基于TMS320LF2407A的直流电机调速系统的设计

引言
现代化建设离不开机械，而机械运转的动力很多是由电机提供的，这主要
包括了直流电机和交流电机两种，虽然交流电机的发展将最终取代直流电机，
但直流电机还将在很长一段时间里一直占据重要地位。

直流电动机具有良好的
启动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的
电力拖动领域中得到了广泛地应用。

特别是如轧钢机、龙门刨床和高精度机床
等传动中，直流电机都占主要地位。

1、直流电机概述
1.1直流电机调速方法
定子励磁绕组通过直流电流I时产生励磁磁势F和主磁通。

电枢绕组通过电枢电流I，则产生电枢反应磁势F。

由于直流屯机的电刷在几何中线AB上，因此励磁磁势F 与电枢反应磁势F。

正交。

通常直流电机在其主磁极上加有补偿绕组，电枢反应磁势对主磁通没有影响。

直流电机电枢绕组中的电流I。

与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。

这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。

因此，调速方法三种：
(1)调节电枢供电电压u改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法．对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。

I变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

(2)改变电动机主磁通西改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。

I变化时遇到的时问常数同I变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

(3)改变电枢回路电阻R在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便．但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软：空载时几乎没什么调速作用；在调速电阻上消耗大量电能。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。

弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压凋速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等
调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。

弱磁调速范围不大，
往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。

因此，自动控制
的直流调速系统往往以调压凋速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配
合起来使用。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的
方式为最好。

改变电阻只能有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范
围不大，往往只是配合调压方案，在基速(即电机额定转速)以上作小范围的
弱磁升速。

因此，现实中直流调速系统往往以调压调速为主。

1.2 直流调速系统发展
因为直流电机调速主要采用调压调速，调节电枢电压需要有专门的可控直流电源，所以，以可控直流电源的发展可把直流电机调速分为三个阶段:旋转变流机组;静止式可控制整流器;直流斩波器或脉宽调制变换器。

20世纪60年代以前广泛使用的是旋转变流机组，由交流电动机拖动直流发电机G 实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流i，即可改变输出电压U，从而调节电动机的转速刀。

这样的调速系统简称G一M系统。

系统设备多，体积大，费用高，效率低，安装需打地基，运行有噪声，维护不方便。

此后，开始采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。

静止式变流装置供电的直流调速系统最开始时采用的是闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统。

它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还大大缩短了响应时间，但闸流管容量小，汞弧整流器造价高，维护麻烦，万一水银泄露，将会污染环境，危害人身健康。

1957年，晶闸管的问世使变流技术产生了根本性变革。

通过调节GT的控制电压姚来控制触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压价，从而实现平滑调速。

与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也有较大优势。

但是晶闸管属于半控型器件，使得其在V-M 系统中的应用受到一定限制。

到了20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，出现了全控型器件一GTO、MOSFET、IGBT等。

采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成各种脉冲宽度调制的开关电路，简称脉宽调制变换器 (PWM)。

80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调压调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广。

但晶闸管斩波调速器不足之处是:晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，增加了装置的成本和换流损耗;电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低;此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高(一般在30O Hz以下)，电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重。

随着现代电力电子技术的发展，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件(IGBT等功率器件)作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案，使直流电动机系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。

1.3直流调速系统国内外发展现状
我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速地发展和广泛地应用。

目前，用于中、小功率的0.4一20OKW晶闸管直流调速装置己作为标准化、系列化通用产品批量生产，用于大功率的200OKW系列产品也开始在某些大型轧机上试用。

晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛地应用。

随着各种新型控制器件的发展，直流电动机晶闸管调速系统除向大功率(单机容量已达数千瓦)发展以外，正在实现控制单元标准化、集成化、小型化、积木式组合化。

对某些中小功率装置，正在做到使电动机和控制设备组和一体化。

尤其是近年来，国外各厂家竟相推出全数字化直流调速装置，使得直流调速系统在理论和实践方面都迈上了一个新台阶。

国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均己开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。

我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制、补偿PID控制、PID 算法优化，很少将模糊控制等智能技术应用于其中。

随着新型电力半导体器件MOSFET、IGBT等的发展，开关器件具有了开关速度快、驱动简单和可自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。

我国直流速正向着脉宽调制方式发展。

数字控制可由通用的DSP来实现，DSP除完成数字运算外，还可以实现PID以及其它各种特殊的控制算法，可以存储和计算不同条件下的速度设定值及变化规律。

此外还可以对各种工艺参数进行检测、显示、越限报警和打印报表等，通过总线控制还可以用一台计算机控制多台调速装置，这些技术特点为直流调速控制器装置迅速由模拟向数字化转化。

连续控制系统中由模拟电子电路构成的调节器，由于校正参数不容易调整，对控制对象适用能力差，难于实现各种新型的控制方法。

此外，模拟电路对状态量的检测精度不高，模拟式元件集成度不高，这些制约了电气传动的发展。

随着DSP技术、超大规模集成电路、新型电力开关器件和传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置不断向前发展。

DSP技术的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。

近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以DSP为核心的多种交、直流电气传动装置。

1.4本文研究的主要内容
直流调速系统采用DSP实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向。

采用DSP 控制后，整个调速系统可以实现全数字化，结构简单，可靠性提高，操作维护方便，电机稳态运行时的精度可达到较高水平，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。

TMS320LF2407A自身带有高精度A/D转换器以及PWM脉宽调制电路，还嵌入了许多外围设备，这些都使其非常适合于直流PWM调速控制，从而能够成功解决以往同类产品实现调速控制时软件开销大，实时性不强的问题。

在通过DSP控制速度的同时，也结合了PID数字调节器，这样可以精确控制速度，以此消除以往其它控制方式所产生的稳态误差及更有效地消除电路的干扰。

2基于DSP控制电机的工作原理
2.1 连续控制与数字控制的特点
连续控制系统是以反馈控制理论为基础，由模拟电子电路构成控制器，因而存在如下主要弱点：
(1)由运算放大器构成的PID调节器，其参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象的变化自适应能力差；
(2)模拟控制器很难实现高级的控制策略和控制方法，难以实现对交流电机这样复杂对象的控制；
(3)受成本的限制，对反馈量的模拟电路检测精度不高，因而控制精度也不易提高；
(4)用模拟器件构成的控制电路集成度不高，硬件复杂，可靠性低，可重复性差。

因而，连续控制已经不能适应运动控制系统的发展需要。

以微处理器为核心的数字控制系统，不仅克服了上述连续控制的弱点，而且可以实现原连续控制不可想象的高复杂程度、高精度的控制，为运动控制注入了新的活力，并将其推向更高的发展阶段。

数字控制的主要特点如下：
(1)控制系统集成度高，硬件电路简单而且统一，可靠性高，可重复性好，对于不同的控制对象和控制要求，只需改变控制算法软件即可，可以实现同一控制器既可控制直流电机又可控制交流电机。

(2)数字控制器的输入输出通道可以实现控制量的模拟输出、反馈量的数字输入，具有数据采集速度快、值域范围宽、分辨率高、精度高等特点，为实现高性能的运动控制系统打下了基础。

(3)采用高速数字信号处理器为控制器，可以实现复杂的高性
2.2 基于DSP控制电机的主要特点
电动机的DSP控制系统大都是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一般以单片机作为其控制核心，采用DSP作为直流电机的控制核心则有单片机无法比拟的优势：运算速度快、精确度高、存储量
大，并且具有逻辑控制功能以及各种中断处理能力，丰富的数字输入输出端口，以及电机专用的PWM输出口。

DSP将这种控制硬件集成在一个芯片之中，芯片的功能也会随着集成电路技术的不断进步而变得越来越强大。

基于DSP的电机控制主要有以下特点：
(1)DSP芯片采用哈佛结构或者采用改进的哈佛结构，其数据与程序运用相互独立的总线结构，从而计算能力有效提高。

DSP芯片具有丰富的逻辑判断功能以及大容量的存储单元，一些复杂的控制规律，比如参数识别、优化控制、智能控制等现代控制理论和算法，将能够更容易的应用。

(2)DSP的应用使得电机控制器的硬件能够设计得更小，重量也更轻，并且功耗也下降。

(3)DSP的应用使得系统运行的可靠性增强，主要是由于DSP芯片设计保证了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。

内部计算精度很高，所以被控量可以较大也可以较小。

(5)DSP将硬件的统一性和软件的灵活性有效的结合，DSP电机控制电路硬件可以统一，比如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，他们的硬件结构基本上统一。

软件则须根据具体的被控量的控制规律进行具体编程，并且在不同的工作情况下，可以调试选择更适合的参数、控制系统结构、控制策略等，从而系统具有很强的灵活性。

能的各种控制策略和方法，如矢量控制、多变量模糊控制等。

由于软件的灵活性，可以尽可能充分地实现人工智能，更好地适应控制系统的复杂多交。

(4)借助一些人机界面设备(如与处理器相连的液晶显示屏、控制面板、触摸屏等)实现对系统运行状态的监控、预警、故障诊断等功能；借助处理器的通讯能力
实现与上位机的通讯；借助现场总线技术实现底层控制设备的联网；因而更方便地
实现高复杂度的多机协同工作。

2.3 基于DSP技术的数字式直流调速系统
DSP技术应用于直流电动机调速系统是近十年的事情。

利用DSP功能多、容量大、运算速度快、控制规律容易改变等优点，可以很方便的通过软件编程实现速度调节器、电流调节器和电压调节器的控制算法，并且可提高闭环精度，具有比模拟系统高许多的动、静态性能指标。

并且DSP引入到调速系统后，整个系统可具有自诊断能力，维护检修方便，可靠性提高等特点。

数字式直流调速系统在国外发达国家，以成为直流电气传动方向的主流，而在国内这方面的发展还不太令人满意，基本上采用国外产品，但由于国外产品价格较高，
且不太适合中国国情，故迫切需要研制一套适合中国国情的智能型直流PWM 调速控制器。

从已经有的成功经验来看，采用DSP 技术构建直流有刷电动机三闭环调速系统是可行的。

在芯片的选择上，使用了TI 公司专门为电机量身设计的DSP 芯片TMS320LF2407A ，它是TMS320C2000电机专用芯片家族中性价比最优的一款16位处理器芯片。

基于DSP 芯片TMS320LF2407A 的数字式三闭环直流调速系统原理框图如下：
图2-2 单闭环控制的数字式直流脉宽调速系统原理框图
此处我们选用TI 公司出品的16位高性能DSP 芯片TMS320LF2407A 作为主控器件，由于TMS320LF2407A 本身带有高精度A/D 转换器，使得A/D 转换非常方便，可以省去单独的模拟转换器。

另外，TMS320LF2407A 还带有多达12路的脉宽调制输出通道，可方便的产生对称式或非对称式的PWM 脉冲信号，这样我们便可以省去模拟电路中脉宽调制器UPW 及调制波发生器GM 等模拟环节。

设计中在主控电路方面保留了相应的隔离驱动电路部分，速度、电流和电压检测仍采用模拟电路。

由于结合了模拟电路和数字电路的优点，使得整个调速系统既具有响应速度快，稳定度好的特点，又可提高速度精度和系统的动、静态性能指标，并且充分利用DSP 自身特点，使整个控制器体积减小、方便灵活、价格低廉。

图2-2中描述的基于DSP 技术的数字式直流单闭环调速系统的基本工作原理为：
首先，由用户给定电机转速信号*n U 经速度给定预处理电路处理后送入DSP 芯片的
A/D 转换通道ADCIN00，经过A/D 转换后送入DSP 片内由软件生成的数字式速度调节器与来自光电开关和码盘转换，再经过速度反馈预处理电路后，送入DSP 芯片的
捕获单元转换通道中的数字速度信号进行运算处理n n n U U U *∆=-，处理后的信号送
速度给定预处理电
路速度调节器脉宽调制电路隔离驱动电路速度负反馈预处理电路
M
A/D 转换模块
捕获
单元DSP 实现数字控制器部分模拟器件实现硬
件控制回路部分P W M 变换器Us
入单环调节器，运算处理的数字信号继续向前送往DSP芯片的PWM脉宽调制电路，根据运算处理的相应结果修改EV A模块中比较单元的16位比较寄存器1
CMPR和
T PR的值相比较并通过软件2
CMPR的值并装入，再通过与EV A模块中周期寄存器1
编程对其它相关寄存器进行相应设置，便可自动生成四路对称式PWM信号。

由DSP 芯片生成的四路对称式PWM信号经过外围硬件隔离驱动电路的处理，用于进一步为由四只功率MOSFET组成的H型PWM变换器和有刷直流电动机构成的主电路提供相匹配的驱动信号。

当用户给定速度信号发生变化时，电压、电流和速度负反馈预处理电路中的反馈信号也将发生实时变化，并经过DSP构成的高速数字调节器进行运算处理后重新生成相应脉冲宽度的四路PWM信号，通过调节PWM脉冲宽度便可轻松达到调压调速的目的，从而实现对直流电动机转速的实时控制，完成对数字式直流单闭环调速系统的设计。

2.4 TMS320LF2407A高性能数字信号处理芯片简介
TMS320LF2407A系列是TMS320C2000家族中最新、功能强大的DSP芯片，是当今世界上集成度较高、性能较强、低成本的运动控制芯片，对电机运行的数字化控制非常实用。

几种先进外设被集成到该芯片内，以形成真正的单芯片控制器。

它与现存24x DSP控制器芯片代码兼容的同时，TMS320LF2407A芯片具有处理性能更好、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等优点，是电机数字化控制的升级产品，图2-1为TMS320LF2407A DSP控制器功能结构。

其主要特点如下：（1）由于采用了高性能的静态CMOS制造技术，因此给DSP具有低功耗和高速度的特点。

工作电压3.3V，有4种低功耗工作方式。

单指令周期最短为25ns(40MHz),最高运算速度可达40MIPS，四级指令执行流水线。

低功耗有利于电池的应用场合；而高速度非常使用于电动机的实时控制。

（2）由于采用了TMS320C2xx DSP CPU内核，因此保证了与TMS320C24x系列DSP的代码兼容性。

（3）片内继承了32K字的Flash程序存储器、2K字的单口RAM、544字的单口RAM。

因而使该芯片可用于产品开发。

可编程的密码保护能够充分的维护拥护的知识产权。

（4）提供外扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器、64字I/O的能力。

（5）两个专用于电动机控制的时间管理器（EV），每一个都包含：2个16位通用定时器；8个16位脉宽调制（PWM）输出通道；1个能够快速封锁输出的外部引脚PDPINTx(其状态可从COMCONx寄存器获得)；可防止上下桥臂直通的可编程死区功能；3个捕捉单元；1个增量式光电位置编码器接口。

（6）可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。

（7）16通道10为A/D转换器，具有可编程自动排序功能，4个启动A/D转换的触发源，最快A/D转换时间为375ns。

（8）32位累加器和32位中央算术逻辑单元（CALU）；16位×16位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算；5个外部中断。

（9）串行借口SPI和SCI模块。

（10）很宽的工作温度范围，普通级：-40℃~85℃；特殊级：-40℃~125℃。

这些性能对于本次设计来说，具有非常重要的意义。

TMS329LF2407A DSP的结构才用了改进的哈佛结构，该结构支持分离的程序和数据总线。

这样的结构使取指令、执行指令、数据传送和外设控制可以并行进行，因此可以击打的提供工作速度。

2407A DSP 可以分成三部分：DSP内核、存储器和外围设备。

其功能结构图如图4.10所示。

DSP内核是DSP的核心，它担负着数据运算、信号处理的任务。

它包括了累器、状态寄存器S0和S1、中央算术逻辑单元CALU、辅助寄存器、乘法器、移位器临时寄存器T和乘积寄存器P。

下面具体介绍事件管理器的结构功能：
TMS320LF2407A DSP有两个相互独立的事件管理器EV A和EVB，结构功能完全相同，每个都有16位通用定时器、8个16位的PWM通道，三个比较单元，三个捕获单元，两路正交编码脉冲电路QEP及计数方向和外部时钟输入，16通道的10位的最小转换时间375ns的A/D转换器。

由于事件管理器EV A和EVB，结构功能一样，下面就只介绍一下管理器模块A（EV A）的结构功能。

事件管理器A有Timer1和Timer2两个通用定时器，它们有如下功能：
（1）作为常规的定时/计数器使用；
（2）用于在TxPWM引脚上输出频率和脉宽可调的PWM波；
（3）与捕捉模块结合测量CAPx引脚上的脉宽；
（4）定时器1与比较模块配合产生死区可调的6个PWM控制信号；
（5）定时器2可服务于增量式光电编码器接口，测量电动机的转向、角位移和转速；
（6）启动A/D转速。

每个通用定时器包括：一个可读写的16位定时器增/减计数器TxCNT；一个可读写的16位定时器比较寄存器TxCMPR；一个可读写的16位定时器周期寄存器
TxPR；一个可读写16位的定时器控制寄存器TxCR；可选择的内部或外部时钟；4可屏蔽中断——下溢、上溢、定时器比较和周期中断。

每个通用定时器有四种可选择的操作模式：停止/保持模式；连续递增记数模式；定向增减记数模式；连续增减记数模式。

利用这些操作模式可以产生周期可变和固定的各种锯齿波及三角波。

定时器比较寄存器和这些波形进行比较就可以产生各种PWM输出，称之为波形发生器。

通过配置GPTCONA/B寄存器中的相应位来规定高有效、低有效、强制高、强制低，这样就可以控制波形发生器的输出，以生成不同类型功率设备所需的PWM波形，每个通用定时器都提供一个独立的PWM输出通道。

事件管理器A有3个比较单元，1个比较单元、1个比较控制寄存器COMCONx 和一个比较方式控制寄存器ACTRx。

每个比较单元都有一个比较寄存器CMPRx，以及2个PWM输出引脚。

这一套组合可以使事件管理器产生6个带死区的PWM输出，用于控制三相逆变桥。

比较单元的操作功能与定时器比较积存器的操作功能相似。

当定时器的计数值与比较单元的比较寄存器相等时，就会在该比较单元的两个PWM引脚上产生跳变（两个引脚的跳变与比较方式寄存器ACTRx的设置有关），并经过1个CPU时钟后发出比较中断申请。

比较单元受比较控制寄存器和比较方式寄存器控制，通过这些寄存器可以设置比较输出是否允许、比较值和方式寄存器的重载条件、PWM引脚输出方式等。

增量式光电编码器是电动机控制中的常用传感器，用于测量电动机输出的角位移和转速等信息，作为闭环控制的反馈量。

TMS320LF2407A DSP提供了与这种编码器的接口电路。

在事件管理器A中，它的编码器接口电路使用了定时器2作为可逆计数器，来计数编码脉冲的个数。

编码脉冲通过2个引脚QEP1/CAP1和QEP2/CAP2输入到芯片内部。

这两个引脚是与捕捉单元1、2复用的引脚，因此在使用编码器接口电路时，要禁止捕捉功能。

编码器接口电路利用输入编码脉冲的4个边沿加工成4倍频的计数脉冲信号和计数方向信号。

4倍频的计数脉冲信号有利于提高电动机角位置和角位移信号的分辨率。

计数方向信号自动地控制定时器2的计数方向，而计数方向引脚TDIRA这时不起作用。

在事件管理器A模块中，对增量式编码器脉冲电路寄存器的设置如下：。