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matlab软件里面的逆变器模块是否存在死区?网友说:死区的设置是为了防止逆变器上下桥臂直通，而在上下桥臂开关器件的控制信号(pwm)之间加一段死区时间。matlab软件里面的逆变器模块不存在死区。目前中小功率的光伏逆变器市场前景如何？网友说:目前光伏逆变器行业国际领军者是德国艾斯玛（SMA）公司，技术处在行业的顶点。国内比较有实力的并网逆变器企业有：合肥阳光电源、三 晶新能源、中达电通、山亿新能源、北京科诺伟业、艾索新能源等；而离网逆变器的技术发展相对较成熟，国内已拥有一批技术较领先的企业。　　1.要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。　　2.要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。　　3.要求直流输入...一般全桥逆变器四个MOSFET如何工作的?我看是交叉工作的，但不知道如何解释?网友说:我申请的学校科技基金项目就是全桥逆变电源，已经结项。四个MOSFET构成左右2个桥臂，上下两个mosfet为一组，互补导通，还要加死去时间，防止误导通，造成短路。第一个桥臂的上mos和第二个桥臂的下mos接收同一驱动信号，导通关断一致，另外两个mos也是同时导通和关断。把直流转换为交流的过程，最好看书借助图解好理解桥式电压型无源逆变电路的上下两个桥臂开关元件换相时，需不需要留一定的死去时间？为什么？网友说:肯定需要，否则会导致上下两个开关短时间同时导通（因为在驱动信号到来时，上下两个开关的状态切换存在时间误差，而且开关导通和关断有延时，即存储时间和上升沿、下降沿时间），当同时导通时，将导致电源短路，所以必须留出死区时间，以避开开关切换的时间误差和延时。如何增大逆变器驱动信号 超高悬赏网友说:其实楼上的网友“金牛”已经说的更清楚了，主要的问题是输出功率管和变压器的问题。按照楼主的需求，应该使用多个并联的MOS管子作为输出管了。&如果楼主仅仅要求增加驱动信号，则在驱动信号输出端增加一个射极跟随器，就能扩展输出电流了。&如图：&IGBT 驱动板的作用 IGBT驱动板的输入信号应该是什么？输出信号又会是什么？网友说:IGBT驱动板的作用就是把控制器输出的电平信号，变换成能够可靠驱动IGBT的信号，中间还会有一些隔离、保护的作用。变压器一般就是提供一个合适驱动电压的。比如你用12V的电源供电，驱动IGBT合适的电压应该是+15V 跟-8V。通过变压器得到。
IGBT上有交流电源，不太理解，应该不会有交流电源吧，反正没见过这样用的IGBT的控制方式网友说:调幅控制（PAM）方法
　　调幅控制方法是通过调节直流电压源输出（逆变器输入）电压Ud（可以用移相调压电路，也可以用斩波调压电路加电感和电容组成的滤波电路，来实现调节输出功率的目的。即逆变器的输出功率通过输入电压调节，由锁相环（PLL）完成电流和电压之间的相位控制，以保证较大的功率因数输出。
　　这种方法的优点是控制简单易行，缺点是电路结构复杂，体积较大。
脉冲频率调制(PFM)方法
　　脉冲频率调制方法是通过改变逆变器的工作频率，从而改变负载输出阻抗以达到调节输出功率的目的。
脉冲密度调制（PDM）方法
　　脉冲密度调制方法就是通过控制脉冲密度，实际上就是控制向负载馈送能量的时间来控制输出功率。
谐振脉冲宽度调制(PWM)方...变频器工作半小时为什么会自动停止网友说:变频器的故障原因及预防措施
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　　变频器由主回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。其结构多为单元化或模块化形式。由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析尤为重要。
1.1 主回路常见故障分析
　　主回路主要由三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IPM逆变桥、限流电阻、接触器等元件组成。其中许多常见故障是由电解电容引起。电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定，在回路设计时已经选定了电容器的型号，所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。电解电容器会直接影响到变频器的...高频逆变器推挽变压器去掉一边绕组电流为什么会变大网友说:　　原因：　　逆变电源将直流电转化5为8交流，功率晶体管T7、T6和T5、T0交替开m通得到交流电力h，若直流电压较低，则通过交流变压器升8压，即得到标准交流电压和频率。对大z容量的逆变电源，由人j直流母线电压较高，交流输出一l般不z需要变压器升1压即能达到170V，在中1、小h容量的逆变电源中4，由于u直流电压较低，如82V、03V，就必须设计6升3压电路。　　中2、小d容量逆变电源一r般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升3压逆变电路三q种。推挽电路，将升6压变压器的中1性抽头接于y正电源，两只功率管交替工b作，输出得到交流电力a，由于o功率晶体管共地边接，驱动及u控制电路简单，另外由于n变压器具有一d定的漏感，可限制短路电流，因而提高了q电路的可靠性。...IGBT管在逆变器驱动板上的作用和工作原理，通俗点，谢谢网友说:IGBT管不管在什么样的使用环境下，其基本作用都是做为高速无触点电子开关。比如你举的例子，就是利用IGBT的开关原理，利用控制电路给予适当的开通、关断信号，IGBT就能根据你的控制信号将直流电变换成交流电，直流电转换成交流电后电压会降低，实际上火车供电系统的600V直流就是将380V交流整流而成，IGBT逆变器驱动板的作用就是将这个过程的再还原。同时可以通过控制信号的脉宽调节来控制电流的大小，也可以控制交流频率，从而控制电机的转速。
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基于DSP的直流电动机伺服控制系统设计
基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计摘 要本文设计了一种基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统。根据伺服系统对快速性、高精 度以及传动的刚性和高的速度稳定性等方面的性能要求，系统采用了位置、速度、电流三 闭环的控制结构。 位置控制环为最外环。为了兼顾位置伺服控制的快速性和精确性，在本环节设计了一 个模糊控制器。模糊控制器可以根据位置误差的大小以及位置误差变化率的大小，实时的 调节电动机的转速，使系统在大的位置偏差的情况下能够以最快的速度向着减小位置误差 的方向运行，在小误差的情况下，能够使电机的运行速度逐渐减小，使系统控制的精确性 占主导地位，为位置误差等于零的时候能够做到准确迅速的停车创造条件。 为了使系统能够有很好的刚性和速度稳定性，在位置环之内设置了一个转速调节环， 并且以 PI 调节算法作为速度环控制器基本算法。这样不仅可以做到速度的实时反馈和调 整，而且由于 PI 调节器的积分作用，可以使系统在稳态时做到速度无静差。 伺服电机在经常的起动，运行和停止状态之间进行切换时，起动时间的长短，直接影 响伺服系统的性能。为了能够尽量的提高伺服控制系统的反应快速性，并且能够为了实时 的对主电路的电流进行检测调节，系统在速度环的内部设置一个电流反馈环并且以带输出 限幅的 PI 调节器作为电流环的控制器。在电流环的控制下，系统在起动的时候能够最大 限度的发挥电机的过流能力，使电机以最大允许的起动电流恒流起动，则电机转速可以以 最大的加速度上升，并且以最快的时间达到给定转速。 关键词：直流电动机；DSP；模糊控制器；PI 调节器；伺服控制1基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计The Design of DC Motor Servo-control System Based on DSPAbstractsWith the rapid and remarkable development of electronic technology, the application of DSP becomes more and more extensive owing to its high speed in proceeding data. In this paper, a DC motor servo-control system based on DSP is designed. In this system, according to the performance requires of servo-system in rapid character, high precision, drive-stiffness and high-speed stability, we adopted a closed-loop control structure that includes three closed-loops: position closed-loop, speed closed-loop and current closed-loop. Among these control loops, the position control is in the most external. In this control loop, on account of giving consideration to both the rapidity and precision of position servo-control, we designed a fuzzy controller. This fuzzy controller can implement real-time regulation of the motor's rotational speed in light of the position error and its variable rate, therefore, the system can run in the direction of cutting down the position error with maximum speed when the system is under the condition of a higher position error. When the error is slight, the fuzzy controller also can reduce the motor's rotational speed gradually, thus the precision of the system will play a dominant role, which can create good conditions for an accurate stop when the position error diminished. For the sake of having a fine stiffness and speed stability in this system, we designed a rotational speed regulation loop inside the position loop and adopted PI regulation algorithm as a basic algorithm of speed loop controller. So it not only achieves the real-time feedback and the regulation of speed but also eliminate the static error of speed due to the integral action of PI regulator when the system is in a steady state.. As we know, a servomotor usually works under three states that is starting, running and stopping. When its work states change frequently, the starting-time can influence the performance of the servo-system. In order to enhance the rapid reaction performance and regulate the current of main circuit in real time, a current loop's controller is set up inside the speed loop, it takes the PI regulator for the current loop's controller, which can make the output limited. Under the control of a current loop, the system can make advantage of the motor's ability of over-current with a maximum limit, as a result, the motor can implement constant-current staring under a maximum let-through current. Therefore, the motor's rotational speed can rise at a maximum acceleration and reach the given speed within the shortest time. Keywords: DC motor；DSP；fuzzy controller；PI regulator；servo- ； ； ； ；2目录摘要…………………………………………………………………………………………………………I ABSTRACT………………………………………………………………………………………………II 1 绪论 ……………………………………………………………………………………………… 1 1.1 课题研究意义………………………………………………………………………………1 1.2 DSP 在直流电动机控制中应用……………………………………………………1 1.3 本文的研究内容…………………………………………………………………………1 2 数字信号处理器（DSP）简介 ………………………………………………………… 3 2.1 数字信号处理器的发展与现状……………………………………………………3 2.2 DSP 芯片的特点…………………………………………………………………………3 2.3 TMS320F24X DSP………………………………………………………………………4 2.4 DSP 系统的特点…………………………………………………………………………5 2.5 DSP 仿真开发工具………………………………………………………………………6 3 直流电动机系统理论研究 … …… … …… … … …… … …… … …… … … …… … ……… 8 3.1 直流电动机的结构及工作原理………………………………………………………8 3.1.1 直流电动机结构…………………………………………………………………8 3.1.2 直流电动机工作原理…………………………………………………………9 3.1.3 无刷直流电动机的位置检测……………………………………………12 3.1.4 直流电动机的转速测量……………………………………………………13 3.2 直流电动机的启动、调速、制动特性…………………………………………15 3.2.1 启动特性 …………………………………………………………………………15 3.2.2 调速特性 …………………………………………………………………………15 3.2.3 制动特性 …………………………………………………………………………16 3.3 直流电动机 PWM 控制原理 …………………………………………………………16 3.4 直流电动机的调速控制方法………………………………………………………17 3.5 直流电动机的驱动方式……………………………………………………………18 4 电动机的 DSP 控制概述 ………………………………………………………………… 19 4.1 电动机驱动系统………………………………………………………………………19 4.1.1 电动机驱动系统的基本功能………………………………………………19 4.1.2 电动机驱动系统的基本结构………………………………………………20 4.1.3 驱动系统的特性 ………………………………………………………………21 4.2 电动机 DSP 控制系统的特点……………………………………………………22 4.3 DSP 开发电动机控制系统步骤…………………………………………………23 5 伺服控制系统控制器设计 …………………………………………………………… 24 5.1 电流、转速、位置三闭环设计思想 ……………………………………………24 5.2 直流电动机的数学模型………………………………………………………………25 5.3 直流电动机的额定参数………………………………………………………………26 5.3.1 确定时间常数……………………………………………………………………27 5.3.2 静态参数计算……………………………………………………………………27 5.3.3 确定系统各部分的传递函数………………………………………………27 5.4 电流、转速调节器设计………………………………………………………………293基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计5.4.1 电流环设计………………………………………………………………………29 5.4.2 转速环设计………………………………………………………………………31 5.4.3 PI 数字控制器的实现………………………………………………………32 5.5 位置控制器的设计………………………………………………………………………33 6 伺服控制系统硬件设计 ………………………………………………………………… 36 6.1 伺服控制系统概述……………………………………………………………………36 6.1.1 伺服控制系统的结构组成………………………………………………36 6.1.2 伺服控制系统的技术要求………………………………………………36 6.2 系统硬件总体设计……………………………………………………………………37 6.2.1 功率驱动实现…………………………………………………………………38 6.2.2 DSP 周边电路实现……………………………………………………………39 6.2.3 输入输出接口实现…………………………………………………………41 6.2.4 保护环节实现…………………………………………………………………41 7 伺服控制系统软件设计 ………………………………………………………………… 43 7.1 DSP 软件开发……………………………………………………………………………43 7.1.1 集成开发环境（CSS）……………………………………………………43 7.1.2 DSP 软件开发特点…………………………………………………………43 7.2 软件构架…………………………………………………………………………………43 7.2.1 主控程序…………………………………………………………………………44 7.2.2 PWM 波形输出及死区时间设计实现…………………………………44 7.2.3 电流检测实现…………………………………………………………………45 7.2.4 PID 调节器实现……………………………………………………………46 7.2.5 电机控制模块…………………………………………………………………46 7.2.6 电流调节模块…………………………………………………………………47 7.2.7 转速调节模块…………………………………………………………………48 8 总结与展望 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 49 8.1 总结…………………………………………………………………………………………49 8.2 展望…………………………………………………………………………………………49 谢辞…………………………………………………………………………………………………………50 参考文献…………………………………………………………………………………………………51 附录 A………………………………………………………………………………………………………52 附录 B………………………………………………………………………………………………………55 附录 C………………………………………………………………………………………………………57 附录 D………………………………………………………………………………………………………59 附录 E………………………………………………………………………………………………………60411.1 课题研究意义绪论随着工业技术的发展，伺服控制系统在许多工业控制领域如激光加工、机器人、精 密机床雷达武器传动系统等取得了非常广泛的应用。尤其是交流伺服系统，随着功率电子 技术、微电子技术的发展，交流伺服系统已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响 应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。 永磁无刷直流电动机是用电子换向代替传统的机械换向的一种新型机电一体化电机， 性能上保持了普通直流电动机的优点，而又克服了其缺点。无刷直流电机通常采用永磁体 转子，没有励磁损耗。发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，热阻小、散热容易。因 此，无刷直流电动机具有没有换向火花、电磁噪声小，并且体积小、重量轻、维护方便以 及高效节能等一系列优点。 经过几十年的发展， 其它种类的电动机被其取代趋势不可避免。 在高性能、高可靠性的场合已经取代直流电机，在高速度、高精度、高分辨率和高可靠性 的数控机床伺服系统中，它的闭环系统已取代了步进电机。因此永磁无刷直流伺服控制系 统在工业上具有很广阔的应用背景和研究意义。 一些工业场合要求控制对象能高速定位，快速起停车，且定位要求精准，且要满足抗 干扰能力、快速响应、稳定性好、负载能力强、工作频率范围大等伺服系统基本性能。要 做到高速定位，需要对驱动器或运动控制器提供高速位置锁定输入，通过高速定位模块检 测主轴的速度和位移，控制伺服轴的速度，完成主频主轴和伺服轴高速同步。这就需要合 理地选择伺服电机、控制器、传感器，设计出好的控制算法。 随着控制技术的发展，以及对伺服系统的性能不断升级的性能要求。人们将计算机与 伺服控制系统相结合，使计算机成为伺服系统中的一个环节。这样开始使伺服系统向着智 能化的方向发展。利用计算机构成数字伺服控制系统，是近代直流伺服控制系统的一个发 展方向。1.2 DSP 在直流电动机控制中应用数字化电机控制技术的发展使得电机这一古老的机电能量转换装置得到新的发展和 广泛应用，并极大地提高了工农业生产效率，改善了人们的生活质量。随着新材料、新工 艺和新技术的不断出现和发展，DSP 电机控制技术也是日新异地发展，尤其是在要求精度 高及实时性好的环境中正不断地替代传统的单片机电机控制系统。在 DSP 直流伺服电机控 制系统中，脉宽调制(Pulse Width Modulation,简称 PWM)控制、向量变换控制、空间向量 调制和直接转矩控制等技术的采用及实现越来越普遍。 DSP 的发展及其高速运算能力为电机控制复杂算法的高速实时实现提供了硬件保障。 由于 DSP 芯片内部集成了模/数转换、数字输入/输出等接口，因此使得电机控制系统硬件 设计更加灵活、简易。DSP 数字化直流伺服电机控制系统缩小了原来采用仿真器件的系统 体积且提高了可靠性，随着控制系统的生产批量增大，软硬件成本低的优势越来越显著。1.3 本文的研究内容本文研究的内容是设计并且实现一个基于数字信号处理器 DSP 控制的直流电动机伺服 控制系统，完成位置伺服控制。本系统要求达到的控制目标: (1)对于伺服控制系统，要求响应快，控制精度高； (2)系统统做到电流、转速、位置闭环控制； (3)系统可以对电流实时监控，防止出现过流现象；5基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计全文共分为八章，内容安排如下: 第一章对 DSP 在直流电动机控制中应用和伺服控制系统及课题研究意义进行介绍。然 后给出本文将要研究的内容以及希望达到的预期目标。 第二章对数字信号处理器的发展现状和它的特点进行介绍，然后对本文中将使用到的 TMS320F24ODSP 进行介绍，并且着重分析了它的事件管理器的构成和特点。 第三章对直流电动机的基本组成、工作原理以及启动、制动特性行介绍。在本章的最 后给出直流电动机的运行特性及调速方法。 第四章对本文电动机驱动系统及功能、分类进行介绍，并对电动机 DSP 控制系统的特 点及开发步骤进行了详细的阐述。 第五章详细的介绍为了实现系统的伺服控制，转速、电流、位置各个环节的控制器的 设计和实现及电动机的数学模型和参数。 第六章为伺服控制系统硬件设计部分，介绍了伺服控制系统、系统硬件的实现。 第七章为伺服控制系统软件设计部分。 第八章在本文结束部分，对系统所能达到的性能指标进行分析评价、总结、展望。62数字信号处理器（DSP）简介目前，各种各样的控制系统、通信系统、网络设备、仪器仪表等等，都是以微处理器 为核心的。随着大规模集成电路技术的不断发展，微处理器的性能越来越高、体积越来越 小、系列越来越多。微处理器一方面由 8 位向着 16 位、32 位、64 位发展，另一方面微处 理器与外围设备集成到一块芯片上以单片机形式适应控制器体积越来越小的工程要求。单 片机不但小巧、成本低，而且由于将众多的设备集成到了一块芯片上，带来了功耗小和抗 干扰能力强的优点。2.1 数字信号处理器的发展与现状数字信号处理器 DSP(Digital Signal Processor)是一款高性能的单片机，它将中央 处理单元、控制单元和外围设备集成到一块芯片上。 DSP 最早是针对数字信号处理，特别是语音、图象信号的各种处理而开发的。由于这类 信号处理的算法复杂，要求 DSP 必须具有强大快速的运算能力。因此 DSP 有别于普通的单 片机。它采用了多组总线技术实现并行运行机制，从而极大地提高了运算速度，也提供了 非常灵活的指令系统。近年来，各种集成化单片 DSP 的性能不断得以改进，相应的软件和 开发工具日臻完善，价格迅速下降，使得 DSP 在控制领域的应用备受关注。 在 DSP 中，德州仪器(TI)公司的产品及其配套技术与开发工具最有竞争力，其中 TMS320DSP 是它的代表系列。 自从 1982 年 Tl 公司的 TMS320 系列 DSP 芯片的第一代处理器 TMS320C10 问世以来，TMS320 系列已经成为 DSP 市场的主流产品。在 TI 公司的系列产品 中，TMS320CI/C2X/C5XDSP 芯片为 16 位定点处理器，TMS320C3X/C4X/C8X 为 32 位浮点处 理器。随着半导体技术的发展，芯片的制造工艺不断的提高，到目前为止已经发展到了 0.25 ?m CMOS 技术。DSP 的性能有了极大的提高，其执行指令已经由百万条指令数每秒 (MIPS)达到了 1600MPIS，时钟的频率也由 20MHZ 发展到了 200MHZ。2.2 DSP 芯片的特点(l)哈佛结构 早期的微处理器内部大多采用冯.诺依曼(Von Neumann)结构，其片内程序空间和数据 空间是合在一起的，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。当高速运算时，不但 不能同时取指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。而 DSP 内部采用的是 程序空间和数据空间分开的哈佛(Havard)结构，允许同时取指令(来自程序存储器)和取操 作数(来自数据存储器)。而且，还允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据，即改进 的哈佛结构。 (2)多总线结构 许多 DSP 芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以多次访问 程序空间和数据空间。对 DSP 来说，内部总线是个十分重要的资源，总线越多，可以完成 的功能就越复杂。 (3)流水线结构 DSP 执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作数和执行等几个阶段。在 DSP 中， 采用流水线结构。在程序运行过程中这几个阶段是重叠的，如图 2-1 所示。这样，在执行 本条指令的同时，还依次完成了后面 3 条指令的取操作数、译码和取指的操作，将指令周 期降低到最小值。利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理器中 用的最多的乘且累加运算可以在单个指令周期内完成。7基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计时钟 取指 译码 取操作数 执行 N N-1 N-2 N-3 N+1 N N-1 N-2 N+2 N+1 N N-1 N+3 N+2 N+1 N图 2-1 四级流水线操作(4)多处理单元 DSP 内部一般都包括多个处理单元，如算术逻辑运算单元(ALU)、辅助寄存器运算单元 (ARAU)、 累加器(ACC)以及硬件乘法器(MUL)等。 它们可以在一个指令周期内同时进行运算。 因此，DSP 在进行连续的乘法运算时，每一次乘加运算都是单周期。DSP 的这种多处理单 元的结构，特别适用于 FIR 和 IIR 滤波器。 (5)特殊的 DSP 指令、指令周期短，运算精度高，硬件配置强。2.3 TMS320F24X DSPTMS320F24XDSP 控制器，是 TI 公司专门针对电机，逆变器，机器人，数控机床等控制 而设计的。它以 C2XLP16bit 定点 DSPCPU 为内核，配置了完善的外围设备。它的单周期指 令的时间仅为 50ns(2OMIPS)，在空闲状态下有多种降低功耗的方式。 TMS32OF240 的基本组成如下: ?中央处理单元 有 32 位中央算术逻辑单元(CALU)、 位累加器、 32 16*16 位的乘法器、 个比例移位器、 3 间接寻址用的 8 个 16 位辅助寄存器和它的辅助算术单元(ARAU) ?存储器 544 字片内双口 RAM，其中 288 字用于数据，256 字用于程序/数据 16K 字片内 FLASHEEPROM，用作程序存储器 244K 字可寻址空间，程序存储器空间 64K，数据存储器空间 64K，I/0 空间 64K，还有 32K 字全局存储器空间 ?程序控制 4 级流水线操作；8 级硬件堆栈；6 个外部中断 ?事件管理模块 3 个 16 位通用定时器；3 个全比较/PWM 单元 3 个单比较/PWM 单元；4 个捕获单元；2 个 8 通道 10 位 A/D 转换器 ?串行异步数字通信模块(SCI) ?串行外设接口模块(SPI) ?由看门狗和实时中断定时器组成的系统监视模块 ?28 可独立编程的 I/0 引脚 TMS320F24O DSP 控制器非常方便电机控制，主要归功于它功能强大的片内外设。 (1)通用定时器 DSP 控制器的三个通用定时器都采用 16 位的计算器， 它们的计数范围是 0 到 65535 个 脉冲。计数器可以由内部时钟经分频产生，也可以由外部引脚提供时钟。计数方向可以是 增计数也可以是减计数。 定时器内部设有周期寄存器和比较寄存器。 定时器除了产生上溢、8下溢事件外，当计数值与比较寄存器或者周期寄存器的值相等时，还会产生周期匹配或者 比较匹配两种事件，如果开启了比较输出功能，这些事件还将引起输出引脚的电平变化。 所以，DSP 控制器的通用定时器为控制系统的各种应用提供了设计上的便利。 (2)比较单元与 PWM 发生器 DSP 控制器内部有三个单比较单元和三个全比较单元。由于在本文的系统设计中将用 到全比较单元，所以对其进行比较详细的阐述。每个全比较单元有一对关联的输出引脚 CMPy / PWM Y 和 CMPy +1 / PWM Y +1 （y=1,3,5） ，这为桥式电路设计的。一对输出引脚对应 一组桥臂，当上桥臂开启时，下桥臂关闭，反之亦然。 (3)捕获单元 捕获单元是一种输入设备，用于捕获引脚上电平的变化并记录它发生的时刻。普通的 微处理器也能做到这一点，但是需要由 CPU 完成判断和记录工作，占用 CPU 的资源。另外， 对于二次间隔很短的跳变(微妙级)的捕获，普通的微处理器就显得力不从心。DSP 的捕获 单元不需要占用 CPU 的资源，与 CPU 并行工作，它有二级先入先出堆栈缓冲器，对于二次 间隔很短的跳变捕获也能得心应手。 (4)A/D 转换模块 DSP 控制器的数模转换模块包括两个独立的模/数转换器， 每个转换器带有一个内部的 采样/保持电路和一个 10 位双积分的转换器。每个转换器可以接 8 路模拟输入通道，每个 模/数转换器每次只能转换一个模拟通道的输入，但是两个独立的模/数转换器可以同时转 换 2 个模拟输入。 (5)SCI 串行通信接口模块 DSP 控制器的串行通信接口(SCI)是一个标准的通用异步接收(UART)通信接口。 它的接 收器和发送器都是双级缓冲的，有自己的使能和中断位，它们可以半双工或者全双工方式 工作。为了保证数据的完整性，串行通信接口对接收的数据进行间断检测、奇偶性、超时 和帧错误检查，而且通信接口的波特率可高达 64kbps。 (6)SPI 串行外设接口模块 为了使数字处理器系统微型化， 内部配置了与 SPI 总线兼容的 SPI 串行接口模块。 DSP 它只需要 3 根引脚就可以与外部设备相接，实现两个设备之间的信息交换。它与 SCI 串行 异步通信有相似的地方，也有不同的地方。相同之处在于它们都是串行的交换信息，不同 的是，SCI 是一种异步或(准同步)方式，而 SPI 是真正的同步方式。它的传输速率远远高 于 SCI。 (7)中断管理系统 DSP 控制器的中断由 DSP 内核中断、事件管理器模块的中断、系统模块中断组成。DSP 内核中断包括:由创 TR、NMI、和 TRAP 产生的软件中断以及来自复位/RS、非屏蔽 NMI 和可 屏蔽 INTx 硬件中断;事件管理模块的中断包括:通用定时器的周期中断、比较事件中断、 上下溢出事件中断、单比较中断、全比较中断、捕获中断、电源驱动保护中断;系统模块 的中断包括:A/D 转换中断、 串行通信接收和发送中断、 串行外设接口中断、 外部引脚 XINTx 产生的可屏蔽中断。 可以看出 TMS320F240DSP 控制器片内外设资源非常丰富，尤其是在电机控制方面，能 够满足多方面的需求，为系统的设计开发带来了很大的便利2.4 DSP 系统的结构特点DSP 系统以数字信号处理为基础，因此它不仅具有数字信号处理系统的全部优点而且 还具有其自身的特点 (1)接口方便。DSP 系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，9基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多。 (2)编程方便。 系统中的可编程 DSP 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对 DSP 软件进行修改和升级。 (3)稳定性好。DSP 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性 高。 (4)精度高。16 位数字系统可以达到 10 ?32 的精度。 (5)可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统不受此 影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 (6)集成方便。DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 所有这些 突出的优点己经使其在众多领域得到越来越广泛的应用。2.5 DSP 仿真开发工具DSP 的开发工具可以分为代码生成工具和代码调试工具两大类。代码生成工具的作用 是将 C 语言或汇编语言编写的 DSP 程序汇编，并链接成可执行的 DSP 程序。代码调试工具 的作用是对 DSP 程序及系统进行调试，使之能够进行达到设计目标。 图 2-3 为 DSP 的一般的开发过程和所涉及的开发工具。图 2-3 DSP 开发过程及工具其主要代码生成工具说明如下: (1)汇编器(Assembler) 汇编器把汇编语言源代码转换成 COFF 格式的机器语言代码， 汇编源代码可以包含 DSP 指令，汇编器伪指令及宏指令。用户可以用汇编伪指令控制汇编过程的各个方面。 (2)链接器(Linker) 链接器把多个 COFF 文件链接成可执行的 COFF 目标文件。当它创建可执行模块时，它 实现复位并解决外部引用问题。链接器接收汇编所生成的可复位 COFF 目标文件作为输入， 它也接受归档目标库中的成员以及由链接器所创建的输出模块。链接器伪指令允许用户组10合目标文件段，把段或符号约束在某地址或存储器范围内，定义全局符号等。 (3)归档器(Archiver) 归档器允许用户把多个文件收集到单个归档文件中，用户也可以把几个宏源程序收集 到宏库内，汇编器会搜索该库并调用源文件中引用的库成员;用户也可以使用归档器把多 个目标文件收集到目标库中，链接器会将外部引用的库成员包含到生成的可执行文件中。 (4)十六进制转换工具(Hex Conversion Utility) 大多数 EPROM 编程器并不接受 COFF 格式的目标文件。十六进制转换工具把 COFF 格式 的目标文件转换成 EPROM 编程器支持的其它格式,转换后的文件就可以下载到 EPROM 编程 器中。 (5)绝对列表器(Absolute Lister) 绝对列表器接受链接的目标文件作为输入生成.abs 文件，这些.abs 文件可被重新汇 总从而产生目标文件的绝对地址列表。 (6)交叉引用列表器(Cross-Reference Lister) 交叉引用列表器接受目标文件以产生交叉引用列表，此列表显示符号及其定义，并显 示在链接的源文件内对它们的引用。 (7)运行时支持库创建工具(Library-Build Utility) 利用运行时支持库创建工具，用户可以创建自己的运行时支持库。 (8)运行时支持库(Run-Time-Support Library) 运行时支持库包含 ANSI 工标准的运行时支持函数、编译器命令函数、浮点算术函数 和 I/0 函数等。 DSP 仿真开发系统包括主机(PC 或工作站)、仿真器、以及开发系统集成环境(CCS )。 图 2-4 示出仿真器和用户目标系统和工作站的连接示意图个人用户 工作站目标 DSP仿真器电源图 2-4 仿真器与用户目标系统和工作站的连接示意图其中主机的任务是运行开发系统软件平台，提供开发系统的人机交互接口，提供必要的软 件资源和程序编制工具，提供仿真开发控制软件工具等。 仿真器实际上也是一个 DSP 系统，由相应型号的 DSP 器件和一些通信接口电路和 I/0 口控制电路组成。仿真器有两个信号连接电缆，一个是与 PC 机连接的通信电路，这样就 可以在 PC 机控制下执行仿真开发命令和用户程序;另一个是与目标系统连接的目标连接 线，通过目标连接线把 DSP 器件的管脚全部引到目标系统的 DSP 器件对应的管脚上，使得 仿真器的硬件资源对目标系统开放。 开发软件平台则提供一个完整的 DSP 系统开发支持软件环境， 通过软件的操作实现 DSP 系统的开发与调试。11基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计3直流电动机系统理论研究直流电动机是最早出现电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动 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。 本章将以直流电动机及直流无刷电动机为例， 详细分析直流电机以及直流无刷电机的结构、工作原理及调速原理和方法 ，为实现对它 们的控制奠定坚实的理论基础。也为后面设计电机控制系统的硬件平台、软件结构奠定基 础。3.1 直流电动机的结构及工作原理要实现机电能量转换，电路和磁场之间必须有相对运动，旋转电机必须具备静止的和 转动的两大部分，静止和转动部分之间要有一定大小的间隙(以后称为气隙)。直流电机的 静止部分称为定子，它的主要作用是产生磁场，由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组 成。转动部分就是转子，通常称为电枢，器、轴和风扇等组成。现对各主要结构部件的基 本结构及工作原理作简要介绍它的作用是产生电磁转矩和感应电动势，由电枢铁心和电枢 绕组、换向如下。 3.1.1 直流电动机结构 直流电动机结构主要由定子和转子两大部分组成，定转子之间存在的间隙称为气隙。 如表 3-1 所示：表 3-1 直流电动机结构 定子 主磁极（励磁绕组 主极铁心） 换向极（绕组和铁心） 机座 端盖 电刷装置 转子 电枢绕组 电枢铁心 换向器 转轴、风扇（1）定子 定子是电机的静止部分，主要用来产生磁场。它主要包括： ①主磁极 主磁极包括铁心和励磁绕组两部分。当励磁绕组中通人直流电流后，铁心 中即产生励磁磁通，并在气隙中建立励磁磁场。励磁绕组通常用圆形或矩形的绝缘导线制 成一个集中的线圈，套在磁极铁心外面。主磁极铁心一般用 1～1.5mm 厚的低碳钢板冲片 叠压铆接而成，主磁极铁心柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴 与极身交接处形成一个突出的肩部，用以支撑住励磁绕组。极靴沿气隙表面成弧形，使磁 极下气隙磁通密度分布更合理。整个主磁极用螺杆固定在机座上。 主磁极总是 N、S 两极成对出现。各主磁极的励磁绕组通常是相互串联连接，连接时 要能保证相邻磁极的极性按 N、S 交替排列。 ②换向极 换向极也由铁心和绕组构成。中小容量直流电机的换向极铁心是用整块钢 制成的，大容量直流电机和换向要求高的电机，换向极铁心用薄钢片叠成，换向极绕组要 与电枢绕组串联，因通过的电流大，导线截面较大，匝数较少。换向极装在主磁极之间， 换向极的数目一般等于主磁极数，在功率很小的电机中，换向极的数目有时只有主磁极极 数的一半，或不装换向极。换向极的作用是改善换向，防止电刷和换向器之间出现过强的 火花。12③电刷装置 电刷装置由电刷，刷握、压紧弹簧和刷杆座等组成。电刷是用碳-石墨 等做成的导电块，电刷装在刷握的盒内，用压紧弹簧把它压紧在换向器的表面上。压紧弹 簧的压力可以调整，保证电刷与换向器表面有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆 装在刷杆座上，彼此之间绝缘。刷杆座装在端盖或轴承盖上，根据电流的大小，每一刷杆 上可以有几个电刷组成的电刷组，电刷组的数目一般等于主磁极数。电刷的作用是与换向 器配合引入、引出电流。 ④机座和端盖 机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成。它用来固定主磁极、换向极及端 盖，借助底脚将电机固定于基础上、机座还是磁路的一部分，用以通过磁通的部分称为磁 轭，端盖主要起支撑作用，端盖固定于机座上，其上放置轴承，支撑直流电机的转轴，使 直流电机能够旋转。 （2）转子 转子是电机的转动部分，转子的主要作用是感应电动势，产生电磁转矩，使机械能变 为电能（发电机）或电能变为机械能（电动机）的枢纽。它主要包括： ①电枢 电枢又包括铁心和绕组两部分。 1）电枢铁心 电枢铁心一般用 0.5mm 厚的涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠成，这样铁心 在主磁场中转动时可以减少磁滞和涡流损耗。铁心表面有均匀分布的齿和槽，槽中嵌放电 枢绕组。电枢铁心构成磁的通路。电枢铁心固定在转子支架或转轴上。 2）电枢绕组 电枢绕组是用绝缘铜线绕制成的线圈按一定规律嵌放到电枢铁心槽中， 并与换向器作相应的连接。线圈与铁心之间以及线圈的上下层之间均要妥善绝缘，用槽楔 压紧，再用玻璃丝带或钢丝扎紧。电枢绕组是电机的核心部件，电机工作时在其中产生感 应电动势和电磁转矩，实现能量的转换。 ②换向器 换向器的作用是与电刷配合，将直流电动机输入的直流电流转换成电 枢绕组内的交变电流，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流 电压。 换向器是一个由许多燕尾状的梯形铜片间隔云母片绝缘排列而成的圆柱体，每片换向 片的一端有高出的部分，上面铣有线槽，供电枢绕组引出端焊接用。所有换向片均放置在 与它配合的具有燕尾状槽的金属套简内，然后用 V 形钢环和螺纹压圈将换向片和套筒紧固 成一整体，换向片组与套筒、V 形钢环之间均要用云母片绝缘。 ③转轴 在转轴上安装电枢和换向器。 （3）气隙 静止的磁极和旋转的电枢之间的间隙称为气隙。在小容量电机中，气隙为 0.5～3mm。 气隙数值虽小，但磁阻很大，为电机磁路的主要组成部分。气隙大小对电机运行性能有很 大影响。 3.1.2 直流电动机工作原理 直流电动机的基本工作原理主要是借助于所谓的电磁转矩原理，即位于磁场中的载流 导体，在该导体上要受到力的作用，力的方向可以按左手定则确定。力的大小可由下式确 定。 F = BIL (3-1) 式中： B ―磁感应强度( T ) I ―电流( A ) L ―导体有效长度( m ) F ―力( N ) 直流电动机工作原理图如图 3-1 所示。13基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计图 3-1 直流电动机工作原理图该简化图有一对磁极，电枢绕组只有一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片 上压着电刷 A 和 B。 将直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。N 极下的有效边中的电流 总是一个方向，而 S 极下的有效边的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电 磁力一致，电枢因而转动。当线圈的有效边从 N (S)极下转到 S (N)时，由于换向器的作 用，各有效边的电流方向同时改变，从而使电磁力的方向不变。直流伺服电机电枢绕组中 的电流与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。其电磁转矩用下式表示: T = K t ΦI a （3-2） 式中: T---电磁转矩(N.m) Φ ---一对磁极的磁通( W b) K t ---与电机结构有关的常数， K t = 9.55 K e 图 3-2 为直流电动机的接线原理图。+ Ic + N Uc MS E S T n 图 3-2 直流电动机接线原理图直流电动机机械特性的一般表达式为:n=Ra U ? T = n0 ? ?n K eΦ K e K t（3-3）根据式 3-3，可以得出其机械特性图，如图 3-3 所示。 nn0nN 0 TN图 3-3 直流电动机的机械特性图t式 3-3 中，当 T=0 时的转速 n0 = U /( K e Φ ) 称为理想空载转速。实际上，电机总存在空载制14动转矩，靠电机本身的作用是不可能使其转速上升到 n0 的。 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，记为 β ，定义为:β =dT ?T = × 100 % dn ?n(3-4)即转矩变化 dT 与所引起的转速变化 dn 的比值，称为机械特性的硬度，根据 β 值的不同， 可将电机机械特性分为三类:(1)绝对硬特性:(2)硬特性;(3)软特性。 直流电动机由电机本体、转子位置传感器、电子开关线路三部分组成，电机本体的主 转子由永磁钢组成，主要作用是在电动机气隙中产生磁场。主定子上的线圈通电后产生反 应磁场，该磁场方向与转子磁场方向保持 90°左右的角度，催动转子转动。但是由于无刷 电机没有机械换向装置，不能使定子绕组依次馈电，所以还要由位置传感器、位置逻辑控 制单元、功率开关管共同构成一个保证电机正常运行的换向装置。例如，当遮光板的透光 部分转动 120°，使某一光电器件得到光照，经过位置逻辑控制单元处理后，使功率管 Tl 呈导通状态，电流流入 A-A’相绕组，该绕组电流产生的磁场与主转子的磁极作用后所产 生的转矩使主转子的磁极按图 3-4a 中箭头方向(顺时针)转动。当主转子磁极转到图 3-4b 所示位置时，遮光板跟着同步转动，并遮住 as 而使 Sb 受光照，从而使功率管 Tl 关断， T2 导通，电流从绕组 A-A’断开而流入 B-B’ ，从而使主转子磁极继续按顺时针方向转动。 同理，当主转子磁极转动到图 3-4c 所示的位置时，Sc 受光照，功率管 T2 关断而 T3 导通， 电流流入 C-C’绕组，主转子仍按原方向转动，重新回到图 3-4a 所示位置。这样，随着位 置传感器遮光板的转动，定子绕组在位置传感器件 Sa、Sb、Sc 的控制下，A、B、C 三相依 次馈电，实现了各相绕组电流的换相。图 3-4 开关顺序及主定子磁场旋转示意图以系统三相全控桥式， 两两通电的驱动方式为例。 电机的三相绕组为 Y 联接。 如图 3-5 所示。T1 + T3 T5U V W-T2T4T6图 3-5 丫联接绕组三相全控桥式电路15基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计Tl、T2、……T6 为六只功率管，起绕组开关作用。Tl、T3、T5 为上桥臂功率管，T2、T4、 T6 为下桥臂功率管。 所谓两两通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通， 每隔 1/6 周期(60 度角度)换向一次，每次换向一个功率管，每一功率管导通 120 度角度。各功率管的导通 顺序是 (t:位置传感器转子遮光板转过的角度) t=0° 电源正端→T1→U→V→T6→电源负端： t=60° 电源正端→Tl→U→W→T6→电源负端; t=120° 电源正端→T3→V→W→T6→电源负端; t=180° 电源正端→T3→V→U→T2→电源负端; t=240° 电源正端→T5→W→U→T2→电源负端; t=300° 电源正端→T5→W→V→T4→电源负端; t=360° 重复 t=0° 3.1.3 直流电动机的位置检测 直流电动机是通过位置传感器检测转子位置信号，产生一定的控制逻辑，去控制功率 开关器件的通断，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相，形成气隙 中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。因此，能否正确而准确检测转子位 置对整个永磁无刷直流电动机传动系统至关重要。 霍尔传感器是直流电动机中采用较多的一种。该传感器由静止部分和转动部分两部分 组成。静止部分由一组霍尔元件及永磁块组成，固定在电机机座上;转动部分为一个开有 齿、槽的遮光盘(其齿、槽数分别与电机转子极对数相等)固定在电机转轴上，随转子同步 旋转。通过遮光盘的齿部的遮挡与否使霍尔元件产生高、低电平信号，从而提供了直流电 动机的转子位置信息。图 3-6 为位置传感器安装示意图。图 3-6传感器安装示惫图当电机转轴逆时针转动时，遮光盘的齿部进入霍尔传感器定子内，此时由于永磁块的 磁力线被齿部所短路，磁力线不穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“1”(高电平);当齿部离 开时，磁力线穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“O”(低电平)。 这样，根据这三个霍尔元件的输出状态，就可以准确地确定转子的磁极位置。例如， 齿部准备进入 as 时，as、Sb、Sc 的输出为 001，随电机旋转，齿部进入 Sa，则 Sa、Sb、 Sc 的输出为 101，如此反复，转子位置编码如下: Sa，Sb，Se:111→110→100→000→001→011→111→(重复) Sa、Sb、Sc 的波形如图 3-7 所示。从图中可以看出: (1)Sa、Sb、Sc 的输出波形为三个脉宽为 1800 电角度的矩形波; (2)在空间 360°(机械角度)范围内，不论转子位置在哪里，都有一个状态编码与之对应; (3)每一个编码都持续 30°机械角度，即 60°电角度。16Sa180 360 540 720Sb120 300 480 660 720Sc60 240 420 600 720图 3-7 位置传感器输出波形示意图直流电动机的转速测量 一般电机转速测量主要分为两种，第一种用于电机高速运转称为“脉冲数转速测量 法” ，第二种用于电机低速运转称为“脉宽转速测量法” 。3.1.4..........Ts..........计数时间 Ts....................Ns.......... e f 编码器输出脉冲频率图 3-8脉冲数转速测量法原理图脉冲数转速测量法如图 3-8 所示，图中 T s :测量时间 N s :在测量时间内，编码器输出 的脉冲数 编码器输出脉冲频率为：fe =NS (脉冲/秒) TS（3-5）设编码器每转输出脉冲数为 K(脉冲/转)，则电机转速为:n1 = fe *60(转/分) K（3-6）将(2-l)带入(2-2)可得:fe =NS *60（分/转） TS K（3-7）17基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计...................... 编码器输出脉冲频率 fe除以 M 后的出频电路输出脉冲频率 f M T/2 T/2........N.............. 高频脉冲频率 f1图 3-9 脉宽转速测量法原理图脉宽转速测量法如图 3-9 所示，图中 冲数f e :编码器的输出脉冲频率 K:编码器每转的输出脉经由除以 M 后的除频电路加长编码器输出脉冲的脉宽，则除频电路的输出 脉冲频率为:fM = fe M（3-8）设振荡器可以产生频率为厂的高频脉冲，则:fM 1 = fi 2N将(3-8)带入(3-9)可得:（3-9）fe / M 1 = fi 2N由上式，可得编码器的输出频率为:fe = Mf i (脉冲 / 秒） 2N（3-10）（3-11）假设编码器每转的输出脉冲数为 K(脉冲/转)，则电机转速为: n2 = 将(3-11)带入(3-12)可得: n2 = Mf i * 60 (转/分) 2 NK （3-13） fe * 60 (转/分) K （3-12）183.2 直流电动机的启动、调速、制动特性3.2.1 启动特性 电机的启动就是施电于电机，使电机转子转动起来，达到所需的转速后正常运转。根 据电枢回路中的电压平衡式，当将电机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为:I st =UN Ra(3-14)根据式 3-14，可以看出启动电流将很大，可以达到额定电流的 10 倍～20 倍。这样大 的电流可能引起绕组的损坏，产生大的动态转矩冲击，使机械传动部分损 坏。因此，必须设法限制电枢电流。 限制直流伺服电机的启动电流，一般有两种方法: 一是降压启动，即在启动瞬间，降低供电电压，随着转速 n 的升高，反电势 E 增大， 在逐步提高供电电压。二是在电枢回路中内串电阻启动，此时启动电流 I st =UN 将受 Ra + Rst到外加启动电阻 R，的限制，随着电机转速的提高，反电势的增大，再逐步切除外加电阻。 可知当启动电阻越多时，启动过程就快而平稳，但所需的控制设备也就越多。 3.2.2 调速特性 所谓调速就是在一定的负载条件下，人为地改变电机的电路参数，以改变电机的稳定 转速， 如图 3-10 所示的特性曲线 1 与 2， 在负载转矩一定时， 电机工作在特性 1 上的 A 点， 则电机将降速至特性曲线 2 上的 B 点， 以 n A 转速稳定运行;若人为地增加电枢电路的电阻， 以 n B 转速平稳运行，这种转速的变化是人为改变电枢电路所造成的，称为调速。n n0nA nBA Bo图 3-10速度调节示意图TNt可知串入电阻的电机特性方程式为:n=R + Rst U ? a T K eΦ K e Kt Φ 2(3-15)根据式 3-15，改变串入电枢回路的电阻，电枢电压或主磁通，都可以得到不同的人为 机械特性，从而在负载不变时可以改变电机的转速。 电枢回路串电阻调速这种调速方法存在不少缺点，如机械特性较软，电阻愈大特性愈 软，稳定性愈低;空载时调速范围不大;实现无级调速困难;在调速时消耗大量电能等。 改变电枢电压调速可以平滑无级调速，机械特性硬度高，调速范围大，适合恒转矩负 载调速等。 改变主磁通调速可以实现平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速下调节;属 恒功率调速;调速特性软等。19基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计3.2.3 制动特性 电机的制动是与其启动相对应的一种工作状态，它是指电机从某一稳定转速开始减速 到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。电机的制动状态有两种形式: 一是在卷扬机下放重物时为限制位能负载的运动速度，电机的转速不变，以保持重物 的匀速下降，这属于稳定的制动状态。 二是在降速或停车制动时，电机的转速是变化的，这属于过渡的制动状态。两种制动 状态的区别在于转速是否变化，它们的共同点是:电机发出的转矩与转速方向相反，电机 在发电机运行状态，电机吸收或消耗机械能，并将其转化为电能反馈回电网或消耗在电枢 电路的电阻中。 根据直流伺服电机处于制动状态时的外部条件和能量传递情况，其制动状态分为反馈 制动、反接制动和能耗制动三种形式。3.3 直流电动机 PWM 控制原理对电机的控制离不开半导体功率器件。半导体功率器件的使用又分为两种方式:线性 放大驱动方式和开关驱动方式。 线性驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是:控制原理简单、 输出波动小、线性好、对邻近电路干扰小。但是功率器件在线性区会将大部分电功率用于 产生热量， 效率和散热问题严重， 因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率的电机的驱动。 下面以直流电动机为例来说明 PWM 实现调速的原理。绝大部分的直流电机都采用开关 驱动方式。开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制 电动机电枢电压，实现调速。 下图 3-11 是利用开关管对直流电机进行 PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形。 在图 3-11(a)中，当开关管 MOSFET 栅极输入高电平电压时，开关管导通，直流电机电枢绕 组两端有电压 U s 。t1 时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电机电枢两端电压为零。 t 2 时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入 的电平高低，直流电机电枢绕组两端的电压波形如图 2-1(b)所示，电动机电枢绕组两端的 电压平均值Ua =t1U s + 0 t1 = = αU s t1 + t 2 T（3-16）α=t1 T(3-17)式中 α -占空比 占空比 α 表示了在一个周期 T 里，开关管导通的时间长短与周期的比值。 α 的变化范围为 0 ≤ α ≤ 1 。由式(3-16) 可知，当电源电压 U s 不变时，电枢的端电压的平均值 U a 取决于占 空比 α 的大小。 改变 α 的值极可以改变端电压的平均值， 从而达到调速的目的， 这就是 PWM 调速原理。20UsUi直流 电动机MOUatT t1 t2UsUiO（a）原理图 （b）输入/输出电压波形 图 3-11 PWM 调速控制原理和电压波形图t在 PWM 调速时，改变占空比 α 值的方法有以下三种: (1)定宽调频法:这种方法是保持 t1 不变，只改变 t 2 ，这样使周期(或频率)也随之改变。 (2)调宽调频法:这种方法是保持 t 2 不变，只改变 t1 ，这样使周期(或频率)也随之改变。 (3)定频调宽法:这种方法是保持周期 T(或频率)保持不变，而同时改变 t1 和 t 2 。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统 的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法使用比较少。目前在直流电机控制系 统中，主要是使用定频调宽法。3.4 直流电动机的调速控制方法直流电机是最早出现的电动机，也是最早能够实现调速的电动机。长期以来，直流电 动机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。它具有良好的线性调节特性、简单的控 制性能、高质高效平滑运转的特性。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大 变化，随着计算机进入控制领域以及新型电力电子功率器件的不断出现，使采用全控型的 开关功率器件进行脉宽调制控制方式已成为绝对主流，这种控制方式己成为电动机数字控 制的基础。在直流调速控制中，可以采用各种控制器，DSP 是其中一种选择。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，另外它可以自己产生带 有死区的 PWM 输出，所以可以使外围硬件最少。本节针对系统中用到的直流力矩的电机特 性及其要求，对直流电机的控制原理以及控制策略作了详细的介绍。 直流电机转速 n 的表达式为:n= U a ? I a ∑ Ra Ce Φ（3-18）式中： U a ―电枢端电压 I a ―电枢电流 C e ―与电机结构有关的常数 由上式（3-18）可知，直流电动机的转速控制方法有三种：对励磁磁通 Φ 进行控制的励磁 控制法、改变电枢回路电阻的方法以及对电机进行控制的电枢电压控制法。 （1）调节电枢电压 U a 。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快， 适用于要求大范围无级平滑调速的系统; （2）改变电机主磁通只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方 法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小。21基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计（3）改变电枢电路电阻在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、 机械特性软、效率低。改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用;弱磁调速范围不 大，往往与调压调速配合使用。因此，自动调速系统以调压调速为主。 改变电枢电压主要有二种方式:V-M 系统、PWM(脉宽调制变换器) 。 （4）采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称 V-M 系统，通过控制电压的改变来 改变晶闸管触发控制角，进而改变整流电压 Ud 的大小，达到调节直流电动机转速的目的。 V-M 在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。 （5）PWM(脉宽调制)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调 节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压。3.5 直流电动机的驱动方式直流电动机的功率驱动一般分为单极性和双极性两种驱动电路。单极性驱动是指电机 在一个 PWM 周期里电机电枢的电压呈单一性(或者正或者负)变化，而双极性驱动则是电机 的电枢两端呈正负变化。 不管是单极性驱动还是双极性驱动，它们都有 T 型和 H 型两种驱动方式。T 型驱动由 两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆系统的组合，由于形状像“T”字， 所以称为 T 型。H 型驱动电路形状像“H”字，也称桥式电路。单极性 T 型驱动电路由于电 流不能反向并且两个开关管动态切换的工作条件是电枢电流等于零，因此动态性能较差， 很少采用。双极性 T 型驱动电路由于开关管要承受较高的反向电压，只适合于低压小功率 直流伺服电机驱动。单极型 H 型和双极性 H 型驱动应用较为广泛。 图 3-12 为单极性 H 型驱动电路简图。图 3-12 单极性 H 型驱动电路简图图 3-12 中可以看出，单极性 H 型驱动电路由 4 个开关管和 4 个续流二极管组成，单 电源供电。当电机正转时，V1 开关管根据 PWM 控制信号同步导通或关断，而 V2 开关管则 受 PWM 反向控制信号控制，V3 常闭，V4 常开；当电机反转时，V3 开关管根据 PWM 控制信 号同步导通或关断，而 V4 开关管则受 PWM 反向控制信号控制，V1 常闭，V2 常开。 双极性 H 型驱动电路与单极性 H 型驱动电路类似。不同的是，4 个开关管分为两组， V1 和 V4 一组，V2 和 V3 为另一组。通一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管导 通与关断正好相反。224电动机的 DSP 控制概述电动机是进行电能与机械能装换的机电能量转换装置，多说情况下机电能量的转换是 通过磁场作为媒介得以实现。分析研究电动机系统能量转换过程，即包括电-磁-机的转换 过程，又包括机-磁-电的转换过程，特殊情况下也包括这两个过程同时存在的状态。通过 电动机驱动系统使电动机的运行特性，由采用工频电网能量或固定直流电源能量时的自然 特性，转化为通过驱动器提供电能能量实现的人工运行特性。从应用角度看：电动机驱动 控制系统的一个主要作用是改善电动机系统的运行特性，提高电动机系统的指标；另一个 主要作用是实现电动机系统的节能运行。由于一些电动机系统的无功损耗还是很严重，特 别是在小负载的情况下，尤为突出；再者谐波损耗也是电动机系统效率低的原因之一，这 些都是可以通过电动机驱动系统进行改善的。4.1 电动机驱动系统4.1.1 电动机驱动系统的基本功能 随着电动机统一理论和机、电一体化理论的发展，大量电力电子元器件、集成电路和 模块的实现，现代控制理论和计算机技术的应用，使得对电动机驱动理论和技术的研究进 入了一个全新阶段。原来能够实现的驱动方案，现在能够更完善的实现，如直流电动机由 调相调压方式到采用脉宽调制驱动系统。原来难以实现的驱动方案，现在能够比较容易地 实现，如感应电动机采用逆变驱动器的变频调速和串极调速能量回馈系统；原来不可能实 现的驱动方案现在已成为现实，如感应电动机矢量变换和变结构驱动系统以及开关磁阻电 动机调速驱动系统等。这些优秀电动机驱动系统的研制和开发应用已成为高效节能、性能 优异的新技术产业的重要分支。 依据法拉第电磁感应定律实现机电能量转换的机电动力系统首先是一个电磁耦合系 统。与机械端口相连、以相对运动方式实现机电能量转换的电磁耦合系统即所谓机电耦合 系统。机电耦合系统如图 4-1 所示。图 4-1 机电耦合系统在过去，通常意义上的电动机系统如图 4-1 所示，对于交流电动机其运行是通过电端 口加入固定频率工频电源。对直流电动机是根据该电动机设计的额定参数，经过整流单元 将工频电源转换为直流电压加入到电动机的电枢两端。这样无论是以感应电动机、同步电 动机为代表的交流电动机，还是以直流电动机所输出其固有的自然运行特性。而现代电动 机系统实际上是在上述的机电耦合系统中加入驱动系统，具有电能变换的机电耦合系统如 图 4-2 所示。在一个实际电动机系统中，驱动系统能够按着一定的控制要求，根据电动机 电系统状态变量、磁系统状态变量和机械系统状态变量的情况，调整电动机运行状态，其 调整对象是图 4-2 中电端口的电压、电流、频率、相位等，使电动机运行特性满足要求。 从整个运行情况看，电动机系统已呈现出一种较为理想的运行特性―称为人工特性。这也 说明通过驱动系统使传统的感应电动机、同步电动机和直流电动机系统实现了由自然特性 向人工特性的转变。23基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计图 4-2 具有电能变换的机电耦合系统从目前的发展情况看，电动机驱动系统不仅仅应用在感应电动机、同步电动机或直流 电动机系统中，同时也应用于一些驱动系统和电磁耦合系统构成独立电动机系统中（也称 为一体电动机） ，这种电动机系统的特点是电动机本体脱离驱动系统不能独立运行。这样 的电动机系统包括步进电动机系统、开关磁阻电动机系统和超声波电动机系统。 4.1.2 电动机驱动系统的基本结构 图 4-3 示出了电动机驱动系统的基本结构。 电动机 M 以一定转矩和转速带动执行机械 机构运动的被控对象，其主要控制物理量是定子侧电压 U 1 、电流 I 1 、频率 f1 或磁通 Φ 1 及 转子侧电压 U 2 、电流 I 2 、频率 f 2 或磁通 Φ 2 ，其输出量为转矩 M 和 ω 。 驱动装置是将具有一定电压、电流或频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流 或可调频率电源能量的功率装置，起到电能变换和控制的作用。图 4-3 电动机驱动系统的基本结构在图 4-3 中，调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动，通过硬件和软件 采用满足控制要求的算法或校正量，以提高系统的静态和动态性能，校正系统输出偏差； 反馈装置用以检测和变换反馈信号，在电动机驱动系统中主要反馈量有电压、电流、转速、 转矩、磁通和转子位置等；控制装置是根据给定信号和反馈信号产生所需要的控制指令和 偏差信号。 从图 4-3 可以了解到，电动机驱动系统主要是由控制、调节、变流和反馈等部分构成。 这些环节的结构和工作原理与具体驱动的电动机相关。对不同的电动机系统，这些环节的 结构形式也不同。以变流电路为例，可以有图 4-4 所示的四种变换形式。 （1） “交―直”变流装置。包括不可控整流器、可控整流器。 （2） “交―交”直流装置。即变频器。 （3） “直―直”变流装置。如直流调压器（PWM 斩波器）和晶体管脉冲宽度。 （4） “直―交”变流装置。即逆变器，如不间断电源。24图 4-4 变流电路的四种变换形式4.1.3 驱动系统的特性 对于电动机驱动系统，其特性主要从以下几个方面考虑： （1）电动机驱动系统的可调特性。当采用了电动机驱动系统后，电动机系统具备的第 一个特点就是速度的可调性。 无论是直流电动机还是交流电动机， 甚至像一些步进电动机、 开关磁阻电动机等特种电动机，它们组成的电动机系统在一定范围内是可以进行速度调节 的。对于电动机调速特性，一般从以下几项指标进行衡量。 ①静差率 SS =?nN n0（4-1）静差率表示调速系统在某一转速下，负载由理想空载增加到满载所对应的转速降落 ?n N 与理想空载转速 n0 之比。它是衡量系统在负载变化下转速的稳定度，静差率越下，转 速的稳定度越好 ②调速范围 DD =n max n min（4-2）通常调速范围是在额定负载下电动机系统的最高运行速度和最低运行速度之比。 ③调速的平滑性及转向的可逆要求。速度平滑性指转速调节时，相邻两级转速之比。 无级调速时，该比值接近于 1.为连续地平滑调速，调速系统的转向允许正、反方向运转为 可逆系统，只能单方向运转的则为不可逆系统。 ④系统对起动、制动的要求。电动机在起动、制动时会产生较大的冲击电流以及过高 的电流变化率，它对电网和电动机本身都会造成危害，因此需要有一定的限制。 ⑤给定输入作用下系统的响应特性。通常指系统处于稳定时，若给系统施加一阶跃输 入信号，系统应具有衰减振荡的响应特性，并规定其超调量 σ 与调节时间 t s 的数值。 （2）电动机驱动系统的转矩控制特性。当采用了电动机驱动系统后，电动机系统具备 的第二个特点就是转矩控制特性。对于现代电动机系统的转矩控制特性，一般从以下几项 指标进行衡量。 ①转矩/输入电压的线性度σ=T1 ? T0 Ui ?U0（4-3）转矩/输入电压的线性度是控制领域在使用电动机系统时很注重的一个指标，其意义 在于控制系统能否采用线性控制。 ②转矩波动指标δ =25? T1 T（4-4）基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计转矩波动是指在输入指令不变的前提下，电动机的电磁转矩由于各种因素的影响， 产生波动，采用转矩波动指标是为了衡量波动转矩的大小。 ③转矩-转速特性。在转矩电动机系统中，一般要保证有恒定的转矩输出。但是在实 际系统中，随着转速的提高，其最大输出转矩要发生变化，逐渐下降。例如在直流电动机、 无刷直流电动机中由于驱动器提供的一部分电压要抵消旋转电动势的作用，所以在电源电 压不变的情况下，转矩要下降。 （3）电动机驱动系统的功率特性 ①驱动系统的输入电源特性。电动机驱动系统的输入电源条件决定了驱动器的电源 使用范围。有些电动机驱动系统 的输入电压等级和输出电压等级是一致的，有些是不同 的。目前，大多数电动机驱动系统的输入电压范围是 AC380V，有些小容量的电动机系统是 单相 AC220V，对于大容量的电动机系统有 AC660V、AC1000V、AC6000V 等。个别的电动机 驱动系统需要提供直流电压。 ②驱动系统的输出电气参数与特性。电动机驱动系统的输出电气参数主要是和所带 电动机本体的参数相关的。驱动系统的输出参数包括：输出 PWM 脉冲序列的调制频率、电 压型/电流型控制原理、输出电压范围、输出电流范围和输出频率范围。 （4）电动机驱动系统的电磁兼容特性。电磁兼容（EMC）是电动机驱动控制必须要解 决的问题。电磁兼容（EMC）研究的内容包括电磁干扰（EMI） 、电磁检测（EMS） 。 （5）电动机驱动系统的保护特性。电压保护特性为：欠电压保护、过电压保护；电流 保护特性：过电流保护。4.2 电动机 DSP 控制系统的特点电动机的 DSP 控制系统大都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制 系统则是当前发展的方向。在电动机的 DSP 控制系统中，通常存在模拟信号和数字信号， 既有连续信号，又有离散信号。例如：电动机的电流和电压为连续模拟信号，它们经过采 样保持后成为离散模拟信号；利用键盘输入的给定信号是数字信号，绝对编码器检测的位 置信号也是数字信号。虽然 DSP 有模/数转换接口，但是模/数转换需要花费芯片的计算时 间，而且 DSP 操作运算时只能识别和处理数字量，只能依次处理，所以 DSP 与外界信息传 递和处理总是一个采样过程，电动机的 DSP 控制系统也必然是一种离散系统。 传统的数字控制系统通常以单片机或微机为核心，而 DSP 构成的电动机控制系统相对 于单片机或微机具有更高的精度和速度，而且存储量大，具有逻辑控制功能和各种中断处 理能力，丰富的数字输入输出口、通信口、专用电动机控制 PWM 输出口，各种控制硬件集 成在同一芯片中。随着大规模与超大规模集成电路技术的发展，DSP 芯片的功能将会越来 越强大。电动机的 DSP 控制系统有如下特点： （1）采用哈佛结构或改进的哈佛结构，使数据与程序相互独立的总线结构提高了计 算能力。具有丰富的逻辑判断功能和大容量的存储单元，可以实现复杂的控制规律，如参 数识别、优化控制、智能控制等现代控制理论和算法的应用。 （2）简化电动机控制器的硬件设计，体积小、质量轻、能耗低也是 DSP 芯片的优点。 （3）系统可靠性高。由于芯片设计保证内部元器件在额定工作状态下平均无故障时 间远远超过分立元器件构成的模拟电路。 （4）数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响。被控量可以很大也可以很 小，内部计算精确度都很高，但由于字长受硬件限制而存在量化误差。因此，采用适当的 定标可以避免数据溢出，并保证计算精度。 （5）硬件的统一性与软件的灵活性有机结合，DSP 电动机控制电路硬件可以统一，如 DSP 控制三相逆变器驱动相应的感应电动机、无刷直流电动机、永磁同步电动机，其硬件26结构基本统一。但软件可以根据具体电动机的控制规律进行设计和编写，而且可以根据电 动机不同的工作状况，选择最有利的参数、控制系统结构、控制策略等，使系统具有很强 的灵活性。4.3 DSP 开发电动机控制系统步骤电动机 DSP 控制系统的开发过程包括任务确定、总体设计、硬件和软件设计、硬件和 软件分别调试、硬件和软件联合调试、现场调试、工业试验、系统性能评估、文件编制等 步骤。 （1）任务确定。确定设计任务之前，要进行详细的调查研究，做可行性分析。通过查 阅国内外同类产品或相关产品的信息资料，筛选出有用信息，经过分析研究后确定研究任 务的可行性。同时要确定电动机 DSP 控制系统的各项功能，即输入、输出信号的类型（速 度、位置等）和相应的控制策略。功能中还应包含各项技术指标，如控制范围和精度、动 态响应速度、稳定性、可靠性、可维护性、性能价格比，甚至振动和噪声、电磁兼容性等。 技术指标的确定要在可行的基础上达到先进性，有些指标可能无法精确预计，要在系统的 研制过程中不断调整和修改。 （2）总体设计。首先是选择 DSP 芯片，芯片只要能满足设计任务要求，外部引脚尽可 能少且市场价格低廉；其次是确定总体硬件布置方案和软件设计框架。硬件布置以功能模 块为主，DSP 控制部分是弱电部分，电源管理、键盘与显示、功率驱动部分、传感器信号 检测和变换部分以及强弱电隔离和外部接线端等均宜采用模块化设计。软件设计主要考虑 控制策略、算法流程、中断处理优先级和处理方式。由于硬件和软件不是绝对割裂的，有 的硬件功能可以由软件取代，而有的软件功能也可以由硬件完成。因此，总体设计时，硬 件与软件的分工应明确，同时兼顾硬件成本和软件开发工作量。因为对于每一个产品，硬 件成本不因产品批量大小而变化，但是软件开发成本是一次性的，它随着产品批量的增大 而减小。 （3）硬件和软件设计。在模块化硬件设计中，每个模块元器件的选择很重要，既要 考虑价格因素，又要注意系统的可靠性。尤其是在分立元器件与集成电路模块两者方案的 选择上往往举棋不定，一般采用集成电路模块有利于提高系统的性能。有的硬件模块可以 单独设计制板，这样测试和检修方便。印刷电路板的布线尽可能均匀，要注意强弱电大小 及其隔离、数字地与模拟地隔离、寄生电容与寄生电感等抗电磁干扰问题。软件设计结构 要简单，一般由一个主程序、若干个子程序以及中断处理程序构成。为了提高系统的实时 性，中断处理程序要尽可能简短，它只完成一些基本的、必不可少的工作，如输入或输出 一个信号以及完成必须立即处理的运算操作等。软件设计要具有通用性和易读性，便于修 改和移植。 （4）硬件和软件分别调试。硬件调试主要分析电源是否正常供电，即电压大小是否 符合要求。如 DSP 芯片的电压极性、大小和稳定性，其他集成电路芯片、运算放大器、传 感器的电压极性、大小和驱动能力等，检测线路是否存在不正常的焊点，判断驱动逻辑是 否正常，判断接口功能与逻辑是否正确，判断故障显示与保护功能是否正确等。 软件调试通常在开发工具支持的软件环境下进行，主要检查程序语句的语法是否正 确、通过数据或程序存储单元等判断逻辑与数据传送、计算结果等是否正确，使用看门狗 定时器监控程序工作是否正常等。 （5）硬件和软件联合调试。硬件和软件在联合调试的过程中还会出错，一旦出错就 要认真分析产生错误的原因，排除故障，以便进行现场调试和工业试验。27基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计5 伺服控制系统控制器设计5.1 电流、转速、位置三闭环设计思想伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它最基本的性能要求 是系统的快速性和准确性。但是系统的快速性和准确性往往是一对矛盾。当系统对快速性 的要求过高时，必将在准确性上有所下降，在准确性上要求过高时，必将使系统的快速性 有所损害。为了在这两个方面都有比较好的性能指标，我们采取按偏差分段控制算法。希 望系统在大偏差的情况下能够快速跟踪给定变化，使快速性占主导地位。在小偏差的情况 下，为能够准确定位，精确性占主导地位。 我们知道控制系统在开环控制方式中，控制作用直接由系统的输入量产生，控制精度 完全取决于所用的元件及其校准精度。在控制过程中，即使输出偏离了期望值，也没有自 动校正偏差的能力，抗扰动性能较差。因此在伺服控制系统中，为了保证精确性，输出量 (位置或者其导数)的反馈控制是不可缺少的。 从系统的快速性方面考虑，伺服系统希望以最大的速度快速跟踪跟定。同样，在速度 开环的伺服控制系统中，当负载变化或者有扰动时，系统的跟踪速度都会与设定速度产生 偏差，如果不能及时补偿，必将影响系统的快速性。而速度开环系统是无能为力的。因此 为了保证系统的抗扰动性能和快速性，必须使速度闭环。 在伺服系统中，为了提高系统的快速性，首先它的伺服电动机要有快的反应速度，工 作稳定性好。所以设计伺服系统时，尽量的缩短电机启动过程的时间是提高伺服性能的一 个重要途径。 电动机在启动的时候以电机允许过载电流启动，使电动机以最快的速度达到给定转 速，然后再在负载电流下工作，这是在电流受限的条件下调速系统所能达到的最快的启动 过程。因此，希望电动机的理想启动电流和转速波形如图 5-1 所示。图中 Idm 是给定的电 机的允许过载电流，与是电机的负载电流，n 为电机的给定转速。从图 5-1 可以看出，为 了实现电机在允许的条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 I dm 的恒流 过程。那么采用电流负反馈就应该得到近似的恒流过程。这是设计电流环的基本思想。 Id n I dm nI dlO图 5-l 转速、电流理想波形图t实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，所以图 5-1 的理想波形只能近似的 逼近，不能完全实现。 为了实现位置、转速、电流三闭环反馈控制分别起作用，在系统中设置三个调节器， 分别调节位置、转速和电流。三者之间实行串级联接。位置环为最外环，速度环为第二环， 电流环为最内环。把位置调节器的输出作为速度调节器的给定输入，把速度调节器的输出 作为电流调节器的给定输入。285.2 直流电动机的数学模型下图 5-2 为他励直流电动机的等效电路。图 5-2 直流电动机等效图由上图我们可以得到直流电动机的数学模型。 电压平衡方程如下:U a = E a + R a I a + La dI a dt（5-1）U a ---电枢电压; I a ---电枢电流; Ra ---电枢电路总电阻; E a ---感应电动势; La ---电枢电路总电感; 电流通过电枢绕组产生电磁力以及电磁转矩， 这只是电磁现象的一个方面， 另一方面， 当电枢在电磁转矩作用下一旦转动后，电枢导体还要切割磁力线，从而产生感应电动势， 其中感应电动势与电枢电流方向相反，它有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此，电动机 中的感应电动势是一种反电动势。 感应电动势为: 式中: E a = K e Φn （5-2）式中： K e ---感应电动势计算常数; Φ ---每极磁通; n ---电动机转速。 2πn 30 因为 ? = ，所以 E a = K e Φ ? = 9.549 K e Φ? ，故感应电动势 E a 在磁通 Φ 不变时与电 60 π 机的转速成正比。 将式(5-2)代入到式(5-1)可以得到dI ? ? U a ? ? R a I a + La a ? dt ? ? n= K eΦ直流电动机的电磁转矩为:TM = CT ΦI a = K T I a（5-3）（5-4）29基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计式中： CT ---电机的转矩常数， CT =P ---电机的极对数;N ---电枢绕组的有效导体数;PN 2πaa ---电枢绕组支路对数; K T ---电机的转动常数，为电机连续堵转转矩与电流之比。 转矩平衡方程为: dω TM = TL + J dt 式中： J ---折算到电动机轴上的转动惯量: TM ---电动机的电磁转矩; TL ---负载转矩; ω ---电动机角速度; K T ---电动机转矩常数。(5-5)5.3 直流电动机的额定参数取电枢电动势 E a = (0.93 ~ 0.97)U a 所以 Ea = 0.94×220=206.8(V)，电机过载倍数为 λ=1.5，电机的最大工作电流：I d. max ≥1.5 I dm = 12.4 × 1.5 = 18.6(A)额定输入功率：(5-6)P1 =PNηN=2.2 × 10 3 = 2.716 (KW ) 0.81(5-7)直流电动机时间常数： C e =pN 972 / 18 = = 0.45 V / r ? min 60 a 60 × 2(?1)(5-8)p 为电机极对数，N 为每槽导体数，a 为并联支路数C eφ N =电动机电枢电阻：E a 206.8 = = 0.13786 n N 1500(5-9)R=理想空载转速：n 0 =0 .06 U N = 1.0645 (? ) IN(5-10) (5-11) (5-12) (5-13)UN 220 = =
(r/min C eφ N 0.13786)额定转速降： n N = n0 ? n N = 1595.82 ? 1500 = 95.82(r/min ) ? 静差率（转速变化率）：δ =?n N 95.82 = = 0.06 n0 1595.8230D 调速范围： =nNδ ? n (1 + δ)=1500 × 0 . 06 95 . 82 × (1 + 0 . 06)= 1.00005(5-14)电动机额定轴上输出的额定转矩：T2 N = CT φN I N =5.3.1 确定时间常数 电磁时间常数 TPN PN P 2.2 ×103 = = 9.55 N = 9.55× = 14.0067(N ? m) nN ? N 2πnN 60 1500(5-15)UN 220 × 103 3 × 10 = 0.7 × = 4.15697(mH ) 电机电枢电感 L = K D 2 pnN I N 2 × 12.4 × 1500(5-16)通 常 快 速 无 补 偿 电 动 机 乘 积 系 数 取 KD 取 0.7 ， 磁 极 对 数 p=1 。 电 磁 时 间 常 数 为 ：Tl =L 4.15697 = = 3.905 (ms ) R 1 . 0645(5-17)式中，R 是电枢电阻；L 是电枢回路总的电感，包括电枢电感。机电时间常数 T 飞轮转矩： GD 2 = 4 gJ = 4 × 0 . 0263 × 9 . 80 = 1.03096 (N ? m ) 机电时间常数：(5-18)Tm =5.3.2 静态参数计算GD 2 R = 16.123 (m s ) 375 × 9 .55 (C eφ ) 2(5-19)稳态运行时系统无静差，转速由给定电压 U nfm = 10V 决定，电枢电流由系统负载决定。α =Unfm/ n nm = 10 / 1500 = 0 . 007 (V ? min/ r )(5-20) (5-21)β = U im / I dm = 10 / 18 . 6 = 0 . 538 (V / A )5.3.3 确定系统各部分的传递函数 (1)直流电动机传递函数n 其中 U im , U fgm 分别为 ASR 与 ACR 调节器的输出限幅值， nm 为最高转速，I dm 最大电流。直流电机电枢电感 La 是常数，励磁系统独立。他励直流电动机的动态方程电枢回路电压方 程：U = Raia + LaT=dia + Ceφn dt(5-22)转子机械运动方程：GD2 dn ? + TL 375 dt(5-23)31基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计励磁回路动态方程：U f = Rf i f + Lfdif dt(5-24)φ = K f if 磁路磁化特许关系： (5-25) T 电磁转矩为电枢电流 ia 与励磁磁通的关： = CT φ ? ia (5-26) U i 、 Ri 、 Li 、 I i 分别是励磁绕组电压、电阻、电感、电流。 K f 是励磁系数。 他励直流电动机在启动过程中建立磁场，在宽范围调速过程中要求电压 U 励磁电流 if 协同调节，因此电机励磁电流动态响应的快速程度直接影响整个控制系统的动态过程。 励磁回路属一阶惯性环节。 ?f + R?P = 0 式经拉氏变换整理得电压与电流的传递函数： GI d (s ) 1 R = U d 0 (s ) ? E (s ) 1 + T l s(5-27)由电动机转矩平衡关系，经拉氏变换，得到电流与电动势的传递函数：E (s ) R = I d (s ) ? I dL (s ) T m s(5-28)(2)PWM 变换器的传递函数 脉宽调制器和 PWM 变换器的传递 PWM 变换器的最大滞后时间常数为一个开关周期 TPWM。 函数：W PWM (s ) = K PWM T PWM s + 1(5-29)U d ，是 PWM 变换器的放大系数。 U c (3)调节器的传递函数 KPWM=为了实现完全无静差调速，采用了 PI 调节器。将偏差的比例 P、积分 I 通过线性组合 构成控制量，对受控对象进行控制。PI 调节器的 e(t)是给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构 成的控制偏差：e (t ) = r (t ) ? c (t )(5-30)图 5-3PI 调节器由图 3-2 可得 PI 调节器数学方程其控制规律为：U ex (t ) = i1 (t )R1 +1 C1∫ i (t )dt = K1PIU in (t ) +1 TI∫ U (t )dtin(5-31)32式中: U ex (t ) ― t 时刻调节器输出信号； K PI ―比例放大系数，为 R1 / R0 ； K I ―积分时间常数，为 R1C1 ； 取拉氏变换，得 PI 调节器的传递函数W PI (s ) = U ex (s ) K PI τ ? s + 1 = U in (s ) τ ?s(5-32)令 τ 1 = K PI TI = R1C1 ，则有W PI (s ) = K PIτ 1s + 1 τ 1s（5-33）PI 调节器各校正环节的作用: (1)比例环节:及时成比例反应控制系统的偏差信号 e(t)，e(t)一旦产生，控制器立即 产生控制作用以减小误差。 (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 TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。5.4 电流、转速调节器设计5.4.1 电流环的设计 (1)确定时间常数 脉冲调制器和 PWM 变换器的滞后时间常数 Tpwm 与传递函数计算 电机起动电流：I S =US 220 = = 206.6698 (A ) Ra 1 .0645(5-34)α 起动电流与额定电流的比： s =Is 206 .6698 = = 16.6669 ( A ) IN 12 .4(5-35)功率晶体管放大区的额定时间常数：Tce =1 1 = = 0.159 (?s ) 2π ? f β 2 × 3.14 × 10 6k1 2 = 0.159 ln = 0.103(?s ) k1 + 0.95 2 + 0.95(5-36)电流上升时间： t r = Tce ln(5-37)K1 是晶体管导通时的过饱和驱动系数，一般取 1.5～2。 电流下降时间：t f = T ce ln1 + k2 1+ 2 = 0 .159 ln = 0 .061(?s ) 0 .05 + k 2 0 .05 + 2(5-38)K2 是晶体管截止时的负向驱动系数，一般取 1～2。 最佳开关频率为f op = 0.3323Tl (t r + t f )2αs= 0.332× 316.6669 = 6.247(kHz) 3.905 × 10 (0.103 + 0.061) × 10?62 ?6(5-39)33基于 DSP 的直流电动机伺服控制系统设计开关频率 f 选为 6.2KHz，此开关频率以满足电流连续要求。开关周期：TPWM =1 1 = = 0.16(ms) f op 6.2 × 103Ud 220 = = 22 Uc 10K PWM 22 = T PWM s + 1 0 .16 s + 1(5-40)PWM 变换器的放大系数：K PWM =(5-41) (5-42) (5-43)PWM 变换器的传递函数：W PWM (s ) = 电流滤波时间常数：Toi = 0.5(ms ) 。 电流环时间常数：T (2)选择电流调节器结构∑i= T PWM + T oi = 0 . 16 + 0 . 5 = 0 . 66 (ms)(5-44)根据设计要求电流超调量 σ % ≤ 5% ， 而且 电流调节器选用 PI 型，其传递函数为Tl 3.905 = = 5.92≤10 按典型 I 型系统设计。 T i 0.66 ∑W ACR (s ) = K i(3)选择电流调节器参数 ACR 超前时间常数： τ i = Tl = 0.003905(s )(τ i s + 1) τ is(5-45)(5-46)电流开环增益：要求电流超调量 σ % ≤ 5% 时，可取 K I T i = 0.5 ，因此 ∑ 0.5 0.5 KI = = s ?1 = 757.576s -1 T i 0.00066 ∑ 于是，ACR 的比例系数为(5-47)Ki = K I(4)校验近似条件Tl R 0.003905 ×1.0645 = 757.576 × = 0.2661 βK PWM 0.}