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1、江苏大学本科学位论文基于DSP的伺服控制系统设计专业班级：电子信息科学与技术0701班 学生姓名：指导老师： 职称：副教授摘要 ： 伺服系统是一种输出能够快速而精确地响应外部的输入指令信号的控制系统。文章结合大量的文献资料，总结和分析了当前交流伺服系统的发展现状，明确了加强开发交流感应电机伺服系统的意义。本交流伺服系统以数字信号处理器TMS320LF2407为主控芯片，从控制理论和实际应用两个方面出发，对永磁同步电机转子磁场定向矢量控制伺服系统进行深入、全面的研究。本文首先介绍了永磁同步伺服系统发展概况，建立了交流永磁同步电机系统的数学模型，并在此基础上对转子磁链定向矢量控制、空间矢量PWM波
2、形的产生、详细探讨空矢量变换控制原理及实现方法，并大致对伺服控制系统总体进行设计。其次，大致介绍了DSP的分类与特点，并给出了选择TMS320LF2407芯片的原因以及TMS320LF2407芯片的优点。最后，详细介绍了基于TMS320LF2407永磁同步电机伺服控制系统的硬件结构。主要内容有主控芯片TMS320LF2407及其组成的最小系统，组成核心模块的各个电路、功率驱动模块、检测和保护电路及其接口电路的设计。关键词：伺服控制 TMS320LF2407芯片 DSP 矢量控制 PWMDSP-based Servo Control SystemAbstract: Output of the s
3、ervo system is a fast and accurate response to external input command signal control system. In this paper, a lot of literature, summarized and analyzed the current status of AC servo system development, specifically to strengthen the development of AC induction motor servo system significance. The
4、AC servo system for the master digital signal processor chip TMS320LF2407, control theory and practical application from the two starting permanent magnet synchronous motor rotor field oriented vector control servo system for in-depth, comprehensive study.First,this paper introduces the overview of
5、the development of permanent magnet synchronous servo system, the establishment of a permanent magnet synchronous motor system model, and based on rotor flux oriented vector control, space vector PWM waveform generation, empty vector control detail principle and method, and generally the overall ser
6、vo control system design.Second, a broad overview of the classification and characteristics of the DSP, and gives reasons for the selection of TMS320LF2407 chip and chip TMS320LF2407 advantages. Finally, the details of TMS320LF2407 permanent magnet synchronous motor based servo control system hardwa
7、re structure. The main content and composition of the master chip TMS320LF2407 minimal system, form the core of every circuit module, power module, detection and protection circuit and interface circuit design.Keywords: servo control chip TMS320LF2407 DSP vector control PWM II目 录第一章 绪论11.1伺服控制系统的发展历
8、史和研究背景11.2伺服控制系统的国内外研究现状和性能要求21.3伺服控制系统的发展前景41.4本文所作的工作6第二章 永磁同步电机控制理论82.1永磁同步电机的数学模型82.1.1永磁同步电机的基本方程82.1.2坐标变换后的PMSM模型102.2永磁同步电机矢量控制原理152.3空间矢量PWM原理及实现162.3.1空间矢量PWM基本原理162.3.2空间矢量PWM实现方法16第三章 DSP概述183.1 DSP的分类及其特点183.1.1 DSP的分类183.1.2 DSP的特点193.2永磁同步电机伺服控制系统芯片选择依据203.3 TMS320LF2407芯片概述223.4 TMS3
9、20LF2407主要引脚配置说明23第四章 伺服控制系统硬件电路设计264.1伺服控制系统的核心总体电路264.2 TMS320LF2407核心控制电路274.2.1主运算模块及外围电路设计274.2.2 RAM的扩展电路设计284.2.3时钟电路设计294.2.4电源电路设计304.3驱动电路设计314.3.1三相交流逆变电路的设计314.3.2隔离电路设计324.4检测与保护电路设计334.4.1电流信号采样电路设计334.4.2速度与位置检测电路设计354.4.3过压和过流保护电路设计374.5硬件接口电路设计374.5.1通信接口电路设计374.5.2 JTAG 接口电路设计394.6
10、硬件可靠性设计40第五章 总结与展望425.1总结425.2展望43致 谢44参考文献45IV第一章 绪论1.1伺服控制系统的发展历史和研究背景伺服技术从应用至今已有50多年的历史1-7，它广泛应用于工业领域中的机器人数控机床、计算机硬盘驱动场合。国防领域中的雷达跟踪和火炮定位亦是伺服技术的重要应用场合。伺服技术是电力电子技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和驱动技术的综合应用。电力电子技术、微电子技术、计算机技术每发展一步，伺服技术就产生一次新的飞跃，先进控制理论的应用，使伺服技术的跟踪速度不断加快、控制精度不断提高、功能不断完善、智能化程度越来越高。为伺服技术的更广泛应用奠定了更加坚实的
11、基础。伺服发展初期，主要是利用空气和油的压力作动力的气动伺服和液压伺服。这类伺服具有功率/重量比大和力矩/惯量比大等特点，很容易通过缸体实现大功率直线伺服驱动，而且结构简单。但是，这类伺服也存在明显不足，具有使用不方便、过载能力差、噪音大、故障率高、维护困难、响应速度慢和控制精度低等缺点，因此很快被淘汰了。伺服发展中期，以小惯量的直流电动机作为驱动部件的直流伺服系统取代了大部分液压驱动的液压伺服系统。由于直流伺服系统具有响应速度快、控制精度高、体积小、应用方便等特点，推广应用很快。但是，直流伺服系统在很长的一段时间内受到伺服放大器的制约，性能不够理想，可靠性不够稳定。进入70年代，由于大功率电
12、力电子器件GTR等的发明，直流伺服系统综合性能显著提高，因此直流伺服从这时占据了统治地位。进入上世纪80年代，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术及交流电动机控制理论的发展，交流伺服技术得到了迅速发展和应用。早期，虽然交流电动机自身具有结构简单、结实耐用、价格便宜和易于维护等优点，但由于交流电动机的数学模型具有多变量、强耦合、非线性和高阶次的特点，因此，转矩控制困难，很难达到预期的控制目标和要求。1972年，德国西门子公司工程师利用矢量变换理论，实现了交流电动机的解耦，进而将交流电动机模拟成直流电动机去控制，使其具有了可以和直流伺服相媲美的性能，同时又发挥了交流电动机的自身优势。因此电力电
13、子技术、微电子技术、计算机技术及矢量控制理论的发展，交流伺服技术得以迅速发展。到了80年代末期，交流伺服取代直流伺服系统已成为不可逆转的趋势。到1992年，交流伺服系统在工业化伺服应用中已占到70%比例。今后电力电子技术、微电子技术、计算机技术及先进控制理论的发展推动下，交流伺服会向着高性能、高智能化、高可靠性方向发展。 交流伺服控制系统中的驱动电机主要有同步永磁电机和感应式异步电机两类。其中技术上比较成熟，运用较为广泛的交流伺服控制系统为永磁同步电动机交流伺服系统，其缓慢运转的性能良好，且可以进行高速的弱磁控制。而且永磁同步交流电机的可控调速区间较宽，可使用于对性能要求高的伺服控制系统中。随
14、着材料学的发展，永磁模块的性能提高，永磁同步电机的性能也不断的提高。现阶段永磁同步电机是交流伺服系统中广泛运用的驱动电机8。而感应式异步电动机和同步永磁电机相比较也有其自身的优势，比如感应式交流电机的构造结实，生产方便，生产成本低等。因此感应式异步电动机有着广阔的发展空间，是以后交流伺服控制系统的发展方向。但是感应式异步电机的矢量控制技术复杂，缓慢运转时的运行效率低，会产生大量的热量，因此感应式异步电机伺服控制系统的控制性能还有待进一步提高9。在我国交流伺服产品广泛应用于国防、工业和社会各个领域，其年市场量达数百亿元以上。目前，绝大多数伺服产品依赖于进口，尤其是少数几家跨国公司，研究具有自主知
15、识产权的智能型高性能交流伺服系统，对于缩小我国在交流伺服领域同国外的差距，提高国防和工业领域在伺服技术方面的应用水平，实现交流伺服系统的产业化，具有较大经济效益和社会效益。1.2伺服控制系统的国内外研究现状和性能要求目前，交流伺服系统在我国还处在研制阶段，许多科研单位和高校都投入了大量的人力、物力和技术力量，并取得了一些进展。目前，国内基本上是在引进吸收国外同类产品的基础上生产出自己的产品，且存在可靠性低、性能不稳定等缺点，至于高性能和国产化的产品尚在研究阶段。早期交流伺服系统的研究主要集中在固定频率供电的永磁交流电机运行特性方面，尤其是对直接启动和稳态特性方面的研究。20世纪80年代以后，随着电机理论、控制理论、永磁材料、电力电子技术和计算机技术的快速发展，国内外开始对以逆变器供电的永磁交流电动机性能和永磁交流伺服系统控制进行研究。逆变器供电的交流电机和直接启动的直流电机的结构基本相同。但是在大多数情况下永磁交流电机没有阻尼绕组，从而可以防止永磁材料的温升，提高电机力矩惯量比，减小电机的转矩波动。在逆变器供电的情况下，交流伺服电机的原有工作特性会受到影
