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1、编号 200903122009031225 南京航空航天大学金城学院毕业设计题 目基于DSP的直流电机控制硬件部分学生姓名石高祥学 号2009031225系 部自动化系专 业电气工程与自动化班 级20090312指导教师田小琴 讲师二一三年六月南京航空航天大学金城学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：基于DSP的直流电机控制硬件部分）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 作者签名：石高祥 2013年05月 27 日（
2、学号）：2009031225 毕业设计（论文）报告纸基于DSP的直流电机控制硬件部分摘 要随着现代控制理论、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。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
3、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。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，PWMThe Control of DC Motor Based on DSP (Hardware Part)AbstractBy the development of the theory of modern control, power electronics and microele
4、ctronics, 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 an
5、d so on. 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 adopt
6、ed. 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 PW
7、M drive circuit.Finally, simulating the hardware with software, the results show that the system can realize the expecting function. Key Words: DC motor; DSP; TMSF2812; PWM目 录摘 要iAbstractii第一章 引 言11.1 研究背景及意义11.2 直流电动机控制的发展现状11.3 研究内容3第二章 直流电机工作原理及DSP的选择52.1 直流电机工作原理52.1.1 直流电机的结构52.1.2 直流电机的基本工作原理6
8、2.1.3 直流电机的调速原理62.1.4 直流电机的数学模型72.2 控制芯片92.2.1 芯片的选择92.2.2 TMS320F2812部分功能介绍10第三章 硬件电路设计143.1 供电电源模块143.2 驱动模块153.2.1 PWM调速原理153.2.2 电机驱动电路163.3 A/D转换模块173.4 SCI串口通讯173.5 复位电路183.6 JTAG接口电路193.7 外扩FLASH电路203.8 电路设计图213.8.1 电路设计原理图213.8.2 电路设计PCB223.8.3 电路设计实物图23第四章 总结与展望24参 考 文 献25致 谢26iv 第一章 引 言本章介
9、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。1.1 研究背景及意义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
10、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，所以可以使外围硬件最少。1.2 直流电动机控制的发展现状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
11、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
12、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。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范
13、围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件
14、MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向2。在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中
15、，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景3。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，均已经开发出多个数字直流
