的性能得到很大的改善,软件和开发工具越来越多,越来越好,价格却大幅度降低;低端产品的价格已接近单片机的价格水平,但却比单片机具有更高的性能价格比;越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能,DSP器件取代高档单片机的时机己成熟13;首先,与单片机相比,DSP器件具有较高的集成度;DSP具有更快的CPU,更大容量的存储器,内置有波特率发生器和FIFO缓冲器,提供高速、同步串口和标准异步串口;有的片内集成了A/D和采样/保持电路,可提供PWM输出;更为不同的是,DSP器件为精简指令器件,大多数指令都能在一个周期内完成,并且通过并行处理技术,使一个指令周期内可完成多条指令;同时DSP采用改进的哈佛结构,具有独立的程序和数据空间,允许同时存取程序和数据;又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线,使DSP 器件具有高速的数据计算能力;而单片机为复杂指令系统计算机CISC,多数指令要2-3个指令周期来完成;单片机采用冯.诺依曼结构,程序和数据在同一空间存取,同一时刻只能单独访问指令和数据、ALU只能做加法,乘法需要由软件来实现,因此占用较多的指令周期,也就是说速度比较慢;所以,结构上的差异使DSP器件比准16位单片机单指令执行时间快8-10倍,完成一次乘法运算快16-30倍;DSP器件还提供了高度专业化的指令集,提供了FFT快速傅立叶变换和滤波器的运算;此外,DSP器件提供了JTAG Joint Test Action Group接口,具有更先进的开发手段,批量生产测试更方便;其次,基于DSP芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求;通过复杂的算法达到同样的控制性能,降低成本,可靠性高,有利于专利技术的保密;现在各大DSP生产厂家都推出自己的内嵌式DSP电机控制专用集成电路;如占DSP市场份额45%的美国德州仪器公司,凭借自己的实力,推出了电机控制器专用DSP--TMS320C24x;新的TMS320C24x DSP采用TI公司TMS320C2xLP16位定点DSP核,并集成了一个电机事件管理器,后者的特点是可以最佳方式实现对电机的控制;该器件利用TI的可重用DSP核心技术,显示出TI的特殊能力一通过在单一芯片上集成一个DSP和混合信号外设件,制造出面向各种应用的DSP方案;TMS320C24x作为第一个数字电机控制器的专用DSP系列,可支持用于电机控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等功能;集成的DSP核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式A/D设计等诸多功能块加在一起,就可以提供一个单芯片式数字电机控制方案;系列中的TMS320LF2407包括一个30MIPSDSP核、两个事件管理器、32位的中央算术逻辑单元、多达16通道的IO位A/D转换器、64K的I/0空间和一个32K字的闪速存储器,它利用TMS320的定点DSP软件开发工具和JTAG仿真支持,可使电机控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机使用;第三,DSP运算速度快,控制策略中可以使用先进的实时算法,如自适应控制、卡尔曼滤波、状态预估等,大大提高控制系统的品质;而且DSP 控制软件可用C语言或汇编语言编写或者二者嵌套使用;因此采用DSP 芯片制造的电机控制器便于用户的调试和应用;最后,在越来越多的场合,如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等,他们往往是规模比较大,时序、组合逻辑都很复杂的情况,这时如果同时运用DSP芯片和一些其它的可编程逻辑器件可以大大减小系统的体积、提高系统运算能力,实现复杂的实时控制;课题研究的内容本文主要研究基于DSP的直流电机控制系统,通过控制算法和调速方法的分析,利用电机调速、DSP芯片控制、上位机通信、按键模块等的基本原理及相关知识,实现对电机的速度控制;整个系统的基本思想就是利用DSP内部资源产生可控制的脉冲控制整流电压,改变串入主回路中的直流电动机的电磁转矩,实现电动机的转速调节;研究内容包括如下：1电机控制系统功能实现的分析；2控制算法与调速方法的分析与设计；3电机驱动、电源模块、按键模块、测速、显示模块的硬件设计与实现；4系统主程序、按键扫描、控制算法、测速、电机速度控制等程序的分析、设计与实现；5电机控制系统整机测试与实现；第2章系统总体设计系统的组成由图2-1可知,该设计包含DSP控制单元、功率驱动单元、检测单元、显示单元、通信单元五个部分;DSP控制单元：对来自上位机的给定信号和来自传感器的反馈信号按一定的算法进行处理,输出相应的PWM波,经过光电隔离部分,送给功率驱动单元；功率驱动单元：对来自DSP控制器的PWM信号进行功率放大后送给直流电动机的电枢两端,驱动电机与负载；速度检测单元：采集电机的速度信息,并送给主控制器；显示单元：将采集到的电机转速信息予以显示；通信单元：负责主控制器与上位机及外设的信息交换;图2-1 系统总体框图2. 2 DSP芯片选择直流电机的调速控制系统一般采用电机专用微处理器,其种类主要包括复杂指令集CISC处理器如工NTEL196MX系列单片微控制器,精简指令集RISC如日立公司SH704x系列单片微控制器,哈佛结构DSP处理器如TI公司T145320F24X系列DSP;一般用于直流电机控制的徽处理器性能要满足以下几个方面：1指令执行速度；2片上程序存储器、数据存储器的容量及程序存储器的类型；3乘除法、积和运算和坐标变换、向量计算等控制计算功能；4中断功能和中断通道的数目；5用于PWM生成硬件单元和可实现的调制范围以及死区调节单元；6用于输入模拟信号的A/D转换器；7价格及开发环境;DSP一般采用哈佛或者改进的哈佛结构,程序空间和数据空间分离,程序的数据总线和地址总线分离,数据的数据总线和地址总线分离;这种结构允许同时访问程序指令和数据,在同一机器周期里完成读和写,并行支持在单机器时钟内同时执行算术、逻辑和位处理操作,极大地提高了执行速度,并且电机控制专用DSP具备丰富的设备和接口资源;TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影响、最为成功的数字信号处理器,其产品销量一直处于国际领先地位,是公认的世界DSP霸主;本论文选择了TI公司的TMS320LF2407DSP作为直流电机控制系统的微处理器;TMS320LF2407 DSP 控制器介绍TMS320LF2407 DSP是专为数字电机控制和其它控制系统而设计的;是当前集成度最高、性能最强的运动控制芯片;不但有高性能的C2XX CPU 内核,配置有高速数字信号处理的结构,且有控制电机的外设;它将数字信号处理的高速运算功能,与面向电机的强大控制功能结合在一起,成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品12;TMS320LF2407的片内外设模块包括：事件管理模块EV、数字输入/输出模块I/O、模数转换模块ADC、串行外设模块SPI、串行通信模块SCI、局域网控制器模块CAN;1事件管理器EVA和EVBTMS320LF2407提供两个事件管理器EVA和EVB模块,每个模块包含两个通用GP定时器、3个全比较/PWM单元、3个捕获单元和一个正交编码脉冲电路;事件管理器位用户提供了众多的功能和特点,在运动控制和电机控制中特别有用;通用定时器：LF2407共有4个通用定时器,每个定时器包括：一个16位的定时器增/减计数的计数器TxCNT；一个16位的定时器比较寄存器TxCMPR；一个16位的定时器周期寄存器TxPR；一个16位的定时器控制寄存器TxCON；可选择的内部或外部输入时钟;各个GP定时器之间可以彼此独立工作或相互同步工作;与其有关的比较寄存器可用作比较功能或PWM波形发生;每个GP定时器的内部或外部的输入时钟都可进行可编程的预定标,它还向事件管理器的子模块提供时毕;每个通用定时器有4种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式、逢续增/减计数模式;当计数器值和比较寄存器值相等时,比较匹配发生,从而在定时器的PWM输出引脚TxPWM/TxCMP上产生CMP/PWM 脉冲,可设置控制寄存器GPTCON中的相应位,选择下溢、比较匹配或周期匹配时自动启动片内A/D转换器;比较单元：LF2407有6个比较单元,每个EV模块有3个;每个比较单元又有两个相关的PWM输出,比较单元的时基由通用定时器1 EVA模块和通用定时器3 EVB模块提供;每个比较单元和通用定时器1或通用定时器3,死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性可控的PWM输出;在每个EV模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚,这6个特定的PWM输出引脚可用于控制三相交流感应电机和直流无刷电机;由比较方式控制寄存器所控制的多种输出方式能轻易地控制应用广泛的开关磁阻电机和同步磁阻电机;捕获单元：捕获单元被用于高速I/O的自动管理器,它监视输入引脚上信号的变化,记录输入事件发生时的计数器值,即记录下所发生事件的时刻;该部件的工作由内部定时器同步,不用CPU干预;LF2407共有6个捕获单元,CAP1,CAP2,CAP3可选择通用定时器1或2作为它们的时基,但CAP1和CAP2一定要选择相同的定时器作为它们的时基;CAP4,CAP5,CAP6可选择通用定时器3或4作为它们的时基,同样CAP4和CAP5也一定要选择相同的定时器作为它们的时基;每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈;当捕获发生时,相应的中断标志被置位,并向CPU发中断请求；若中断标志己被置位,捕获单元还将启动片内A/D转换器;正交编码脉冲QEP单元：常用的位置反馈检测元件为光电编码器或光栅尺,它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号,其输出一般有相位差为90°的A、B两路信号和同步脉冲信号C;A、B两路脉冲可直接作为LF2407的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引脚的输入;正交编码脉冲电路的时基由通用定时器2或通用定时器4提供,但通用定时器必须设置成定向增/减计数模式,并以正交编码脉冲电路作为时钟源;2数字输入/输出模块I/ODSP器件的数子输入/输出引脚均为功能复用引脚;即这些引脚既可作为通用I/O功能双向数据输入/输出引脚,也可作特殊功能PWM输出、捕获输入、串行输入输出等引脚;数子I/O模块负责对这些引脚进行控制和设置;两种功能的选择由I/O复用控制寄存器MCRx,x=A,B,C来控制;当引脚作为通用I/O时,由数据和方向控制寄存器PxDATDIR,x=A,B,C,D,E,F指出各I/O引脚的数据方向输入还是输出和当前引脚对应的电平高或低;读通用I/O引脚的电平或向引脚输出电平,实际上是对相应的寄存器PxDATDIR进行读写操作;3模数转换器ADC模块在自动控制系统中,被控制或被检测的对象,如温度、压力、流量、速度等都是连续变化的物理量,通过适当的传感器如温度传感器、压力传感器、光电传感器等将他们转换为连续变化的电压或电流即模拟量;模数转换器ADC就是用来讲这些模拟电压或电流转换成计算机能够识别的数字量的模块;TMS320LF2407期间内部有一个10为的模数转换器ADC;该模块能够对16个模拟输入信号进行采样/保持和A/D转换,通道的转换顺序可以编程选择;4串行通信接口SCI模块2407器件的串行通信接口SCI模块是一个标准的通信异步接收/发送UART可编程串行通信接口;SCI支持CPU与其他异步串口采用标准不返回零NRZ模块进行异步串行数字通信;SCI有空闲线和地址位两种多处理器通信方式；两个输入/输出引脚：SCIRXDSCI接收数据引脚和SCITXDSCI发送数据引脚；SCI通过一个16位的波特率选择寄存器,可编程选择64K种不同速率的波特率;SCI支持半双工和全双工操作,发送器和接收器的操作可以通过中断或转换状态标志来完成;5串行外设接口SPI模块串行外设接口SPI模块是一个高速同步串行输入/输出I/O口,它能使可编程长度1—16位的串行位流以可编程的位传输速率输入或输出器件;SPI可作为一种串行总线标准,以同步方式实现两个设备之间的信息交换,即两个设备在同一时钟下工作;SPI通常用于DSP控制器与外部设备或其他控制器之间的通信,用SPI可以构成多机通信系统,SPI还可以作为移位寄存器、显示驱动器和模数转换器ADC等器件的外设扩展口;6CAN控制器模块LF24xx系列DSP控制器作为第一个具有片上CAN控制模块的DSP芯片,给用户提供一个设计分布式或网络化运动控制系统的无限可能;CAN总线是一种多主总线,通信介质可以是绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速率可达1 Mbps,通信距离可达10km;CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码,使网络内的节点个数在理论上不受限制;由于CAN 总线具有较强的纠错能力,支持差分收发,因而适合高干扰环境,并具有较远的传输距离;2407的CAN控制器模块是一个16位的外设模块,支持CAN2. 0B协议;CAN模块有6个邮箱MBOX0—MBOX5；有用于0,1,2和3号的邮箱的本地屏蔽寄存器和15个控制/状态寄存器;CAN模块既有可编程的位速率、中断方式和CAN总线唤醒功能；自动回复远程请求；自动再发送功能在发送时出错或仲裁是丢失数据的情况下；总线出错诊断和自测模式; 硬件方案论证测速传感器的选择方案一：使用测速发电机,输出电动势E和转速n成线性关系,即E=kn,其中k是常数;改变旋转方向时,输出电动势的极性即相应改变;方案二：采用霍尔传感器,霍尔元件是磁敏元件,在被测的旋转体上装一磁体,旋转时,每当磁体经过霍尔元件,霍尔元件就发出一个信号,经放大整形得到脉冲信号,送运算;方案三：在电机的转轴上套一码盘,利用光电对管测脉冲,每转一圈OUT端输出若干个脉冲;本设计中码盘每转一圈,输出4个脉冲经比较,方案一中的测速放电机安装不如方案二中霍尔元件安装方便,并且准确率也没方案二的高,并且方案二不需A/D转换,直接可以被DSP接收;但方案二的霍尔传感器的采购不是很方便,故采用方案三,它具有方案二的几乎所有的优点;方案三中可以采用定时的方法：是通过定时器记录脉冲的周期T,这样每分钟的转速：M=60/4T=15/T;0也可以采用。
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2.2.2 TMS320F2812部分功能介绍10
第三章硬件电路设计14
3.1供电电源模块14
3.2驱动模块15
3.2.1 PWM调速原理15
3.2.2电机驱动电路16
3.3 A/D转换模块17
3.4 SCI串口通讯17
3.5复位电路18
3.6 JTAG接口电路19
3.7外扩FLASH电路20
1.1
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电机一直占据着调速控制和位置控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、高质高效平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其他电动机的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍然无其他电动机能比。
在直流调速控制系统中，可以采用各种控制器，DSP是其中的一种选择。由于DSP具有高速运算性能，因此可以实现诸如模糊控制等复杂的控制算法。另外它可以产生有死区的PWM输出，所以可理图21
3.8.2电路设计PCB22
3.8.3电路设计实物图23
第四章总结与展望24
参考文献25
致谢26
第一章
本章介绍了本课题的选题背景和意义，然后介绍了直流电机的特点及其发展概况以及直流电机在工业控制等领域中的具体应用，同时阐述了直流电机控制中有待研究的一些问题。最后列出了本文研究的主要内容及全文的结构安排。
最后，与软件程序仿真调试，基本实现了预期效果。
关键词：直流电机，DSP，TMSF2812，PWM
The Control of DC Motor Based on DSP (Hardware Part)
Abstract
By the development of the theory of modern control, power electronics and microelectronics, in order to satisfy the demands of the modern technologies, the demands of electric drive system are more adaptive capability and more stability. The driving system based on DSP is replacing the system based on MCS-51 by DSP’advantages such as high-speed calculation, wealthy peripherals and so on.
1.2
常用的控制直流电动机方式有以下几种：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻大小来实现调速。这种方法简单易行且设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性不强、不能在较宽范围内完成平滑调速，所以目前采用的较少。第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(即旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制元器件，可完成优良的调速，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000)高10倍；在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级[1]。
Finally, simulating the hardware with software, the results show that the system can realize the expecting function.
Key Words:DC motor; DSP; TMSF2812; PWM
本文采用TI公司推出的专用DSP芯片TMS320F2812芯片作为控制核心，在分析了控制对象的基础上，设计了整个系统的硬件平台。根据电机驱动系统的控制要求，以及直流电机的特点和DSP芯片的功能，设计了PWM的直流电机控制方案。并根据该方案完成了控制系统的硬件设计。硬件电路主要包括供电电路、复位电路、时钟振荡电路、外扩FLASH电路、JTAG接口电路、SCI串口通讯电路、AD转换电路、PWM驱动电路。
基于DSP的直流电机控制硬件部分
摘
随着现代控制理论、电力电子技术和微电子技术的不断发展，现有的运动控制系统正朝着高精度、高性能的方向不断前进。以MCS-51为代表的单片机已难以满足系统要求。而电机控制是一个很复杂的控制问题，它需要大量的计算才能实现，因DSP既有高性能的DSP内核，又有丰富的功能外设电路，且很快的计算速度正好可以解决电机在控制算法方面的复杂性。
In the paper, the whole platform is designed by chip-TMS320F2812 as core controller, based on analyzing the controlled object. According to the demand of motor drive system, as well as DC motor characteristics and the functions of DSP, a PWM control system project of DC motor has been adopted. About the control system of DSP, the hardware design of the control system is dissertated in detail. The main circuits include power supply circuit, reset circuit, clock oscillation circuit, external expanding FLASH circuit, JTAG interface circuit, serial communication circuit, AD circuit and PWM drive circuit.
目录
摘要i
Abstractii
第一章引言1
1.1研究背景及意义1
1.2直流电动机控制的发展现状1
1.3研究内容3
第二章直流电机工作原理及DSP的选择5
2.1直流电机工作原理5
2.1.1直流电机的结构5
2.1.2直流电机的基本工作原理6
2.1.3直流电机的调速原理6
2.1.4直流电机的数学模型7
2.2控制芯片9