基于DSP的永磁同步电机调速系统的设计

装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸基于DSP的永磁同步电机调速系统的设计摘要: 随着电子节能技术，材料，稀土永磁，微电子技术，计算机控制技术，数字信号处理技术，传感技术，控制理论和制造电机系统技术的迅速发展，交流伺服有了长足的发展，并已逐步取代援助DC，流量伺服系统的现行制度。近年来，现代产业维权援助体系的快速发展作出了越来越高的要求，分期和辅助系统尤其是高速旋转阵列具有长时间工作，并提出了系统的援助，如高速，高可靠性和强大的抗抗干扰能力强等更高的要求。本文结合文献资料，从永磁同步电机、电力电子器件、控制策略及电机控制集成电路等方面比较全面地分析和总结了永磁同步电机伺服系统发展现状，并设计了基于 DSP 的永磁同步电机调速系统，以此来满足伺服系统的需求。 关键字：伺服系统；永磁同步电机；DSP；PIDBased On The DSP Synchronous MotorSpeed Control System DesignAbstract: With the rapid development of power electronics, rare earth permanent magnet materials, microelectronics, computer control technology, digital signal processing technology, sensor technology, motor control theory and motor manufacturing technology, AC servo systems which gradually replac the DC servo systems have made great progress and become the mainstream in servo system. Recent years, demands such as high-speed, high-reliability and disturbance rejection in radar servo system are increasingly presented with the development of modern defense industry, especially in rotating phased array radar and the radar which needs to work long hours. In this paper, the development of permanent magnet synchronous motor servo system is analyzed and summarized comprehensively in the aspects of the permanent magnet synchronous motors(PMSM), power electronics, control strategy and motor control IC etc. A DSP-based PMSM servo system is designed and set up in order to satisfy the needs in modern radar servo system. Keywords: Servo System; Permanent magnet synchronous motor(PMSM); DSP；PIDII目录第1章 绪论11.1 研究背景11.2 国内外发展现状11.3 设计意义2第2章 系统整体设计方案42.1本课题主要研究内容42.2整体设计方案4第3章 系统硬件设计53.1 系统硬件设计结构框图53.2 系统时钟电路63.3 控制电源63.4 DSP 最小系统73.5 IGBT驱动模块93.6 系统功率驱动电路设计103.6.1 整流电路103.6.2 滤波电路103.6.3 逆变电路113.6.4 缓上电电路113.6.5 泵能泄放电路113.7 系统检测与保护电路设计123.7.1电流检测与电流保护123.7.2 角度位置（速度）检测12第4章 系统软件设计144.1 软件总体结构144.2 主程序154.3 中断服务程序154.3.1 定时器中断程序154.3.2 功率驱动保护中断程序164.3.3 SVPWM产生程序174.3.4 电流和电压采样程序174.3.5 速度计算程序184.4 PID控制算法184.5 PID参数整定19总结21致谢22参考文献23附录124附录225附录326II第1章 绪论1.1 研究背景永磁伺服系统属于自动控制系统，主要任务是受控对象的位置、方位、状态等输出量能够精确、自动、连续地跟随给定值或输入量的变化规律。在交通运输、国防、家用电器以及机械制造等领域永磁伺服系统都有非常广泛应用。 伴随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、数字信号处理技术、电机控制理论及电机制造技术的快速发展，交流伺服系统有了很大进步，并已经逐步取代了直流伺服系统子在应用中的统治地位，成为了伺服系统的主流。近年来现代国防工业的飞速发展，雷达伺服系统也被提出了越来越高的要求，诸如高可靠性、高速和强抗干扰能力等要求。本文结合现有文献资料，比较全面地总结和分析了永磁电机伺服控制系统的发展现状，并设计了基于 DSP技术的永磁电机伺服控制系统，以此来满足社会高速发展和科技不断进步的需要。1.2 国内外发展现状在国内先进的电机控制方法在永磁同步电机上的实际运用研究较少，而永磁同步电机相对于异步电机效率较高，从我国节能减排国策来看，永磁同步电机必将取代异步电机，所以基于DSP的永磁电机必将有广阔的发展前景。国外交流伺服产品生产厂家很多，如日本的安川公司、三菱公司、松下公司，德国的西门子公司、KEB公司、BOSCH公司，美国的Kollmoen公司等已先后生产出了性能很好的伺服控制器。他们的交流伺服系统，实现已采用驱动部件在美国是最大的，而且在美国的技术最先进的伺服系统生产厂拥有目前市场上大部分的全数字DSP芯片的市场份额。内部交流伺服驱动系统起步较晚落后海外发展，发动机控制技术落后，有很多缺点，技术落后主要限于实用算法缺乏数字式发动机控制模块更可靠，与国外相比能量。国内永磁同步电机调速控制系统进行了很多研究但主要还存在着以下不足；1）国内对永磁同步电机的研究工作主要侧重于电动机本体的研究，对其调速控制系统的研究工作较少。2）对于永磁同步电机的调速控制系统的理论研究和仿真研究较多，生产实际中应用的成果较少，比如，先进的电机控制方法在永磁同步电机上的实际运用研究较少。3)受到国内设备经费等条件的限制，对国际上电机调速领域中的前沿性课题研究较少。目前的对交流电机的控制有恒压比控制、矢量控制、直接转矩控制等方案。恒压频比控制属于无传感器的开环控制，因此调速性能不是很高。在电压幅值、频率和电机负载不匹配时容易出现不稳定现象。目前已经提出许多方法来解决这个问题，提高系统的效率并保持稳定。矢量控制是基于坐标变换的一种控制方法。以磁链这一旋转的空间矢量作为参考坐标将定子电流分解为相互正交的两个分量：定子电流励磁分量和定子电流转矩分量。然后分别对其独立控制从而获得像直流电机一样的良好动态特性。永磁同步电机的矢量控制实质是对电动机定子电流矢量的相位和幅值进行控制。直接转矩控制是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统，我国虽然对直接转矩控制技术的研究已取得了很大的发展，但在理论和实践上还很不成熟，低速性能不高带负载能力较差等，都直接影响着其在实践中的应用。1.3 设计意义随着自动化生产水平，性能伺服系统的需求越来越高的不断发展。由于结构简单，永磁同步电动机，其运行可靠，可实现高精度，高性能的动态，大范围的速度和位置控制，越来越多的关注和设备DSP与单片机目前流行的具有比较强大的性能结构大提高其处理速度和控制精度已在基于DSP的永磁同步电机的顺序，其性能大大提高不仅是它具有良好的实时运算能力，还因为具有丰富的控制电路和电机周边接口资源，使得简化了硬件和软件设计，并且控制系统所需体积较小。数字交流伺服系统在当代许多高科技领域上都得到了比较广泛的应用，永磁同步电机因其有着很多电励磁电机无可比拟的优点，比如效率高，功率因数高，启动转矩大，温升低，抗过载能力强等所以其作为执行机构的交流伺服系统也逐渐成为伺服系统发展的主流，加上全数字化必将是未来伺服驱动技术发展的趋势，因此研发高品质的全数字化永磁同步电机伺服控制系统具有重要的现实意义。采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP)的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中可以应用现代控制理论的先进算法成为可能。永磁同步电机作为交流电机的一种克服了直流电机没有直流电机的换向器和电刷等缺点和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高功率因数高力矩惯量比大定子电流和定子损耗减小；且转子参数可测、控制性能好；和普通同步电机相比，永磁同步电机省去了励磁装置简化了结构提高了效率；更为重要的是近年来，永磁材料的研究取得了新的突破，特别是具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线等优异性能的新型磁材料的出现和相应的工艺技术的发展使得永磁电机成本不断降低，性能不断提高。克服了过去永磁同步机成本高启动困难等缺点。随着计算机技术迅速发展，永磁电机控制系统的数字化实现已逐渐引起业内人士的重视并出现了不少重要的研究成果特别是IT公司的TMS320C2000系列的DSP就提供了多种控制系统使用的外围设备整合了DSP和微控制器的最佳特性，这类DSP特别适用于控制领域，使永磁同步电机的全数字控制成为可能。本文综述了国内外永磁同步电机调速系统的研究现状和发展趋势，对永磁电机控制系统的设计具有指导意义。第2章 系统整体设计方案2.1本课题主要研究内容本课题主要是依托雷达伺服系统的需求，分析和研究了国内外永磁同步电机伺服系统发展状况，并在借鉴和吸收研究成果的基础上，开展相关技术的研究，主要研究内容包括以下几个方面： （1）以 DSP（TMS320F28335）处理器作为控制核心，以这个IGBT模块作为功率转换核心，包括DSP最小系统电路，一个电路接口，一个电路检测，整流滤波电路，逆变器电路中，泵可放电电路，一个电路缓冲，驱动电路和保护电路执行测试和研究，考虑到这个基础的硬件电路实施方案的不同组件。（2）根据测试方法选择的主题，电路硬件设计，系统设计软件的组合以在主程序执行为核心，常规中断服务为重心实现法规的PI，实现速度（位置）的采样和计算，最近采样和算术，矢量的变化，SVPWM算法，和PWM信号生成，通信的软件设计。（3）设计和构建完善的永磁同步伺服电机平台测试系统，这样的设计文件由系统完成，进行试验验证详细，准确性和合理性通过硬件测试系统和设计软件的认证，并验证系统实现必要的性能。2.2整体设计方案本设计主要包括数字控制电路、反馈电路、保护电路、逆变电路、驱动电路、控制电源电路等，控制板以DSP芯片（TMS320F28335）为控制核心；利用编码器对电机转速进行反馈，通过PID控制算法来控制IGBT导通的最终输出波形PWM逆变器控制电路和关断，实现了电机控制。当系统工作在闭环状态控制伺服，DSP芯片的实时发动机转速信号的采集和电流保护，根据该算法控制，以达到最佳性能所需的实际工作条件下，电源板驱动IGBT模块为基础，通过整流电路驱动一个三相交流电源转换成直流电源，然后将PWM控制电路波形以此来控制IGBT的开通和中断，DC电源为电动机所需交流电源后所述。硬件系统分为控制电路和驱动电路的电源，设计充分考虑到了各种组件的适用性和扩展性的原则，将系统分为两大部分，分别为控制硬件电路板和功率驱动电路。第3章 系统硬件设计3.1 系统硬件设计结构框图硬件电路是永磁同步电机调速系统的基础，它是系统安全、稳定工作的基础。本章包括DSP系统的最小设计，电路测试，整流滤波电路，逆变器电路，驱动电路和保护电路，本设计采用TMS320F28335为控制核心，使扩展系统IS61LV51216选择模块，IGBT FP100R12KT4作为驱动全省主要整流桥和一个温度传感器，以提高系统的集成，此外，利用MAX3160 RS485和RS232接口实现选择电路，也用作转换元件AD2S1210位置的串行通信接口电路。在通过电路设计硬件电路的细节和计算分析，考虑到系统的可扩展性和通用性，硬件电路设计，通过一章调试和测试验证的硬件电路设计的精度和效率。永磁同步伺服电机系统集数字电路，模拟电路，驱动电路和实时控制软件为一体，以实现永磁同步伺服电动机的转矩，转速和位置控制。硬件电路设计决策的系统规格，同时也决定系统的操作安全可靠性。本章分别DSP芯片TMS320F28335模块和IGBT为电路控制系统的核心展开对功率驱动器电路系统的设计，通过分析，在控制电路的外周的研究中以及控制电路的基础上，主电路，短路检测和电路防御，计算和选择，以实现整个系统的硬件电路设计。硬件系统分为一控制电路和驱动电路的电源，设计中充分考虑到的各种组件，功能和应用的原理，其中分为控制面板硬件（控制电路）和汽车充电器（驱动电路）两部分。控制板DSP芯片（TMS320F28335），为通过电路输出RDC分解器激励信号和反馈分解器信号的控制中心进行处理，以获得转子的最后位置的信息，多通道AD芯片电动机电枢电流信号是冠军相结合的信息转角位置，最终控制PWM波形输出，在IGBT导通逆变器控制电路和关断，实现了电机控制。当系统在闭环伺服控制的状态的工作原理，DSP芯片实时采集电动机电枢电流信号与给定的信号速度分别与所述参考电流和速度，比较根据由所述算法需要的实际的工作条件的限制，以达到最佳性能。其系统硬件设计结构框图如图 3-1。图 3-1 系统硬件设计结构框图3.2 DSP介绍 DSP 最小系统是控制板能否正常运行的基础，也是能对 DSP 进行调试的最基本硬件电路，其可靠性和稳定性直接影响整个永磁同步电机系统的安全可靠运行，最小系统主要包括了 TMS320F28335 芯片、电源电路、时钟电路、复位电路和仿真接口电路 JTAG，其中 DSP 引脚图如图3-5所示。图3-2 DSP控制器引脚图TMS320F28335处理技能150MHz的高速处理速率，具有32位处理单元的浮点，六通道支持DMA ADC，McBSP的和EMIF，有多达18个通道的PWM输出，包括更高准确度的PWM输出，为6路IT所特有，16通道12位ADC。由于其单元浮点，用户可以快速地写控制算法，而无需耗费大量的时间和能量处理，相比前一代的DSC的分数的操作中，平均的性能提高了50，并且定点的C28x控制器和兼容软件，简化了软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。F2833x 150MHz的时钟速率，在保持相同的情况下，新的浮点控制器的F2833x与以往主要的TI控制器的数字信号，50的平均性能改善相比较。具有32位定点快速傅立叶变换（FFT）算法的复杂计算采用后性能提升显著，不断引进新技术后，相比于提高性能一倍以上，TMS320F28335熟悉信号处理器具有以下特性：（1）高性能静态CMOS技术 多达18个脉宽调制(PWM)输出1.9V/1.8V内核，3.3VI/O设计 高分辨率脉宽调制器(HRPWM)输出（2）高性能32位CPU（TMS320C28x） 高达6个事件捕捉输入，单精度浮点单元（FPU）（只在F2833x上提供） 多达两个正交编码器接口 16x16和32x32介质访问控制(MAC)运算 高达8个32位定时器 （6个eCAP以及2个eQEP） 16x16双MAC 高达9个32位定时器 哈佛(Harvard)总线架构（6个ePWM以及3个XINTCTR） 快速中断响应和处理（3）三个32位CPU定时器统一存储器编程模型 高效代码（使用C/C+和汇编语言） 多达2个控制器局域网(CAN)模块6通道DMA处理器 高达2个McBSP模块（可配置为SPI）（4）16位或32位外部接口(XINTF) 一个SPI模块 超过2M16地址范围（5）一个内部集成电路(I2C)总线（6）12位模数转换器(ADC) 2x8通道输入复用器128K16闪存，34K16SARAM 两个采样保持 单一/同步转换64K16闪存，26K16SARAM内部或者外部基准 1Kx16一次性可编程(OTP)ROM多达88个具有输入滤波功能可单独编程的多路复用3.3 系统时钟电路设计主系统时钟输出信号由片上时钟发生器，分频或倍频时钟信号源ORA生成。时钟发生器包括两个独立的元件，一个锁相回路（PLL）和一个振荡器。内部振荡器包括一个锁相环（PLL），和一个振荡器。锁相环（PLL）可以使ORA时钟信号的频率是源时钟频率，相位和时间的倍数，其时钟相位锁定在源时钟信号上。时钟信号电路如图 3-2 所示。图 3-3 时钟电路信号3.4 电源模块设计 系统中的控制电源主要用到了+12V、-12V、+5V、+3.3V 和+1.9V，本系统的控制输入电源为+24V，因此，系统中首先采用两块 DC/DC 电源模块将+24V 转换为12V 和+5V，模块供电电源电路如图 3-3所示。而对于 TMS320F28335 所需的+3.3V 和+1.9V 电源，电源电路如图 3-3所示。在系统设计时选用了 TI 公司的专用电源芯片TPS767D301，该电源芯片为5V 输入，可输出+3.3V 和+1.9V 两路电源供 DSP 使用，CPU电源电路如图 3-4和3-5所示。图 3-4 模块供电电路原理图图3-5 CPU供电电路原理图3.4 IGBT驱动模块介绍IGBT 驱动电路设计的好坏将直接影响到整个系统的可靠性，本系统门极驱动电路的电路图如图3-6所示图 3-6 IGBT 驱动电路本系统驱动电路设计时遵循了以下几条原则： (1) 栅极驱动正偏压脉冲应该在+12V+ 15V，负偏压应为-2V-10V，实际应用在+15V-9V之间选择; (2) 驱动电源有足够的功率，以防止IGBT损坏饱和，当前的选择大功率开关电源5W;（3）采用手术（HCPL-0454）提供的驱动和控制隔离电路;（4）驱动器电阻功率尽可能低，选择栅极电阻适中，保证VGS前栅极电压边沿国语陡峭，但减少了交叉时间，为了减少损失推移，我们不能使栅极关断时间过长短太短将导致电压尖峰的di / dt形成过高，所以从过压损坏IGBT的，系统选择的电阻的栅电极12;摹POL（5）电路的驾驶和磁极S并联二极管暂时抑制和电阻之间，以防止高压电路尖峰门损坏，还能提高机体免疫力噪音电路的，最终还是要保护的目标IGBT。3.5 系统功率驱动电路设计 系统主电路采用典型的交-直-交的形式，利用热敏电阻器实现了缓上电功能。系统主电路如图 3-7 所示。图3-7 系统主电路图3.5.1 整流电路 采用三相不可控的桥式整流方式，设计时，主要选择整流桥整流二极管的额定电压和额定电流。整流二极管额定电压计算如下： （3-1） 式中， 交流输入电源线电压。 安全系数，一般取2-3。整流二极管峰值电流计算如下： （3-2）式中， 负载额定电流。整流二极管额定电流计算如下： (3-3)式中， 为安全系数，一般取2-3。3.5.2 滤波电路 电路输出的直流电压整流器有着丰富的脉冲成分，并通过脉动产生的电流脉冲引起的直流电压的逆变器电路和变化负荷，因此，整流电路的输出应该被添加到一个滤波器电路，一般采用电解电容器一方面起到作为过滤器，它也可以作为能量存储。但在设计中主要考虑的电解电容器的压力和体积。: (3-4)式中， 交流输入电源线电压。 为安全系数（输入电压波动等因素引起）,通常取2-3。根据结果和整体结构和布局，我们使用串并联方式获得等于560F900V电容器电容的压力且选择4560 UF450V电解电容器，除了考虑电解容器的情况下的串联和并联，滤波电路也需要增加平衡电阻R1 = R2 =为30k，除了打在电容平衡的电压，电容器提供一个路径放电回关系图呈现的电路的某些系统的主电路如图3-7。3.5.3 逆变电路 逆变器电路是驱动电源电路的核心，它的主要作用是控制PWM信号控制转换为永磁同步电动机频率的交流电压（或电流）所需的直流电压（或电流）。在逆变电路设计，关键是功率器件的合理选择。 IGBT是阻抗MOSFET的高输入，速度快的开关，电源驱动电压低，良好的热稳定性和GTR通态压降，高密度载体等于一体，功率变换电路广泛使用和IPM是IGBT驱动器电路和保护电路，检测电路集成具有体积小，易于使用和发展的重点，但较低的工作温度模块中可以IPM模块只能达到-20，而-40可满足军事任务的要求，因此系统选择，因为设备的IGBT逆变器电路的功率，选择额定电压和额定电流是主要考虑因素。本系统设计的IGBT模块额定电压为1200V，该模块包含七只功率管，用于逆变电路功率管额定电流为100A，可用于泄放电路功率管额定电流为50A，此外，该模块还集成三相整流桥电路（额定电流为 50A）及过热检测热敏电阻，选用该模块利于系统整体布局，也减少了元器件数量，提高了系统的集成度。3.5.4 缓上电电路 由于滤波电容能量储存器在三相电源AC的作用即刻接通，如果不采取限制环路电流，大电流浪涌发生时，为了防止桥式整流器和供电电路故障或损坏系统设计慢电路，如图中MF72-5D30M热敏电阻系列三相电力线的电路图中，当电源接通时在图3-7主系统电路中所示，电容器是由热敏电阻充电，一旦电流流过通过热敏电阻的增加，热敏电阻温度升高时，电阻急剧下降，最后的效果相当于短路。3.6.5 泵能泄放电路 当电动机（包括负载）在高速旋转突然减速或停止，这将是一个现象“泵出”，如果不是泵浦抑制电压，以压力泵送增大沿，可以导致逆变器电路和整流电路滤波器电容器和其它装置具有过压的损害，所以，该系统可以被设计为泵泄放电路。泵可以辞退电路的滞后电路，采样电路的输入电压总线当电压总线达到700V，滞后电路生产低，控制系统，排放控制信号主管电源电路V7搭载泄放电阻下载完整而当母线电压低于640V时，高迟滞电路生产，放电电路停止放电。3.6 系统检测与保护电路设计3.6.1电流检测与电流保护 系统需要电动机电枢电流，回路电流来实现闭环控制的精确检测。此外，该系统也停止当前样品，用于过电流保护。该方法包括：检测一个电流取样电阻，电流传感器采样，采样和其他电流互感器，考虑美国Honeywell公司CSNE151-100电流传感器，0.5的电流传感器的精度，比响应时间线性更多更好0.2的所选择的系统是小于1s的，高达150kHz的带宽，-40+ 85的工作温度范围。采样滤波器流量传感器电路后，然后将它们发送到控制和保护电路，电流检测电路如图3-8所示。 图3-8 电流检测电路该系统使用一个比较值的过电流使匹配接收信号电流保护和过电流信号被发送到CPU进行处理，在过流时间的情况下阻断PWM母线电流样本的保护，保卫逆变器电路的作用IGBT模块。本系统过流保护值设置为65A。电路如图3-9所示。图3-9 保护电路3.6.2 角度位置（速度）检测 在系统中需要精准的检测电机转子的角度位置（速度），目前常用的检测方法分别有光电编码盘（绝对式和增量式）、旋转变压器及无位置传感器位置检测等方法，本系统采用光电增量型旋转编码器检测方法，选用欧姆龙编码器E6B2-CWZ6C模块。第4章 系统软件设计4.1 软件总体结构 当确定了硬件系统和设计后，系统的性能和可靠性在很大程度上取决于系统软件的优点，对于硬件电路相对来说，控制软件更加灵活，易于实现灵活的设计，具有高可靠性和通用性，合理的控制方式，控制策略和良好的控制算法将显著提高控制系统的性能。本章结合速度TMS320F28335，控制精度，充分发挥其要求更有利的电机控制整体设计，调度功能记录和良好的环境，以设计完整的控制系统软件，并充分考虑了设计空间设计和可操作性，控制并尝试提高系统的性能和功能。在设计过程中遵循模块化设计，主要项目为中心，重心中断服务例程中心和检查SVPWM，电流和电压的采样率（位）计算，控制器等程序分析和设计。这个系统DSP（TMS320F28335）为核心的控制系统中，DSP承担的大多数设计软件，充分分析本系统的实施所需的软件的功能的早期阶段的任务和计算机控制的主要实现速度闭环并计算环路电流和计算，SVPWM算法，PWM生成信号，信号处理和系统保护功能，使所有的软件可分为主程序和中断例程服务两部分，整个系统的软件总体结构如图 4-1 所示。图4-1 系统软件总体结构主程序负责DSP和各种功能模块，如定时器，GPIO等的初始化完成，并中断服务程序被分成中断计时器机动力中断保护。每次系统上电或时间复位，先进行程序初始化，DSP内部各功能模块的工作来设置和检测初始状态，然后破开，系统将执行主程序，主流程执行方案提供中断服务程序完成后，系统会执行满足条件立即终止服务程序。在这个系统中，驱动电源保护方案中断具有最高优先级的中断服务程序。4.2 主程序 主程序主要完成系统初始化和实现循环等待中断功能。系统在上电或复位后，程序会执行初始化子程序，主要完成对时钟模块、看门狗模块、PWM 模块、I/O、SCI、CAN、定时计数器以及中断等的初始化，还完成相关参数变量初始值设置。系统主程序流程图如图 4-2 所示。 图4-2 系统主程序流程图4.3 中断服务程序 当所有的初始化完成后，系统进入循环等待状态，然后运行控制软件程序服务中断当中断到来时，执行相应的程序中断服务，其中包括一个定时器中断驱动的削减国防预算的能量。4.3.1 定时器中断程序 定时器中断服务程序是领先的系统设计软件，间隔定时器中断由PWM频率决定，为10kHz的PWM系统的频率，周期为100s计时器中断，定时器中断服务程序，以实现以下功能：速度模块，主旋翼来计算实际速度和速度误差通过调节速度计算，调节器算法，得到一个交轴电流指令。 电流模块，主要对定子电流信息进行读取，并计算直轴和交轴电流误差，通过电流调节器得到直轴和交轴电压的给定。 SVPWM 模块，主要得到 PWM 控制脉冲的占空比，并对 PWM 输出寄存器定时计算和更新。定时器中断服务程序流程图如图4-3。图4-3 定时器中断服务程序流程图 4.3.2 功率驱动保护中断程序 当硬件电路的保护时，DSP将保护引脚TZ1接收信号设为低电平，从而产生驱动电源保护中断控制器停止工作和生产计数器和控制PWM脉冲，如图所示。保护驱动电源的中断服务程序流程，主传动断电保护如下：中断过流，过电流，一般是由于同一桥臂伸直，或由隔离降低电机电枢。过电压中断：总线过压，一般是由于交流输入电压过高或泵能排出电路出现故障，在发动机停止并且所述泵可通过反应而引起。功率驱动保护中断程序流程图如图4-4所示。 图4-4 功率驱动保护中断程序流程图4.3.3 SVPWM产生程序 这里只介绍在 DSP 中的软件实现。程序采用了七段式生成方案，根据系统及 IGBT 模块的参数要求，PWM 的载波频率按 10kHz 设定，且死区时间为 4s。使TMS320F28335 的定时器1工作在连续的增减计数模式，通过计算得到来产生 SVPWM。4.3.4 电流和电压采样程序 在第 3 章已经介绍了电流和电压检测，检测得到的电流和电压采样信号均为10V 范围，系统中通过DSP控制器实现 A/D 的转换DSP，ADC模块有12位的数据采集芯片，具有串行和并行模式下，适用于各种数字信号处理器的接口，它包括一个多路转换器，采样保持放大器，+2.5V基准电压源，ADC12的高速度和高速接口电路，具有八个模拟通道，每个通道具有过压保护。 1.4s时间取样，模数转换时间为1.6s，当只有一个信号采样信道，采样率高达500kbps，从采样八通道信号，62.5kbps的采样率，消耗低功率可以是串行或并行，也可以选择一个范围的输入信号的它非常适合于电机控制，数据采集系统和测试设备等应用。在本系统设计中，ADC设置为并行读取模式，通过软件方式选择采样通道和读取输出结果，并且考虑到 IGBT 开关对电流和电压采样会产生干扰，在软件中设计了低通滤波器，滤除系统的高频干扰信号。电流电压采样程序流程图如图4-5所示。图4-5 电流电压采样程序流程图4.3.5 速度计算程序 在第3章已经介绍了速度（位置）的检测方法，已经提到编码器处理芯片AM26LS32，而在电路设计中采用了串行读取方式，速度计算程序如图4-6所示。 图4-6 速度计算程序流程图4.4 PID调节及参数整定过程 试凑法就是通过是凑比例、积分和微分的参数关系来达到系统稳定输出温湿度信号的效果，进行闭环试验，然后观察该系统的响应曲线，再根据每个控制参数对该系统响应的一些影响，进行反复的试凑参数，达到对系统满意的响应，最后得到PID系统控制的参数，试凑法不是盲目的方法，是在控制理论指导的前提下进行的，在该课题中，当温湿度出现明显变化时，此时先是凑P参数，如果由于P参数调节过度造成系统不稳定，反正震荡，及温湿度输出信号处于波动状态，此时需要引入积分环节，即开始是凑I参数。以下是是试凑法的一些具体实施过程。 （1）整定系统的比例部分，把比例系数P由小变到大，同时观察系统温度变化的响应，直到能够获取超调量小而且反应快的响应曲线，如果系统的静差量小到该系统允许范围内，响应曲线则符合要求，那么只选用比例控制就可以，由此确定系统的比例系数P。 （2）如果温湿度在比例控制前提下静差满足不了设计的要求，则需要加入一个积分环节，系统参数整定时要先置积分时间量I为一个较大的值，并且将第一步整定后得到的比例系数P略微缩小（例如缩小到原值的0.8倍），然后缩小系统的积分时间，这样使得该系统温湿度调节信号能够准确输出的基础上，静差可以得到有效消除，在该过程中可以根据响应曲线来反复改变积分时间和比例系数，以得到满意的控制效果完成系统的整定参数。4.5 PID控制算法 PID 控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为： 4.8式中积分的上下限分别是0 和t 。因此它的传递函为: G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TIs)+TDs) 4.9其中kp为比例系数； TI为积分时间常数；TD为微分时间常数 比例KP 用来控制当前，误差值和一个表示比例的负常数P相乘，然后同预定量相加，P只有在系统误差和控制器输出成比例时才成立，KP可以快速的跟踪变化量，及时的产生与之相关的调节作用。但是是有差调节，无法消除静态误差。积分KI用来控制以前的量，误差量是过去的一段时间内的误差和，再乘一个负常数I后和预定值相加，预定值的平均误差和系统输出结果由I从过去的平均误差量来获取。只有一个简单的比例的系统会产生振荡，而且在预定值上下会来回变化，因此系统无法消除其多余的纠正，通过加上负的平均误差比例值，平均的系统误差量就会总是减少。因此最终这个PID控制器的回路系统会在其预定值附近定下来。微分KD用来控制将来，计算系统误差的一阶导，并且乘以一个负常数D，然后与预定值相加，这个导数值的控制会对该系统的改变作出相应的反应，导数结果越大，那么该控制系统对输出结果作出的反应就越快速。这个参数D也是PID成为可预测控制器的原因。参数D对减少控制器短期内的改变有很大的帮助。在一些实际中，速度较缓慢的系统可不需要参数D。 由于温度控制加热装置是一个具有大的延迟的执行机构，所以在PID 控制中不能加入积 分环节。否则会导致控制器调节输出效果震荡。所以该温度控制采用PD控制。同时加入一个一阶惯性 环节，构成不完全微分，给调节单元一个超前的调节。实际使用中，为了减少计算时间，将位置式PID转化为增量式。PID调节温湿度的具体程序如下所示。void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band) pid-pgain = p_gain; pid-igain = i_gain; pid-dgain = d_gain; pid-deadband = dead_band; pid-integral= integral_val; pid-last_error=0;总结自毕业设计开题以来，通过不断查找资料，设计机构方案，编写程序，分析问题，最后终于完成了该篇论文，定下了现在这个方案。在此份技术报告中，主要介绍了课题设计的基本思路，包括自动控制理论，电机逆变驱动电路，以及最重要的控制算法等内容。在电路方面，仔细查阅各个芯片的技术文档，对各个模块进行设计，保证电源模块、最小系统模块、传感器模块、电机逆变及IGBT驱动模块等稳定的运行，对其中的部分模块进行了升级。最后以报告中所提到的形式决定了最终的电路图。在控制算法方面，查阅了有关欠驱动系统、非线性系统、倒立摆系统等算法的相关资料，学习自动控制原理。最后根据调试经验以及数据积累，最终确定了基于非线性欠驱动系统的控制算法，加入了动态模糊PID的速度修正，并在软件中抑制系统零点自激振荡方面有了显著的效果。经过毕业设计这段时间，我受益匪浅，收获了很多课本上学不到的知识，提升了自己分析问题和解决问题的能力，在历时几个月的充分准备之后，我有信心顺利通过答辩。我的知识还不够丰富，考虑问题也不够全面，但是这份技术报告作为我在杜丽敏老师指导下几个月辛勤汗水来的结晶，随着该论文的完成，这份经验将永伴我们一生，成为我们最珍贵的回忆。致谢在杜丽敏老师的亲切关怀和耐心指导下我顺利的完成了本次的沦文，无论是从一开始的定题，收集资料再到撰写论文，修改最终定稿，我的导师杜丽敏女士都给了我无私的帮助在此向杜丽敏老师表示我诚挚的感谢，同时感谢所有的所有同学以及我的任课老师在这四年里给我的指导和帮助，是他们让我更好的接收和掌握了专业课知识，让我知道如何去学习，在此表示由衷的感谢。时光荏苒，大学生活即将结束我们也将走向社会开始新的征程，此次毕业论文是个值得回味的学习体验，感谢我亲爱的室友和同学要不是在你们的帮助下我也不能解决一个又一个的困难这么顺利的玩成这次毕业论文，在此感谢我亲爱的室友和同学们希望你们毕业后前程似锦。通过写毕业论文，自己系统的总结了大学四年所学的知识，将书本知识和实践相结合，这次撰写毕业论文也意味着大学生活即将结束马上又要开始新的学习和生活。杜丽敏老师是个十分负责任的老师，每天工作之余也不忘找我们到自动化教研室开会给我们讲解论文查看我们，论文进度。杜丽敏老师每天工作都十分忙但是他对工作却一点也不含糊，杜老师这种对工作一丝不苟的态度值得我们每个即将毕业走向工作岗位的同学习，杜丽敏老师确实是个优秀的老师，一个老师的责任不但是传道授业解惑，更是教会他的学生们如何做人如何去对待自己的生活和身边的朋友。即将走向工作岗位的我认为这次的毕业论文经历是个值得我以后回忆的一次经历因为这次毕业论文我收获了友情，还学会了对学术知识一定要本着一丝不苟的态度去做，最后再次感谢我们的杜老师在这个炎热的夏天给了我们帮助使我们不会在炎热的夏天感到烦躁，感到毕业论文带来的压力，谢谢杜丽敏老师我保证以后走向工作岗位一定将你这种兢兢业业的工作态度和一丝不苟的学术态度传承下去发扬光大。在临近毕业时i能够经历一次这么有意义的经历，我感觉我的大学生活已经圆满了，感谢大学生活中帮助我的老师和同学们，希望我们都前程似锦拥有一个美好的明天，不忘初衷，方得始终。参考文献1 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Vectorial torque control of permanent magnet AC(PMAC)machine drives in field weaking regionC.7th International Workshop on Adcanced Motion Control.2002:257-26214 Xuefang L S,Morel F,Retif J M.A new direct current control for a permanent magnet synchronous machineJ.Elecric Power Components and Systems,2008,36(9):897-913.15 李烨，永磁同步电机电机伺服系统研究现状及应用前景J.微电机,2001(4):30-32附录1/=/PID.h文件/=#ifndef PID_H#define PID_H#include C28x_FPU_FastRTS.h#define PID_DEBUG 1 /条件编译的判别条件/-/定义PID计算用到的结构体对象类型，在创建多个实例时，只需将变量声明为PID_FUNC类型即可/-typedef struct float Give; /输入：系统待调节量的给定值 float Feedback; /输入：系统待调节量的反馈值 /PID调节器部分 float Kp; /输入：对应式（15-53）中的Kp float Ti; /输入：对应式（15-53）中的Ti float Td; /输入：对应式（15-53）中的Td float T; /输入：离散化系统的采样周期 float a0; /输入：对应式（15-58）中的a0 float a1; /输入：对应式（15-58）中的a1 float a2; /输入：对应式（15-58）中的a2 float Ek; /中间变量：对应式（15-58）中的e(k) float Ek_1; /中间变量：对应式（15-58）中的e(k-1) float Ek_2; /中间变量：对应式（15-58）中的e(k-2) float OutMax; /输入：PID调节器的最大输出限幅 float OutMin; /输入：PID调节器的最小输出限幅 float Output; /输出：PID调节器的输出，对应式（15-58）中的u(k) float LastOutput; /中间变量：PID上一周期的输出值，对应式（15-58）中的u(k-1) void (*calc)();/ 函数指针：指向计算过程 PID_FUNC;/-/声明PID_FUNC_handle为CLARKE指针类型/-typedef PID_FUNC *PID_FUNC_handle;/-/定义PID调节器的初始值/-#define PID_FUNC_DEFAULTS 0,0, 0,0,0, 0.0002, 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0,0 (void (*)(Uint32)PIDfunc_calc /-/ 函数声明 /-void PIDfunc_calc(PID_FUNC_handle);#endif/=/End of file./=/=/PID.c文件/=