基于DSP的直流电机控制.doc

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1、基于DSP的直流电机控制摘要 DSP自20世纪80年代诞生以来，作为数字化最重要的技术之一，在其应用的广度和深度方面，正以前所未有的速度飞速发展。由于其具有独特的高速信号处理功能，又具有实时性强、功耗低、成本低。性能高等嵌入式微处理器的特点，因而其应用深入到工业领域、能源转换、通讯网络、航天航空、汽车电子、数字监控、电机控制等各个领域。 本文采用TMS320F2812芯片作为控制核心，在分析了直流电机驱动的要求以及直流电机的特点的基础上，设计了采用PWM控制的方案，同时依据该方案设计了硬件控制电路，使用CCS软件编写了控制程序。使用软件仿真，基本达到了预期的效果。关键词：DSP ，直流电机，P

2、WM，第一章 DSP芯片和ccs3.3软件简介1.1 DSP芯片简介 1.1.1 DSP芯片的发展及现状 数字信号处理（Digital Signal Processing,简称DSP）是一门涉及许多学科应用于许多领域的新兴学科，DSP有两种含义：Digital Signal Processing（数字信号处理），Digital Signal Processor（数字信号处理器）。我们常说的DSP指的是数字信号处理器，数字信号处理器是适合完成数字信号处理运算的处理器。DSP技术的发展经历了三个主要阶段：20世纪70年代、80年代和90年代，目前已发展到第五代产品。20世纪70年代的数字信号处理系

3、统由分立元件组成，包括部分处理器、线性电路模拟前端、A/D转换器、外围电路接口、组合电路及可编程逻辑阵列等。1978年，AMI公司宣布第一块DSP问世，但一般人认为，20世纪70年代以后推出的INTEL2920才是第一块具有独立结构的DSP，它实质上是用数字方式来对模拟信号进行处理的一个系统。进入20世纪80年代，随着数字信号处理技术和计算机应用范围扩大，迫切要求提高数字信号处理技术的处理速度，扩大实质性的应用范围，从而推动DSP的诞生和发展。1982年美国TI公司推出首块低成本高性能的DSP，使DSP技术向前跨出了意义重大的一步。20世纪90年代以来，数字信号处理技术得到了惊人的发展，这体现

4、在DSP的性能和指标不断提高，而价格却不断降低。同时，DSP得到了越来越广泛的应用，目前已成为许多新技术的主要推动力，其中包括通讯、多媒体系统消费电子和医用电子等。 如今，随着Internet网络的普及，多媒体技术得到了广泛应用，许多尖端的技术在逐渐向民用转移，数字技术大范围地应用在消费类电子产品中，这推动了DSP的不断更新换代，价格大幅度降低，同时，各种开发工具也日臻完善，从而使它成为最具有发展和应用前景的电子器件之一。 目前，全球DSP市场中主要的厂商包括：美国TI公司、Lucent、Motorola、ADI等公司。其中，TI公司位居榜首，在全球DSP市场的占有率为44%；Lucent公司

5、排名第二，占有率为22.8%；Motorola公司和ADI公司的占有率分别为13.2%和10.2%。还有很小一部分由Hitachi、NEC、和等公司占有。 我国对数字信号处理技术和产品的研究起步较早，基本上与国外同步。目前，全国已有部分科研单位和公司进行DSP研究，上百所高等学院从事数字信号处理技术的教学和科研。除了一些DSP处理器需要从国外进口之外，在信号处理和算法方面，与国外水平相等，而在信号处理和系统集成方面，正在进行与发达国家同样的研究。 从第一块DSP诞生以来，经过40多年的发展，DSP芯片已经取得了非常大的进步主要体现在以下几个方面： （1）制造工艺。目前的DSP芯片一般采用深亚微

6、米CMOS工艺制造，在不断降低功耗的基础上，单片上集成了更多的功能；另外，引脚数目不断增加，使芯片的灵活性得到提高。 (2)存储器容量。目前，DSP芯片的片内存储器具有多种类型，如ROM、Flash、EEPROM、DARAM、SARAM等。片内的数据和程序存储器可达上百千字；另外，芯片对片外程序和数据存储器的寻址能力也大大增强，最高可达320Gb。 （3）内部结构。目前DSP芯片内部广泛采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，使DSP的系统功能、数据处理能力以及外部设备的通信能力大大增强。 （4）处理速度。经过近40年的发展，DSP的指令周期已从最初的400ns减少到目前的

7、的10ns，芯片的运行速度提升到400MPIS（百万条指令每秒）以上。 （5）运算速度。现在，主流DSP芯片字长一般为16位、24位和32位，片内累加器等单元的长度也增加到了32位和40位，这些措施都为减少系统的误运算奠定了物质基础。 （6）开发工具。早期的DSP芯片由于开发工具的缺乏很难普及，20世纪90年代以后推出的DSP芯片，一般都配备有较为完善的软件和硬件开发工具，这些都为DSP系统的开发应用提供了很大方便。1.1.2 DSP芯片的特点 根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有的主要特点如下：（1） 在一个指令周期可以完成一次乘法和一次加法；（2） 程序和数据空间分开，可以同时访问指

8、令和数据；（3） 片内具有快速RAM，通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4） 具有低开销和无开销循环及跳转的硬件支持；（5） 快速的中断和硬件I/O支持；（6） 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；（7） 可以并行执行多个操作；（8） 支持流水线操作，使取指令、译码和执行等操作可以重叠执行；（9） 硬件配置功能强大，具有多通道高速缓冲串口MCBSP、并行主机接口HPI、DMA控制器、软件可编程等待状态发生器、锁相环PLL时钟发生器以及实现在线仿真的测试口。1. 哈佛结构 现代的DSP芯片内部一般采用哈佛结构或改进的哈佛结构，它不同于冯诺依曼结构。哈佛结构最大的特点是计算机具有独

9、立的数据存储空间和程序存储空间，既将数据和程序分别存储在不同的存储器中，每个存储器单独编址、独立访问。相应的，系统中具有独立的数据总线和程序总线，这样就允许CPU同时执行取指令（来自程序存储器）和取数据（来自数据存储器）操作，从而提高了数据吞吐率，提高了系统运算速度。哈佛结构的缺点是他的结构相对比较复杂。2. 专用的硬件乘法器 从数字信号处理的理论研究可知，在数字信号处理算法中，数量最多的运算类型是乘法和加法运算。在通用的微型处理器中，乘法一般由软件实现，需要多个指令周期来完成，这样就限制了数字信号处理算法的执行速度。在DSP芯片中，一般都有专用的硬件乘法器（一个或多个），使得一次或多次乘法运

10、算可以再一个指令周期内完成，从而极大提高了DSP芯片的运算能力和运算性能。3. 多处理单元 DSP内部一般都包含多个处理单元，如算术逻辑运算单元（ALU）、辅助寄存器运算单元（ARAU）、累加器（ACC）及硬件乘法器（MUL）等。他们可以在一个指令周期内同时进行运算。因此，DSP在进行连续的乘加运算时，每一次乘加运算都是单周期的。DSP这种多处理单元结构，特别适用于FIR和IIR滤波器。许多DSP的多处理单元结构还可以将一些特殊的算法，例如FFT的位码倒置寻址和取模运算等，在芯片内部用硬件实现以提高运行速度。4. 专用的寻址单元 DSP芯片面向的是数据密集型应用场合，伴随着频繁地数据访问，数据

11、地址的计算时间也线性增加，有时计算地址的时间比实际的算术操作时间还要长。例如，8086做一次加法需要3个周期，而计算一次地址却需要512个周期。因此，现代DSP芯片内一般都有支持地址运算的算术单元地址产生器。地址产生器与算术逻辑单元并行工作，因此，地址的计算不在额外占用CPU的计算时间。5. 指令系统的流水线操作 DSP芯片执行一条指令通常需要经过取指、译码、取操作数和执行等几个阶段。为了提高芯片的计算速度，现代的DSP芯片普遍采用流水线结构。也就是说，将一个任务分解为若干个子任务，在任务的连续执行过程中，这些子任务可相互重叠执行。DSP指令系统的流水线操作与其哈佛结构和内部的多总线相配合，增

12、强了CPU的处理能力，把指令周期减到最小值。 在流水线操作中，DSP芯片可同时并行处理24条指令，每条指令处于其执行过程中的不同阶段。利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理中用得最多的乘法累加运算可在单个指令周期内完成。6. 指令周期短 与传统的微处理器和微控制器相比，DSP芯片快速指令周期是一个明显的特征与优势。改进的哈佛结构、专用硬件乘法单元、流水线操作、多个功能单元的兵线处理、特殊的指令系统，在配合现在集成电路的优化设计工艺，从而使现代DSP芯片的单指令周期下降到50ns以下。7. 片内存储器 DSP算法的特点是需要大量的重复运算，其程序一般都比较小，存放在片内可以减

13、少指令的传输时间，并且有效缓解芯片外部总线接口的压力。片内除了程序存储器外，DSP芯片一般还集成了片内数据存储器，用于存放参数和数据。 片内存储器虽然不可能具有很大的容量，但是由于不存在访问外部存储器所带来的总线竞争和速度不匹配等问题，因此访问速度很快，可以多个存储器并行访问，缓解DSP芯片的数据瓶颈，充分利用芯片强大的处理能力。8. 硬件配置强 新一代的DSP接口功能愈来愈强，片内具有串行口、主机接口DMA控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时钟产生器以及实现在线仿真符合IEEE1149.1标准的测试访问口，更易于完成系统设计。许多DSP芯片都可以工作在省电模式，使系统功耗降低。 DSP

14、是一种特殊的微处理器，不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远远超过通用微处理器。其特殊的内部结构、强大的信息处理能力以及较高的运行速度，是DSP最重要的特点。 1.1.3 DSP芯片的性能指标评价 由于DSP芯片种类繁多，结构差距较大，不同厂商的产品指标甚至不具备可比性，因此，下述技术指标从不同的角度描述了DSP芯片的处理能力或技术性能。 衡量DSP芯片性能的评价指标主要集中在芯片运算速度上，用于评价芯片运算速度的指标主要由：（1） MIPS，百万条指令/秒。定点DSP芯片运算速度的衡量指标，系统设计应留有一定的裕量。（2） MOPS，百万次操作/秒。这里所指的操作包括CPU操作、地址计算、数

15、据访问和传输以及I/O操作等。（3） MFLOPS，百万次浮点操作/秒。浮点操作包括浮点乘法、加法、减法、存储等操作。（4） MAC时间，执行一次乘法和加法运算所花费的时间。大多数DSP可以在一个指令周期完成一次MAC运算。 除了上述评价指标外，DSP芯片的数据传输能力对DSP芯片的综合性能、处理能力都有明显的影响，衡量芯片数据传输能力的评价指标主要是Mb/s（百万位/秒）。通常指某个总线或I/O口的带宽，它是对总线或I/O口数据吞吐量的量度。1.1.4 TMS320F2812芯片部分功能简介1. TMS320F28X系列DSP芯片的特点 （1）采用高性能静态CMOS技术，I/O供电电压及Fl

16、ash编程电压为3.2V，内核供电电压降为1.8V（135MHz）或1.9V（150MHz），减小了控制器的功耗。150MI/S（百万条指令/秒）的执行速度使得指令周期减小到6.67ns（150MHz），从而提高了控制器的实时控制能力。 （2）支持JTAG接口。 （3）高性能32位CPU，采用哈佛总线结构，具有位双通道MAC（乘累加运算），可进行位和位MAC操作，而且不占用CPU时间，具有统一的存储模式，可以快速响应中断及进行中断处理；包括4M线性可寻址的程序空间和4M线性可寻址数据空间，用C/C+和汇编语言，代码效率高，并且与F24x/LF240x处理器源代码兼容。 （4）片内高达位的Fla

17、sh存储器，包括4个位和6个位的程序存储器、位的一次性的编程存储器、两个位的存储器M0和M1、两个位的存储器L0和L1、一个位的存储器H0。 （5）位的引导ROM具有软件引导模式和保存了标准的数学函数表。 （6）F2812的外部接口高达1MB的存储容量，有编程等待状态、读/写信号选通时序可编程及3个独立的片选信号。 （7）片内晶体整荡器，基于自动锁相环技术的时钟发生器和程序监视器。 （8）3个外部中断，外设中断允许（PIE）模块，支持45个外设中断。 （9）128位代码安全密码保护Flash/OTP以及L0/L1 SARAM，防止软硬件方法逆向获取代码。 （10）3个32位的CPU定时器。 （

18、11）两个事件管理器（EVA、EVB）可以进行电机控制，并且与F240x芯片兼容。 （12）包含串行外设接口（SPI）、两个串行通信端口（）既标准的UART、增强的区域控制器网（）及多通道缓冲串口（）。 （13）16通道的12位模数转换，既两个8通道的多路输入、两个采样保持器，有单个采样和同时采样两种模式，最快转换频率为80ns/12.5MSPS（每秒百万次采样）。 （14）多达56个独立可编程复用的通用I/O引脚（GPIO）。 （15）先进的仿真性能，分析和断点功能，可以通过硬件实时调试。 （16）开发工具包括ANSIC/C+编译器、汇编器、连接器，支持C24x/F240x指令，CCSIDE

19、，DSP/BIOS，JTAG接口，评估板及第三方的数字电机控制板。 （17）低电压低功耗工作模式，支持IDLE（空闲）、STANDBY（标准）及HALT（停止）模式，可单独停止各个外设模块的时钟。 （18）封装选项。179脚 BGA带外部存储接口（GHH和ZHH）（F2812），176脚扁平四方形封装（LQFP）带外部存储器接口（PGF）（F2812），128引脚LQFP封装不带外部存储器接口（PBK）（F2810）。 （19）环境温度范围。A：-4085，S/Q：-40125。1.1.5 DSP芯片封装图 1.2 CCS介绍1.2.1 CCS软件简介 代码调试器（Code Composer

20、Studio,简称CCS）是一个完整的DSP集成开发环境，包括编辑、编译、汇编、链接、软件模拟、调试等软件，是目前使用最为广泛的DSP开发软件之一。CCS具有两种工作模式：第一种是软件仿真器，既脱离DSP芯片，在PC上模拟DSP指令集与工作机制，主要用于前期预算和调试。第二种为软件开发板相结合在线编辑，既实时运行在DSP芯片上，可以在线编制和调试应用程序。CCS的开发系统主要由以下组建构成：（1） TMS320F28X集成代码产生工具；（2） CCS集成开发环境；（3） DSP/BIOS实时内核插件及其应用程序接口API；（4） 实时数据交换的RTDX插件以及相应的程序接口API；（5） 由T

21、I公司以外的第三方提供的各种应用模块插件。 CCS的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且还支持C/C+和汇编的混合编程，其主要功能如下： （1）具有集成可视化代码编辑界面，用户可通过其界面直接编写C、汇编、.cmd文件等； （2）含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化C编译器、连接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等功能集合到一个软件环境中； （3）高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，使用户容易阅读代码，发现语法错误； （4）工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。在生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类

22、管理； （5）基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能，并支持C源代码级调试； （6）断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置； （7）探测断点工具，可用于算法的仿真，数据的实时监控等； （8）分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和见识硬件的功能、评价代码执行的时钟； （9）数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示，包括显示时域/频域波形、眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新； （10）提供GEL工具，利用GEL扩展语言，用户可编写自己的控制面板/菜单，设置GEL菜单选项，方便只管地修改变量，配置参数等； （11）支持

23、多DSP的调试； （12）支持RTDX技术，可以再不中断目标系统运行的情况下，实现DSP与其他应用程序的数据交换； （13）提供DSP/BIOS工具，增强对代码的实时分析能力。第二章 直流电机的工作原理2.1 直流电机的发展史和现状 2.1.1 直流电机的发展史 现代社会中，电能是使用最广泛的一种能源。这是因为电能在生产、传输、分配、转换、控制和管理等方面都非常方便。 电能在使用和生产中，电机起着重要的作用。从能量转换的角度来看，把机械能转换为电能的电机为发电机；反过来，把电能转换为机械能的的电机为电动机。 直流电动机的发展经历了以下几个阶段： 1821年9月法拉第进行水银杯转动实验，首次利用

24、电流磁效应将电能转换为旋转运动的机械能。 1822年巴洛制成巴罗星型轮电动机。 1823年斯特金制成圆盘式直流电动机。 1831年亨利引入“电动机”（electricmotor）这个名词，提出了制造电动机的设想，并预言电动机将有广泛的运用前景。同年，亨利制成首台摆动式直流电动机。 1832年斯特金制成首台带转换器的直流电动机。 1833年里奇发明旋转电磁针。同年他制成首台旋转直流电动机。里奇电动机已具有现代旋转电动机的雏形。 1834年达文波特制成一台直流电动机，并尝试用直流电动机作为原动机，驱动轮子前进，创造了直流电动机应用的先河。 1837年达文波特的直流电动机发明获得美国专利（No.13

25、2）。这是人类历史上第一个电机专利。 1839年雅克比进行电动轮船实验。这是人类历史上第一次电动机实际应用的大型实验，打开了电动机应用的大门。2.1.2 直流电机的发展现状 电动机是一种实现电能与机械能转换的电磁装置。它是随着生产力的发展而发展的，反过来。电动机的发展也推动了社会生产力的不断提高，从十九世纪末期起，电动机就开始逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，经过一个多世纪的发展，虽然电动机的基本结构没有太多的变化，但是却增加了许多其他类型的电动机，在运行性能，经济指标等方面有了很大的进步和提高，同时随着自动控制技术和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出了许多种类的控制

26、电动机。控制电动机具有可靠性高、精确度高、响应速度快等特点。在现代工业的生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械，拖动各种生产机械工作。由于电力拖动具有控制简单、调节性能好、损耗小、经济、能实现远距离控制和自动控制等一系列的优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。2.2 直流电机的用途和工作原理 2.2.1 直流电机的结构直流电机在结构上主要由两部分构成：静止部分，既定子；旋转部分，既转子或电枢。定子和转子之间留有一定的间隙，称为气隙。其结构图如图2-1所示。图2-1 直流电机的结构图定子部分 定子部分主要包括有机座、主磁极、换向级和电刷装置等。 一般直流电机都使用整体机座

27、。所谓整体机座就是一个机座同时起着两方面的作用：一方面起导磁的作用；一方面起机械支撑作用。由于机座要起导磁的作用，所以它是主磁极的一部分，叫定子磁轭，一般多用导磁较好的铸钢材料制成，在小型直流电机中也有用厚钢板的。主磁极、换向极遗迹两个端盖都固定在电机的机座上，所以机座又起了机械支撑的作用。 主磁极又叫主极，其作用是在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密。绝大多数直流电机的主磁极都是由直流电流来励磁的，所以主磁极上海应装有励磁线圈。只有小直流电机的主磁极才用永久磁铁，这种电机叫永磁直流电机。 励磁线圈有两种，既并励和串励。并励线圈的导线细，匝数多；串励线圈的导线粗，匝数少。磁极上的

28、格励磁线圈分别可以连成并励绕组和串励绕组。 换向极的形状比主磁极的简单，一般用整块钢板制成。换向极的外面套有换向极绕组。由于换向极绕组里流的是电枢电流，所以其导线截面积较大，匝数较少。 电刷的作用可以把电机转动部分的电流引出到静止的电路，或者反过来把静止电路里的电流引入到旋转电路里。电刷装置与换向器配合才能使交流电机获得直流电机的效果。电刷放在电刷盒里，用弹簧压紧在换向器上，电刷上有个铜辫，可以引入、引出电流。直流电机里，常常把若干个电刷盒装在同一个绝缘的刷杆上，在电路连接上，把同一个绝缘刷杆上的电刷盒并联起来，成为一组电刷。一般直流电机中，电刷组的数目可以用点刷杆数表示，刷杆数与电机的主极数

29、相等。各点刷杆在换向器外表面上沿圆周方向均匀分布，正常运行时，点刷杆相对于换向器表面有一个正确的位置，如果电刷杆位置放得不正确，将直接影响电机的性能。 . 转子部分 直流电机转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承等。 电枢铁心是直流电机主磁路的一部分。当电枢转动时，铁心中磁通方向发生变化，会在铁心中引起涡流与磁滞损耗。为了减小这部分损耗，通常用0.5mm厚的低硅硅钢片或冷轧钢片冲成一定形状的冲片，然后把这些冲片两面涂上漆在叠装起来，成为电枢铁心，安装在转轴上。电枢铁心沿圆周上有均匀分布的槽，里面可嵌入电枢绕组。 用包有绝缘的导线绕制成一个个电枢线圈，线圈也称元件，每个元件有两

30、个出线端。电枢线圈嵌入电枢铁心的槽中，每个元件的两个出线端都与换向器的换向片相连，连接时都有一定的规律，构成电枢绕组。 换向器安装在转轴上，主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间都是绝缘片。换向片数与元件数相等。转子上还有轴承和风扇。 图2-2为直流电机电枢装配示意图。 图2-2 直流电机电枢 .端盖 端盖把转子和定子连为一个整体，两个端盖分别固定在定子机座的两端，并支撑着转子。端盖还起保护作用。另外，点刷杆也固定在端盖上。 2.2.2 直流电机的用途 电机是机械工业的一个重要组成部分，电机是机电一体化中机和电的结合部分，是机电一体化的一个很重要的基础，电机可称为电气化的心脏。在机械、冶

31、金、化工等工业企业中，大量应用电动机吧电能转换为机械能，从而拖动机床、起重机、轧钢机、电铲、抽水机、鼓风机等各种生产机械。在现代化农业生产中，电力排灌、播种、收割等农用机械都需要不同的电动机去拖动。在交通运输行业中，电车、地铁、电动自行车、电梯、飞机、轮船等也需要各种电动机。在医疗器械及家用电器中也离不开功能各异的小功率电动机。在工业、航天和国防科学等领域的自动控制技术中，各式各样小巧灵敏的控制电机被广泛的作为检测、放大、执行和结算元件。2.2.3 直流电机的基本工作原理 直流电动机的工作原理是基于安培定律的。若均匀磁场与导体相互垂直，且导体中通以电流，则作用于载流导体上的安培力或电磁力为 （

32、2-1）式中：导体的有效长度（m）； 导体中的电流（A）； 导体所受的电磁力（N）。 由式（2-1）可知，对于长度一定的导体来说，所受的电磁力大小由导体所在处的磁感应强度和流过导体的电流大小所决定的，而电磁力的方向可由左手定则来确定。 如果在图2-3（甲）、（乙）中去除原动机和电刷两端所接的负载，在A、B两电刷之间施加一直流电源，就成为一台最简单的直流电动机，如图2-3所示。 图2-3 直流电动机的工作原理图 （甲）ab边在N极下、cd边在S极下的电流方向；（乙）转子转过180后的电流方向 如图2-3（甲）所示，当边在N极下、边在S极下，电流从电刷A、换向片1、线圈边和，最后经换向片2及电刷B

33、回到电源负极时，线圈中的电流方向为。根据左手定则可知，此瞬间导体所受电磁力向左，导体所受电磁力向右，这样就在线圈上产生一个转矩，称为电磁转矩，使电枢沿逆时针方向旋转。当电枢转过180之后，如图2-3（乙）所示，此时电流流经的途径是通过电刷A、换向片2、线圈边和，最后经过换向片1及电刷B回到电源负极。线圈中的电流方向为。因此线圈中的电流改变了方向，但这时两个线圈边所受电磁力的方向仍使电枢沿逆时针方向旋转。综上所述可知，不论是直流发电机还是直流电动机，换向器可以使正电刷A始终与经过N极下的导体相连，负电刷B始终与经过S极下的导体相连，故电刷之间的电压是直流电，而线圈内部的电流则是交流电流，所以换向

34、器是直流电机中换向的关键部件。通过换向器和电刷的共同作用，把直流发电机线圈中的交变电动势整流成电刷间的方向不变的直流电动势；把直流发电机电刷间的直流电流变成线圈内的交变电流，以确保电动机沿恒定方向旋转。 2.2.4 直流电机的调速原理 1. 调速的性能指标是决定电动机选择哪一种调速方法的依据，主要性能指标又三个方面。(1) 调速范围与静差率 调速范围是指电动机在额定负载转矩调速时，其最高转速与最低转速之比，用表示，时，（2-2）最高转速受到电动机换向及机械强度限制，最低转速受到生产机械对转速相对稳定性要求的限制。 静差率或转速变化率，是指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率，用表示，时，（

35、2-3）静差率越小，转速的相对稳定性就越好，负载波动时，转速变化也小。从式（2-3）可以看出，静差率与以下两个因素有关。A. 当一定时，机械特性越硬。额定转矩时的转速降落越小，静差率越小。图2-4中分别画出他励直流电动机的固有特性与电枢串电阻的一条人为特性。当时，固有机械特性上转速降落为，比较小；而人为机械特性上转速降落为。因此，两条机械特性的静差率不一样大，固有特性上的较小，而电枢串电阻的机械特性上较大。如果在电枢串电阻调速时，所串电阻最大的一条人为机械特性上对应的静差率满足要求时，其他各条特性上对应的静差率便能满足要求。这条串电阻值最大的机械特性上时的转速，就是串电阻调速是的最低转速，而电

36、动机的是最高转速。B. 机械特性硬度一定时，理想空载转速越高，越小。图2-5中分别画出他励直流电动机的固有特性与一条降低电源电压调速时的人为特性。当时，两条特性的转速降落都是，但是固有特性比人为特性上的理想空载转速高，既，这样，两条特性对应的静差率不同，降低人为特性上的大，固有特性上小。因此，在降低电源电压调速时，电压最低的一条人为机械特性对应静差率满足要求时，其他各条机械特性上的静差率就同时满足要求。这条电枢电压最低的人为机械特性上时的转速，即为调速时的最低转速，而则为最高转速。（2）调速的平滑性 无极调速的平滑性最好，有级调速的平滑性用平滑系数表示，其定义为，相邻两级转速中，高一级转速与低

37、一级转速之比，既越小，调速越平滑。无极调速中，。（3）调速的经济性 调速的经济性主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用等。 调速时电能的损耗不仅要考了电动机本身的损耗外，还要考虑电源的效率。2. 他励直流电动机的调速方法 （1）电枢串电阻调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及磁通为额定值不变，在电枢回路中串入不同的电阻时，电动机将运行于不同的转速，如图2-6所示。 该图中，负载是恒转矩负载。比如原来没有串电阻时，工作点为A，转速为n，电枢中串入电阻后，工作点就变为了，转速降低为。电机从运行的物理过程，与关于稳定运行中分析的过渡过程是相似的。电枢中串入的电阻若加

38、大为，工作点变为，转速则进一步下降为。显然，串入电枢回路的电阻值越大，电动机运行的转速越低。通常把电动机运行于固有机械特性上的转速成为基速，那么电枢回路串电阻调速的方法，其调速方向只能是从基速往下调。这里的调速方向并不是说串电阻调速时只能是逐渐加大电阻值而使转速逐渐减小，其实调速也可以是在较低的转速逐渐减小电枢串入的电阻值，使转速逐渐提高。所谓的调速方向，是指调速的结果，其转速与基速比较而言，只要电枢回路串入电阻，无论串入多大的电阻值，电机运行的转速都比不串电阻运行在基速上要低，就称之为调速方向是从基速往下调。 电枢回路串电阻调速时，如果拖动恒转矩负载，电动机运行在不同的转速n，或上时，电动机

39、电枢电流的大小会变化吗？简单分析一下。 电磁转矩稳定运行时电枢电流因此，为常数时，也为常数，如果，那么，既与电动机的转速n是无关的。 电枢回路串电阻调速时，所串的调速电阻，等通过很大的电枢电流，会产生很大的损耗，等，转速越低，损耗就越大。 电枢回路串电阻的人为机械特性，是一组过理想空载点的直线，串入的调速电阻越大，机械特性越软。在低速运行时，不大的负载变动，就会引起转速较大的变化，既转速的稳定性很差。 由于较大，调速电阻的容量也比较大，而且体积大，不容易做到电阻值连续调节，因而电动机转速也不能连续调节，一般多分为六级。 尽管电枢串电阻调速所需要的设备简单，但由于上述功率损耗较大，低速运行时不稳

40、定，不能连续调速等缺点，只适用于调速性能要求不高的中、小型电动机上，大容量的电动机则不采用。（2） 降低电源电压调速 保持他励直流电动机磁通为额定值，电枢回路不串电阻，降低电枢电压时，电动机拖动着负载运行于不同的转速，如图2-7所示。 该图中所示的负载为恒转矩负载，当电源电压为额定值时，工作点为A，转速为n；电压降到，工作点为，转速为；电压为，工作点为，转速为；电源电压越低，转速也越低，调速方向也是从基速往下调。 降低电源电压调速时，如果拖动恒转矩负载，电动机运行于不同的转速上时，电动机电枢电流也是不变的，这是因为电磁转矩稳定运行时电枢电流因此，=常数时，=常数，如果，则，与电动机转速无关。

41、降低电源电压，电动机机械特性的硬度不变。低速运行时，转速随负载变化的幅度较小，转速稳定性也较好。 当电源电压连续变化时，转速也连续变化，称为无极调速。与串电阻调速（有级调速）相比其速度调节要平滑的多，因此，降低电源电压的调速方法被广泛使用。（3） 弱磁调速 保持他励直流电动机电源电压不变，电枢回路也不串电阻，在电动机拖动的负载不过分大时，降低他励直流电动机的磁通，可以使电动机的转速提高。图2-8所示为他励直流电动机带恒转矩负载是，弱磁升速的机械特性。 弱磁调速是从基速往上调的方法。 他励直流电动机带负载运行时，励磁电流与电枢电流相比要小的多。因此，调速时，励磁回路所串电阻消耗的功率较小，控制方

42、便。连续调节奇异电阻值，即可实现无极调速。 弱磁升速中，最高转速受换向能力和其机械强度限制，一般电机以不超过1.2为宜。 改变磁通调速时，不论在什么转速上运行，电动机的转速与转矩都为电动机的电磁功率为 如果电动机拖动的是恒功率负载时，既则有若负载功率大小为电动机额定功率，电动机电枢电流。 他励直流电动机电力拖动系统中，广泛地采用降低电源电压向下调速及弱磁向上调速的双向调速方法。这样，可以得到很宽的调速范围，可以再调速范围之内的任何需要的转速上运行，而且调速时的损耗较小，运行效率较高，能很好地满足各种生产机械对调速的要求。（4） 恒转矩调速与恒功率调速 电机的体积大小、转动部分的机械强度、换向能

43、力、绝缘材料耐温能力以及运行效率等，都是根据其额定值设计的。常规电机带额定负载长期运行，除了轴承等薄弱环节外，从绝缘耐温角度考虑，应能保证电机有1020年的运行寿命。这就是说，额定运行是电机的最佳运行方式。 当直流电动机调速运行时，不管转速是多少，如果保持其电枢电流和每极磁通都为额定值，既对应的电磁转矩为额定值，既成为恒转矩调速。 恒转矩调速，不论在任何转速下，其铜损耗和铁损耗都与额定转速时的一样大。 直流电动机调速时，也可以保持电枢电流为额定值，采用弱磁升速。这种情况下，电磁转矩相应减小，但是电机的转速升高。在弱磁调速中保持电磁功率不变，称为恒功率调速。 以上介绍恒转矩、恒功率调速，仅说明直

44、流电动机具有的能力。在实际运行中，还应根据负载特性进行调速控制。2.2.5 直流电机的数学模型 第三章 硬件电路设计3.1 供电电源模块 电源是一个控制系统能够可靠运行的最基本的条件，而供电质量的好坏则直接影响到控制系统运行的稳定性。本次设计的控制系统需要的电源有两类：一类是要为直流电动机功率驱动电路这一部分所要的电源，另外一类是要为控制系统中的DSP芯片这一部分供电。 供电系统中功率驱动电路这一部分的电源又可以细分为：为电机本体所提供的电源、为驱动电路所提供的电源以及为光耦提供的电源。本系统中，对于电机本体所需的电源采用220V交流电整流滤波变压后得到，而对于前置驱动电路与光偶所需要的电源，

45、均采用24V或15V直流稳压电源直接提供。功率驱动部分的电源电路如图3-1和3-2所示。 控制芯片部分所需要的电源主要是提供给DSP芯片的，因为TMS320F2812芯片采用低压供电，内核电压是1.8V，I/O和Flash编程电压是3.3V，而驱动电路系统已经得到5V电源电压，所以要使芯片正常稳定工作，只需要解决5V到3.3V和1.8V电平的转换，电平的转换通常有3中方法：（1） 采取元器件分压 在硬件电路上串并接电阻、电容、二极管等元器件来达到分压的目的。这种方法虽然简单，但是通过元器件分压得到的电压不稳定，随负载变化有较大的波动，并且硬件电路功率消耗较大。（2） 采取电源转换模式 目前一些

46、大公司生产和推出了基于开关电源技术的低电压输出电源模块。这些模块的可靠性和效率都很高，电磁辐射小，而且许多模块可以实现电源隔离。使用非常方便。（3） 利用线性稳压电源转换芯片 线性稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片，基本上不需要外围元件。但是传统的线性稳压器都需要输入电压比输出电压高23V以上，否则不能正常工作，为了解决这个问题，许多电源公司生产推出了低压差线性稳压器（LDO）。 3.2 驱动模块 功率驱动单元是对来自DSP控制器的PWM信号进行功率放大后动给直流电动机的电枢两端，驱动电机与负载。 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。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PWM）控制方式已成为绝对的主流。 PWM（Pulse Width Modulation）控制脉宽调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。