基于TMS2812直流电机设计.docx
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基于TMS2812直流电机设计
摘要
直流电机是最常见的一种电机,与交流电机相比,直流电机结构复杂,成本低,运行维护困难但是直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转知和过载能力强等许多优点。
本文是对直流电机PWM调速器设计的研究,主要实现对电机的控制。
利用DSP芯片实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作,并实现电路的仿真。
TMS320F2812是控制电路的核心,为一款最新的电机控制专用DSP芯片,它是使用32位内核的DSP,运行速度可达150MIPS,实时处理能力强,能应用于很多复杂的控制算法设计的整个控制系统,在硬件结构上采用了大量的集成电路模块,大大简化了硬件电路,提高了系统的稳定性和可靠性,使整个系统的性能得到提高。
为实现系统的微机控制,在设计中,将DSP作为整个控制系统的控制电路的核心部分,配以各种显示、驱动模块,实现对电动机转速参数的显示和测量;由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。
关键词:
直流电机;PWM调速;TMS320F2812;正反转控制
目录
第一章概述4
1.1工程训练的目的4
1.2工程训练的要求4
第二章方案的选择与确定5
2.1设计思路5
2.2基本原理5
2.3总体设计框图5
第三章直流电机单元电路设计与分析7
3.1总电路图7
3.2总电路功能介绍7
3.3直流电机驱动模块7
3.4直流电机的中断键盘控制模块9
第四章软件设计12
4.1软件流程图12
4.2源程序设计12
第五章PCB绘制与电路板制作14
5.1PCB板的制作流程图14
5.2生成PCB图及制版14
第六章功能的实现与测试报告15
总结16
参考文献资料16
第一章概述
1.1工程训练的目的:
(1)通过直流电机PWM控制系统实现直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转,并且可以调整电机的转速。
(2)学习直流电机的控制原理和控制方法。
(3)学习用C语言编制中断程序,控制F2812DSP通用I/O管脚产生不同占空比的PWM信号。
(4)通过C语言编程控制控制I/O管脚产生不同占空比的PWM信号。
1.2工程训练的要求:
本课程设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。
并实现电路的仿真。
为实现系统的微机控制,在设计中,将DSP作为整个控制系统的控制电路的核心部分,配以各种显示、驱动模块,实现对电动机转速参数的显示和测量;由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入,单片机在程序控制下,不断给光电隔离电路发送PWM波形,H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中,采用PWM调速方式,通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压,进而实现对电动机的调速。
(1)通过直流电机PWM控制系统实现直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转,并且可以调整电机的转速。
(2)、电路图设计标准、完全;
(3)、元器件安装规范,焊接到位,外观优美;
第二章方案的选择与确定
2.1设计思路
方案说明:
通过C语言编程改变pwm波的占空比,将此pwm波从I/O口输出到直流电动机,从而改变其转速,通过引脚上给出高电平或低电平和逻辑电路来控制直流电机的方向。
单片机在程序控制下,定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形,H型驱动电路完成电机正,反转控制;
2.2基本原理
2.2.1TMS320F2812DSP的McBSP引脚
通过设置PWM11和PWM5的工作方式和状态,可以实现将它们当成通用I/O引脚使用。
2.2.2直流电机控制
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器件的不断出现,使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(PulsWidthModulation,简称PWM)控制方式已成为绝对主流。
2.2.3PWM调压调速原理
对于直流电机来说,如果加在电枢两端的电压为2.3所示的脉动电流压(要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数),可以看出,在T不变的情况下,改变T1和T2宽度,得到的电压将发生变化,下面对这一变化进一步推导。
图2.3施加在电枢两端的脉动电压
设电机接全电压U时,其转速最大为Vmax。
若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T,则电枢的平均电压为:
U平=U·D……………………………………………式1.4
由式1.3得到:
n=Ea/CeΦ≈U·D/CeΦ=KD;
在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CeΦ,是常数。
图2.4占空比与电机转速的关系
由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系(图中实线),原因是电枢本身有电阻,不过一般直流电机的内阻较小,可以近视为线性关系。
由此可见,改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成,这就是直流电机PWM调速原理。
2.3总体设计框图
VCC
DIR
PWM
BRACK
VM
双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点:
1)电动机能在四象限运行。
2)电流一定连续,波形没有断点。
3)电机在低速时平稳性好,每个开关元器件的驱动脉冲仍然较宽,有利于保证器件的可靠导通。
误导通的几率低,不会使功率器件直通。
4)电动机在停I}:
的时侯有微震电流,能消除静摩擦死区。
第三章直流电动机单元电路设计与分析
3.1总电路图
3.2总电路功能介绍
主体电路:
即直流电机PWM控制模块。
这部分电路主要由单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转,并且可以调整电机的转速,还可以方便的读出电机转速的大小和了解电
机的转向,能够很方便的实现电机的智能控制。
其间,还包括直流电机的直接清零、启动(置数)、暂停、连续功能。
其间是通过单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到TMS2812来控制直流电机工作的。
该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成:
设计输入部分:
这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。
设计控制部分:
主要由单片机的外部中断扩展电路组成。
直流电机PWM控制实现部分:
主要由一些二极管、电机和直流电机驱动模块组成。
3.3直流电动机驱动模块
主要由一些二极管、电机和直流电机驱动模块(内含CMOSS管、三太门等)组成。
现在介绍下直流电机的运行原理
3.3.1直流电机类型
直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类,其中根据直流电机的用途可分为以下几种:
直流发电机(将机械能转化为直流电能)、直流电动机(将直流电能转化为机械能)、直流测速发电机(将机械信号转换为电信号)、直流伺服电动机(将控制信号转换为机械信号)。
下面以直流电动机作为研究对象。
3.3.2直流电机结构
直流电机由定子和转子两部分组成。
在定子上装有磁极(电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供),其转子由硅钢片叠压而成,转子外圆有槽,槽内嵌有电枢绕组,绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2.1所示。
图2.1直流电动机结构
3.3.3直流电机工作原理
直流电机电路模型如图2.2所示,磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体,圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。
当线圈中流过电流时,线圈受到电磁力作用,从而产生旋转。
根据左手定则可知,当流过线圈中电流改变方向时,线圈的受方向也将改变,因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。
图2.2直流电动机电路模型
3.3.4直流电动机硬件原理图
3.4直流电机的中断键盘控制模块
3.4.1外部中断设置
(1)外部中断允许设置
中断控制寄存器IE的EX0对应INT0,EX1对应INT1,EA为中断的总开关,若要开放外部中断,只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。
如:
开放外部中断0的设置:
SETBEX0
SETBEA
开放外部中断0和1的设置:
SETBEX0
SETBEX1
SETBEA
(2)外部中断触发方式设置
单片机外部中断有两种触发方式,一种是电平触发方式,另一种是脉冲触发方式,单片机外部中断触发方式与TCON的IT位有关。
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
电平触发设置方法:
CLRITX,为低电平触发方式。
脉冲触发设置方法:
SETBITX=1,为脉冲下降沿触发方式。
在使用外部中断时,如果不进行设置,则为电平触发方式。
(3)外部优先级设置
外部中断IN0、INT1的中断优先级的设置是通过设置IP寄存器实现的,IP的PX0对应INT0,PX1对应INT1。
PX置1为高级中断,PX为0为低级中断。
×
×
×
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
3.4.2外部中断扩展方法
在图3.3为外部中断扩展方法,设X1、X2、X3、X4、X5为外部警情信号,X1代表是加速信号,X1=0表示加速;X2代表减速信号,X2=0表示减速;X3代表正转信号,X3=0表示正转;X4代表反转信号,X4=0表示反转;X5代表停止信号,X5=0表示停止处理。
图3.3外部中断扩展电路
当系统检测到有中断请求时,响应如下中断服务流程图3.4。
图3.4中断服务流程
第四章软件设计
4.1软件流程图
4.2源程序设计
现单独列举控制PWM的控制程序
#include"DSP28_Device.h"
voidInitEv(void)
{
EALLOW;
GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x00ff;
EDIS;
EvaRegs.GPTCONA.all=0x1879;
EvaRegs.T1CNT=0;
EvaRegs.T1CON.all=0x1f42;
EvaRegs.T1PR=0x7fff;
EvaRegs.T1CMPR=0x3fff;
EvaRegs.T2CNT=0;
EvaRegs.T2CON.all=0x1fC3;
EvaRegs.T2PR=0x7fff;
EvaRegs.T2CMPR=0x3fff;
}
如程序,EvaRegs.T1CNT=0;将定时器1计数器清零;EvaRegs.T1CON.all=0x1f42;让TMODE=连续递增/递减计数,定时器使能,计数器使能;EvaRegs.T1PR=0x7fff;定时器1周期为0x7fff;EvaRegs.T1CMPR=0x3fff;定义赋值定时器1比较器。
同理,接下来的程序就是对定时器2定义。
改变电机转向转速时,只要改变T1CMPR1和T2CMPR的值就行,如程序,现在每个定时器比较器的值都为0x3fff,这个时候电机就停转。
如果想正转,就将T1CMPR1的值改大,T1CMPR2的值改小,但一定要保持两者之和为周期T的值0x7fff,因为是互补的。
例如T1CMPR1改为0x7ff0,T2CMPR改为0x000f,反转同理。
第五章PCB板的绘制与电路板的制作
5.1PCB板的制作流程图
设计绘制原理图→导成PCB图→打印输出(热转印纸)↓
金属焊盘钻孔←腐蚀(留下电子线路)←利用热转印法将PCB图转到敷铜板
↓
焊接安装元器件→调试→成品
5.2生成PCB图及制板
第六章功能的实现与测试报告
每个模块做好以后,就可以调用程序(直流电动机驱动模块程序已编写好)来调试功能,如果能正常运行那就说明模块做的是正确的,相反,如不能正常实现功能就必须找出其中存在的错误原因。
要么是硬件电路错误,要么就是软件调用不当或是I/O口设定存在问题,因此在调试过程中必须仔细,对每一部分加以完善。
最重要的是对其整体的调试,因此要对其内部地址进行分配,中断也要集中编写完善,主程序编写相对复杂,所以要先把电机驱动弄好之后让电动机转动起来再添加调速部分。
添加键盘程序,使其能设定电机转速和方向。
根据串行口调试工具能很好的实现实验设计要求。
通过PWM控制使电动机能够正转反转,并实现加速减速的功能。
最后,调试成功,交作品。
总结
两周的工程训练,这次工程训练我们主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作,并实现电路的仿真。
通过这次对TMS2812的直流电动机控制的设计与制作过程,加强了我们动手、思考和解决问题的能力,也对TMS2812芯片有了更进一步的了解。
在设计中,采用PWM调速方式,通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压,进而实现对电动机的调速。
为实现系统的微机控制,在设计中,将DSP作为整个控制系统的控制电路的核心部分,配以各种显示、驱动模块,实现对电动机转速参数的显示和测量;由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。
设计的整个控制系统,在硬件结构上采用了大量的集成电路模块,大大简化了硬件电路,提高了系统的稳定性和可靠性,使整个系统的性能得到提高。
在这次工程训练中,也遇到了一些困难,特别是在程序编写的过程中,由于对PWM调速方式没有更深的了解,在编写程序时就有了阻碍。
通过这次工程训练使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
这次工程训练能够顺利完成,是离不开老师的辛勤指导和同学们的热情帮助。
在设计中遇到了很多专业知识问题,最后在老师的耐心教导下,问题一一解决。
同时,在老师的身上我们学也到很多实用的知识,在次我们表示感谢!
同时,对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢!
[参考文献]
[1]赵全利、肖兴达等.单片机原理及应用教程(第二版)[M].北京:
北京机械工业出版社,2007.7
[2]熊年禄.数字电路[M].北京:
北京邮电大学出版社,2010.6
[3]康华光.模拟电子技术基础(第五版)[M].北京:
高等教育出版社,2006
[4]TMS320F2812开发板PWM示例程序
[5]TechV5509程序综合示例程序(AM176220)
工程训练成绩评定表
专业:
班级:
学号:
姓名:
项目名称
基于TMS320F2812的直流电动机控制设计与制作
设计任务与要求
作品需达到下列要求:
(1)电机要求能正反转,电机转速可通过PWM控制;
(2)、电路图设计标准、完全;
(3)、元器件安装规范,焊接到位,外观优美;
(4)、其它扩展功能,同学自由发挥,可另外加分。
指导教师评语
建议成绩:
指导教师:
教研组评定意见
评定成绩:
负责人:
时间:
年月日
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