原创 2407

PWM Direct Current Variable Speed System Based on TMS320LF2407A
Abstract：In order to complete DC motor speed system control, this paper introduces PWM direct current variable speed system based on TMS320LF2407A., this system come ture the digital control. In the paper ,speed control theory , hardware and software are described in detail ,this speed control of system have achieved the enterprise produces production request. The experiment indicates that this control system structure is simple and performance is good. The system can be used in advanced control field all over the agriculture and industry.
Keywords：TMS320LF2407A ; Bipolar Control H model bridge circuit; DC Motor Speed Control ;Digital control?
摘要：为实现直流传动系统的全数字控制，本文介绍了采用TMS320LF2407A DSP 作为控制系统的核心、双极性桥式直流斩波驱动信号、电流内环与速度外环比例积分调节以及转速测量等环节都实现全数字化的双闭环直流脉宽调速系统；分析了系统的基本工作原理，阐述了数字化直流调速系统的硬件组成和软件设计，该系统在高精度伺服系统中有着重要的应用价值。
关键词：TMS320LF2407A；双极性H型桥式电路；直流调速系统；数字控制

1.引言
微处理器和电子技术的发展，对自动控制系统产生了深远的影响，特别是电机控制专用芯片TMS320LF2407A DSPs的使用，迎来了数字控制替代模拟控制系统的新时代[1].。自动控制系统的控制方式迅速向微机控制发展，智能化的软件控制成为自动控制系统的一个发展趋势。在软件方式中也是从自动系统的外环向内环，进而向接近电动机环路的更深层发展。论文阐述了系统的基本工作原理、硬件电路和软件设计；其中H型桥式直流斩波驱动信号、电流内环与速度外环PI调节以及转速测量等环节全部实现了全数字化控制。这种系统在调速性能要求较高的精确定位系统中有着广泛的应用。
2.工作原理
以TMS320LF2407A DSP为控制核心的PWM电流内环转速外环的双闭环直流调速系统如图1所示。主电路采用三相不可控整流，经电容滤波H型桥式直流斩波调压后给直流电动机供电，控制电路利用调节器的工程设计方法[2]，求出实际系统各个环节的传递函数后将电流内环按典型1型系统进行校正设计，转速外环按典型2型系统进行校正设计，分别确定两个PI调节器的比例与积分参数从而满足稳准快扰等性能指标的要求。整个系统的控制实现了数字化，其中两个PI调节器的参数经离散化后由DSP编程来实现。H型桥式直流斩波调压的控制信号是由DSP的事件管理器控制产生的四路PWM脉冲波进行双极性控制的。同时利用DSP的QEP引脚和光电编码器实现对电机速度的检测，利用ADCIN引脚可以完成模数转换。利用?引脚可以进行故障保护。

3 硬件构成
DSP数字控制PWM双闭环直流调速系统由主电路和控制电路两大部分组成，其硬件结构如图2所示。主电路由三相不可控整流，H型桥式双极性直流斩波，泵升电压电路与直流电动机构成。H型桥式双极性直流斩波电路驱动信号的产生由DSP TMS320LF2407A 控制输出。采用了由DSP读取与电动机联轴的光电编码器输出的脉冲数，经DSP计算后来得出转速值。同时泵升电压的控制经与事先设定值比较后由DSP发出控制信号实时控制启动泵升电压电路，进行能量泄放，保护主电路。系统利用故障保护引脚?产生的信号，及时封锁四路PWM信号，以及通过I/O口控制开关K1的动作实现保护，因此该DSP控制系统有完善的保护体系。

3.1主电路
三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得可调的直流电压，给直流电动机供电。直流PWM变换器采用双极性斩波控制，其结构如图3所示。

3.2 控制电路
控制电路由数字信号处理器、检测电路、驱动电路与故障保护等部分组成。
3.2.1数字信号处理器
数字信号控制器是整个系统的核心，选用专为电机控制设计的TMS320LF2407A DSP控制器[3][4]，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据。
3.2.2 驱动电路
图3通过DSP产生五路PWM信号，其中DSP的引脚PWM1-PWM4输出四路控制信号，经日本三菱公司生产的驱动芯片M57215BL后控制电力晶体管D202:V1-V2-V3-V4的通断。另外，PWM5信号经M57215BL后对图3的Vb进行泵升保护，具体结构如图4所示。

3.2.3故障保护
在检测回路中，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障或者与给定的动态参数不符，立即反馈到DSP控制器，进行及时处理，通过数字调节转速和电流调节器，将动态参数调整到生产运作时规定的标准，避免误差或故障进一步扩大。
4 软件系统
本调速系统的软件设计由三部分组成：主程序、初始化程序和中断服务子程序。主程序完成实时性要求不高的功能、系统初始化和其他外设通信等功能，其流程图如图5所示；初始化后，实现键盘处理、刷新处理与上位计算机和其化程序主要完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。中断服务子程序主要完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等。中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。它包括了三种中断服务申请，其中，转速调节中断服务子程序流程图如图6所示，电流调节中断服务子程序流程图如图7所示。

本系统设计脉冲编码器在每个PWM周期(50 )都对直流调速系统进行一次电流采样和电流PI调节，因此电流采样周期与PWM采用定时器1周期中断标志来启动A/D转换，转换结束后申请ADC中断。ADC中断处理子程序框图如图8。

由于速度时间常数较大，在本程序中设计每90个PWM周期 (即4.5ms)对速度进行一次PI调节。速度反馈量按以下方法计算：在每个PWM周期都通过读编码器求一次编码脉冲增量，并累计。设电动机的最高转速是200r/min即10/3 r/s。采用1024线的编码器，经DSP四倍频后每转发出4096个脉冲。所以在这个转速下，每秒发出10/3 4096=40960/3个脉冲。那么4.5ms发出的最大脉冲数为40960/3 4.5 103=61.44。令编码器脉冲速度转换系数KSPEED=1/61.44，其Q22格式为KSPEED=222/61.44，即10AAAH。用编码器的脉冲累计值乘以KSPEED就可以得当前转速反馈量相对于最高转速的比例值n，当前转速反馈量等于200 n/222。程序中的电流PI调节器和速度PI调节器的各个参数可以根据生产要求在初始化程序中改写。
常规的模拟PI控制系统由模拟PI调节器和被控对象组成。采用DSP对电动机进行控制时，使用的是数字PI调节器，而不是模拟PI调节器，也就是说用程序取代PI模拟电路，用软件取代硬件。数字PI调节器的算法：
?????

根据工程设计方法，按照实际系统的具体要求计算得到两个调节器的实际参数，然后将模拟PI调节器离散化得到数字PI调节器后，求得以下数字调节器的参数：
电流比例系数I_KP=4A14H，Q12格式；电流积分系数I_KI=134AAAH，Q12格式；
电流积分饱和修正系数I_KC=000DH，Q12格式；
速度比例系数N_KP=5666H，Q12格式；速度积分系数N_KI=71000H，Q12格式；
速度积分饱和修正系数N_KC=0199H，电流最大值IMAX=7666H，Q12格式。
计算Uk的程序代码如下：
LT????? EK???????????? ；T=ek-1
MPY??? K2???????????? ；K2是?Q12格式,P=ek-1*K2
LACC?? GIVE????????? ；给定值
SUB??? MEASURE????? ；减反馈值
SACL?? EK???????????? ；保存偏差ek
LACC?? UK，12??????? ；uk-1
LAT???? EK??????????? ；ACC=uk-1+ek-1*k2,Q12格式,T=ek
MPY??? K1???????????? ；K1是Q12格式，P=ek*k1
APAC????????????????? ；ACC=uk-1+ek-1*k2+ek*k1,Q12格式
SACH?? UK，4???????? ； 保存
5 结论
本文根据一精确定位控制系统进行了设计。该系统的基本参数和设计要求是[2][6]：电动机的PN=200W，UN=48V，IN=3.7A，nN=200r/min，电枢电阻Ra=6 ，电枢回路总电阻R=8 ，电势系数Ce=0.12V.min/r， 允许电流过载倍数 =2，电磁时间常数Tl=0.015s，机电时间常数Tm=0.2s，电流反馈滤波时间常数Toi=0.001s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.005s，设调节器输入输出电压Unm*= Uim*=Ucm=10V，调节器输入电阻R0=40K ，已知电力晶体管D202的开关频率f=1kHz，PWM环节的放大倍数Ks=4.8。生产要求是：进行动态参数设计，设计指标为:稳态无静差，电流超调量?? 5%，有抗负载性能，空载启动到额定转速时的转速超调量? 20%，过渡过程时间ts 0.1s；进行数字化控制；有完善的自动保护功能。
论文的主要创新点在于： 直流脉宽调速系统转速和电流调节器的复杂控制算法用软件实现，实现了全数字化控制，系统结构简单，性能良好；与模拟直流调速系统相比，控制算法易于改进、程序易于移植、控制精度高、调速范围宽、静差率小、功率因数高等优点，这种系统在精确定位控制系统中有着广泛的应用。
参考文献
[1]刘东汉，陈学珍.基于AT89C51控制的直流电动机双环调速系统[J].微计算机信息,2006,22(11)
[2]陈伯时主编.电力拖动自动控制系统：运动控制系统-3版[M].北京：机械工业出版社，2003.7
[3黄英哲，董胜源.TMS320C240原理与C语言控制应用实习[M].北京：中国水利水电出版社，2003.3
[4]刘和平，张卫宁，刘林等编译. TMS320C28X系列DSP指令和编程指南[M].北京：清华大学出版社，2005.3
[5]王晓明，王铃编著.电动机的DSP控制：TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.7
[6]苏彦民编.电力拖动系统的微型计算机控制[M].西安：西安交通大学出版社，1988
[7]李传琦，盛义发，邹其洪.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京：电子工业出版社，1988
[8]Leonhard, W.Control of Electrical Drives 3rd ed .Springer-Verlag,2001
[9]Texas Instruments Second Generation TMS30 User’s Guide,1987
[10]TI公司.TMS320LF/LC240xA DSP Controllers Reference Guide—System and Peripherals,2001

作者简介：许又泉（1968-）, 男(汉族)，湖南洞口县人，邵阳学院信息与电气工程系讲师，硕士，主要从事计算机仿真、网络学习等方面的研究。
联系方式：湖南邵阳学院信息与电气工程系（七里坪校区） 邮编：422004
Email:itxyq2003@163.com?????