基于ARM的PWM直流调速系统的研究.docx
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基于ARM的PWM直流调速系统的研究
【论文摘要】
基于ARM的PWM直流调速系统的研究
文亚凤
(华北电力大学电气与电子工程学院,北京,102206)
摘要:
本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速,整个系统采用了转速、电流双闭环控制结构。
系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥双极式电路为功率放大电路的结构,即可完成不可逆调速同时也可完可逆调速。
PWM调制部分是在ARM嵌入式开发平台之上,运用C语言编程控制S3C2410X芯片的定时器来产生两路互补的宽度可调的矩形波。
通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间,以达到调节电机速度的目的。
增加了系统的灵活性和精确性,使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。
关键字:
双闭环系统,脉冲宽度调制,ARM嵌入式系统,S3C2410X芯片
PWMmotorspeedcontrolsystemBasedonARM
WenYafeng
School.ofElectricandElectronicalEngineering,,NCEPU(BJ)102206
Abstract:
ThePWMmotorspeedcontrolsysteminmyprojectisdesignedwiththemodeofvoltagecontrol,andtheentiresystemisbasedonthedoubleClosed-Loopstructure.ThemaincircuitofthesystemismadeupoflargepowerGTRwhichisusedasswitchandbipolarH-bridgecircuitwhichisusedaspoweramplifier.Suchkindofimplemetationcanperformirrevertableorreverablespeedcontrol.ThepartofPWMisbuiltontheplatformofARMembeddedsystem.ItcangeneratetwoadjustableimpulseswhichcancomplementeachotherthroughthecontrolofthetimersinS3C2410XchipbyCProgramming.InordertocontroltheopenorclosetimeofGTR,thewidthoftwochannelimpulsesareadjusted.Asaresult,thethespeedcontrolofmotorcanbereached.Suchimplemetationincreastheflexibilityandprecisionofthesystem,sotheprocedureofproducingPWMpulsesissimplfiedingreatdegree.
KeyWords:
doubleclosedloopgoverningsystems,pulsewidthmodulation(PWM),ARMembeddedsystem,chipS3C2410X
目录
第一章绪论
1.1开发背景
1.2直流电机在国内外的研究状况及发展趋势
第二章电机的种类极其特点和用途
2.1直流电机
2.1.1、他励,串励,复励
2.2步进电机
2.2.1步进电机的概念
2.2.2步进电机的用途
第三章直流电机调速的控制技术
3.1、电阻网络或数字电位器调压控制
3.2、继电器控制
3.3、pwm电路控制
第四章实验设计
用于单相电机调速的单片PWM控制技术
4.1直接PWM技术的算法
4.2单片机实现PWM技术的设计
4.2.1 载波比
4.2.2PWM波的开关频率极限
4.2.3 PWM波的输出频率和调制深度指令
4.2.4桥臂互锁及死区时间
4.2.5初始状态及故障封锁
4.3PWM波的单片机控制
4.4单片机控制软件设计
4.5实验与结论
第五章开发总结与心得体会
第六章谢辞
第一章绪论
1.1开发背景
随着计算机的技术的发展,单片机技术已成为计算机技术中的一个独立分支,单片机的应用领域也越来越广泛,特别是在工业控制和仪器仪表智能话中起着极其重要的作用。
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展,它的趋势将是进一步向着cmos化,低功耗,小体积,大容量,高性能,低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
在现代电子产品中,自动控制系统,电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面,直流电机都得到了广泛的应用。
大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等,都不能缺少直流电机。
所以直流电机的控制是一门很实用的技术。
1.2国内外的研究状况及发展趋势
在如今的现实生活中,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展,其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。
虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护,但是它具有良好的起、制动性能,宜于在广泛的范围内平滑调速,所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。
现在电动机的控制从简单走向复杂,并逐渐成熟成为主流。
其应用领域极为广泛,例如:
军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制;工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制;计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制;音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制[1]。
随着电力电子技术的发展,开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流,脉宽调制技术表现出较大的优越性:
主电路线路简单,需要用的功率元件少;开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗和发热都较小;低速性能好,稳速精度高,因而调速范围宽;系统快速响应性能好,动态抗扰能力强;主电路元件工作在开关状态,导通损耗小,装置效率较高;近年来,微型计算机技术发展速度飞快,以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力,正向社会的各个领域渗透,直流调速系统向数字化方向发展成为一大趋势。
目前,直流电机分为他励、串励和复励电机。
他励电机也叫并励电机。
它的机械特性硬,启动转矩大,调速范围宽,平滑性好。
它主要用在调速性能要求高的生产机械,如大型机床(车、创、磨、镗),高精度车床,可逆轧钢机,造纸机,印刷机。
串励机械特性软,启动转矩大,过载能力强,调速方便。
复励机械特性硬度适中,启动转矩大,调速方便。
这两种直流电机主要用于电车,电气机车,起重机,吊车,卷扬机,电梯等。
无刷直流电机(BLDCM)是在有刷直流电动机的基础上发展来的,但它的驱动电流是不折不扣的交流;无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。
一般地,无刷电机的驱动电流有两种,一种是梯形波(一般是“方波”),另一种是正弦波。
有时候把前一种叫直流无刷电机,后一种叫交流伺服电机,确切地讲是交流伺服电动机的一种。
无刷直流电机为了减少转动惯量,通常采用“细长”的结构。
无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多,相应的转动惯量可以减少40%—50%左右。
由于永磁材料的加工问题,致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。
这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好,调速范围广,寿命长,维护方便噪声小,不存在因电刷而引起的一系列问题,所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。
无刷直流的应用前景广阔。
特别是随着电力电子器件和稀土材料的发展,无刷直流电机可以做大功率,应用范围更广。
目前,对于无刷直流电机,就目前的应用热点问题而言,最重要的有两个问题,无传感器技术和转矩脉动抑制技术。
和永磁同步电机相比,在具有高稳定性要求和高精度要求的应用场合,无刷直流电机处于劣势,这是因为无刷直流电机具有转矩脉动问题特别是换相转矩脉动,影响了它在高性能交流调速系统中的应用。
因此,转矩脉动抑制技术是提高无刷直流电机性能所面临的首要问题。
随着生产过程对成本和可靠性及性能等要求不断提高,无刷直流电机的无传感器技术日益受到关注。
此外,无刷直流电机的新型拓扑方面,目前多用传统的三相半桥电路作为驱动主电路;有人采用C一DUMP结构拓扑主电路作为无刷直流电机驱动,该电路采用4只开关管驱动无刷直流电机,但目前该拓扑在实际应用中并不多。
传统电机控制采用PID进行控制,虽然现代控制理论的发展,目前应用于永磁无刷直流电机的控制方法主要集中在模型参考自适应、滑模变结构、状态观测器等方面。
如采用位置滑模控制,建立转矩观测器,对由电机系统的参数变化、电源电压波动及负载扰动造成的转矩脉动进行补偿。
如采用直接模型参考自适应方法(DMARC),自动调整参考电流的波形,以抑制由于逆变器饱和而产生的转矩脉动。
如把非正弦分布的磁链表示成基波和谐波两部分,对由谐波产生的转矩脉动通过卡尔曼滤波进行识别,然后通过调整参考电流来补偿转矩脉动。
但是,经典控制理论和现代控制理论都有一个共同的局限性,即被控对象的数学模型必须预先知道,但是实际应用中,很多被控对象的模型极其复杂,无法建立精确的数学模型,对于某些应用场合,甚至根本无法建模。
大量文献采用的状态估计和参数识别等方法也大都基于线性模型;自适应控制技术能够提高系统鲁棒性,但它只适合小范围的模型不确定因素,如受控对象的结构和参数变化缓慢,非线性不很严重的场合。
随着人工智能技术的发展,专家系统、模糊理论、人工神经元网络等智能控制的最新成果开始进入电机控制领域。
为了更好的提升无刷直流电机系统的性能,将智能控制理论应用到该电机系统的控制中来,是一个值得探索的方向。
第二章电机的种类极其特点和用途
2.1直流电机
2.1.1、他励,串励,复励
他励电机也叫做并励电机。
他的机械特性
直流电动机
电机名称
主要性能特点
典型生产机械举例
他励,并励
机械特性硬,启动转距大,调整范围宽,平滑性好。
调速性能要求高的生产机械,如大型机床(车,铣,创,磨镗),高精度车床,可逆轧钢机,造纸机,印刷机。
串励
机械特性软,启动转距大,过载能力强,调速方便。
要求启动转距大,机械特性软的机械,如电车,电气机车,起重机,吊车,卷扬机,电梯等。
复励
机械特性硬度适中,启动转距大,调速方便。
2.2步进电机
2.2.1步进电机的概念
所谓步进电动机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构;更通俗一点讲:
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。
我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量,从而达到精确定位的目的;同时还可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
目前,比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机(VR)、永磁式步进电动机(PM)、混合式步进电动机(HB)和单相式步进电动机等。
步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式,正是这个特点,步进电动机可以和现代的数字控制技术相结合。
但步进电动机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机;所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。
由于步进电动机具有结构简单、可靠性高和成本低的特点,所以步进电动机广泛应用在生产实践的各个领域;尤其是在数控机床制造领域,由于步进电动机不需要A/D转换,能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移,所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。
2.2.2步进电机的用途
除了在数控机床上的应用,步进电机也可以用在其他的机械上,比如作为自动送料机中的马达,作为通用的软盘驱动器的马达,也可以应用在打印机和绘图仪中。
此外,步进电动机也存在许多缺陷;由于步进电机存在空载启动频率,所以步进电机可以低速正常运转,但若高于一定速度时就无法启动,并伴有尖锐的啸叫声。
第三章直流电机调速的控制技术
3.1、电阻网络或数字电位器调压控制
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小,但电流很大;分压不仅会降低效率,而且实现很困难。
3.2、继电器控制
采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高;H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快,稳定性也极佳,是一种广泛采用的PWM调速技术。
兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大
3.3、pwm电路控制
PWM(PulseWidthModulation)脉宽调制技术。
通过对脉冲宽的调
获得所需要的波形(含形状和幅值)。
PWM也是单片机常用的模拟量输出方法,通过外接转换电路,可以将不同占空比的脉冲变成与之对应的电压(占空比是指正脉冲与整个周期的比值)。
本文介绍的程序,是通过调整占空比来调节输出模拟电压的方法之一。
可以用其控制直流电机的转速。
一、用延时子程序实现PWM控制
P1.0口接PWM转换电压输入端.电压输出接电压表的+端,电压表的-端接地,通过改变PWM的占空比来观察电压表的读数,占空比越大,电压表的读数就越大。
二、用中断实现PWM控制
通过对单片机定时器初始值的两次不同设置,来实现占空比PWM输出控制。
方法和电路图同前,只是单片机编程方法不一样。
用定时器TO完成PWM输出,脉宽也是1275μS(定时器控制最大脉宽为65536μS),所以此程序的占空比是1:
2。
定时器计数初值为FB04H。
计算方法:
计数初值为65535-1275=64260,转换为十六进制:
64260D=FB04H。
注:
此程序的占空比是l:
2
第四章实验设计
用于单相电机调速的单片PWM控制技术
4.1直接PWM技术的算法
常用PWM技术的基本原理是利用高频载波与控制波进行比较,从而产生经过调制的PWM波。
为满足逆变电源的需要,减小输出电压的谐波含量,载波信号采用对称的三角波实现PWM输出波形的对称双边调制,使输出电压不含偶次谐波。
用软件产生PWM波形的算法有很多方法,如:
采样SPWM法、均值PWM法、直接PWM法等,其中SPWM法有三种不同形式:
对称规则采样SPWM、非对称规则采样SPWM、平均对称规则采样SPWM,以平均对称规则采样SPWM的算法简单,应用较为广泛。
SPWM的主要缺点就是电源电压利用率不够高,即输出电压不高。
均值PWM法的基本思想是根据等面积PWM控制方式的原理,选择最佳脉冲中心线位置,使得其PWM波形的谐波成分量小,均值PWM法具有微机实现简单方便的优点,且对各次谐波的抑制均有很好的效果。
直接PWM法与均值PWM法类似,也是使相同时间间隔内的PWM波的面积与调制波的面积相等,其主要的优点是,在调制比固定时,控制规律正比于调制深度而反比于输出频率,特别使用于电机的控制,因此本文选择直接PWM法。
直接PWM法的调制原理如图1所示,假定一个周期内PWM波的脉冲数(即载波比)为2N,将参考正弦波Umsinωt的整个周期T分为2N等份,则每个区间的长度(即载波周期)为Ts=T/2N,在第i个区间正弦波的面积为:
设输出PWM波的幅值为E,若采用单极性调制,则第i个区间内的PWM波形所围面积为:
若采用双极性调制,则第i个区间内的PWM波形所围面积为:
式中,Tpi为脉冲的宽度,考虑到有Ts=Tpi+2Tgi,令Sri=Spi,由式
(1)和式
(2)整理可得:
式中M=Um/E为调制深度,由式(4)或式(5)可分别计算出PWM的脉冲换相点公式为:
由图1可知,等面积PWM法生成的PWM波形在T/2处是点对称的,因而可推导出:
在上述计算公式中,式(8)为单极性PWM调制,式(9)为双极性调制。
在计算过程中,虽然δi的表达式包含有三角函数的计算,但它仅与N有关,一旦N确定后,可事先将计算好的δi存入内存中,需要时通过查表方式获取即可。
从k的表达式可以看出,k正比于调制深度而反比于基波频率ω。
这对于电机的变频调速系统,通常使U/f比为常数来达到恒转矩控制,即只需使k值为一个常数即可。
4.2单片机实现PWM技术的设计
采用单片机实现PWM,为了保证能够满足变流电路的控制性能要求,设计时必须处理好以下几个技术问题。
4.2.1 载波比
采用微机生成PWM波时,必须事先确定好载波比N(或2N)。
如果输出频率的变化范围较大,那么在整个频率范围内采用同一个载波比的同步调制方案,难以兼顾高频和低频输出时的性能。
较大的载波比往往会造成高频时PWM开关频率过高,导致开关器件的开关损耗增加,而较小的载波比又会造成低频时PWM波过于稀疏,使电流脉动增大、谐波分量增加等缺点。
因此采用分段同步调制是较合理的方法,即在不同的频率段选择不同的载波比,使变频器在整个频率变化范围内,都有一个较为合理的PWM开关频率,以获得较好的控制性能。
然而载波比的选择和切换时必须注意两点:
(1)切换时不出现电压的突变。
(2)在各切换临界点处需设置一个滞环区,以避免输出频率落在临界切换点附近时造成载波频率反复变化而引起的振荡现象。
4.2.2PWM波的开关频率极限
由于PWM波是通过单片机CPU实时计算的,因此所选择PWM算法的数据处理量大小以及CPU的处理速度是影响输出PWM波开关频率极限的主要因素。
设计时必须保证单片机能输出的PWM波的最高开关频率满足逆变器要求,当然对逆变器的最低工作频率要求是很容易满足的。
4.2.3 PWM波的输出频率和调制深度指令
在变频调速系统中,由于逆变器的输出频率是可调的,因而要求PWM算法的输出频率和调制深度都能根据实际需要变化以适应电机恒V/f比或恒功率控制的要求。
一般,逆变器的输出频率指令可通过A/D转换输入到单片机中,调制深度M可以用软件计算完成,也可采取类似的方法读入CPU。
4.2.4桥臂互锁及死区时间
为了保证逆变器同一桥臂上下两管同时导通而引起的短路,两驱动信号间必须留有一定的死区时间,以防止一管还未完全关断时另一管便开始导通的短路故障。
此要求可以在单片机PWM波的计算程序中加以考虑。
然而这样做往往会增加单片机的数据处理工作量,而且仅靠软件实现上下桥臂开关管的互锁和死区延迟也不可靠,因此,为保证电路的安全性,建议最好在硬件电路设计上充分考虑并实现此项要求。
4.2.5初始状态及故障封锁
任何一款型号的CPU,工作前总存在复位状态,此时CPU各I/O输出口全“1”或全“0”,设计时应避免在此复位状态时造成所有开关管都被驱动导通的危险,因此应将CPU复位时的初始电平值设置成开关管驱动信号无效状态。
此外,当发生故障时,也可以通过输出故障封锁信号来关闭驱动信号。
4.3PWM波的单片机控制
在本文分析的洗衣机电机控制中,逆变器的输出频率由给定电位器调节,经A/D转换输入至单片机,由单片机根据给定输出频率的大小计算逆变器电压,以适应变频调速的恒V/f比控制要求。
控制芯片采用AT90S8535单片机。
AT90S8535是40脚封装的RISC结构低功耗CMOS8位单片机,具有8K字节的Flash,512字节的EEPROM,512字节RAM,32个多功能的I/O口,3个内部定时/计数器,8通道10位A/D转换器,2个外部中断源,可编程的串行通讯,可编程的看门狗定时器等资源,适合于许多要求集成度高、成本低的应用场合,其引脚配置如图2所示。
设逆变器输出压频变化关系曲线是已知的,当逆变器的输出频率确定后,PWM控制的载波比和调制深度指令也随之确定。
单片机的资源分配为:
39脚的PA1作为A/D采样输入口,采样输出频率;PC0~PC3作为PWM输出的驱动信号,设置为输出口;17脚的INT1外部中断作为电路故障信号(如过流、过压、短路等)的输入脚,同时该脚也作为“解除闭锁”控制位的输入脚,其作用在于:
当故障发生时,由外部中断输入引脚的信号变化向CPU提出中断请求,CPU响应中断,在执行中断服务程序中输出PWM封锁信号并实现闭锁,直到解除闭锁控制位有效时,才撤销PWM封锁信号,使PWM波能够正常输出。
由于AT90S8535芯片的复位时端口的初始状态是“高”,因此封锁信号和驱动信号均设置成“低”电平为无效状态,此时端口输出信号使所有功率开关管处于关断状态。
PWM波的载波周期由片内T0定时器来完成,PWM波换相所需的时间由片内T1定时器来实现。
采用AT90S8535单片机实现的单相PWM波形发生器的硬件连接关系如图3所示。
4.4单片机控制软件设计
按上述算法分析,软件只计算PWM波的切换时间,在CPU中由定时中断服务程序完成PWM脉冲波的换相。
其具体过程:
PWM的载波周期Ts由载波周期定时器定时,当定时到时,向CPU发出中断申请,CPU响应中断并执行中断服务程序,此中断服务程序的主要任务是将保存在内存中的PWM开关定时数据(在上一个载波周期计算出来的PWM换相定时时间)送PWM波定时器,并启动此定时器工作,然后再计算下一个载波周期的PWM数据并保存。
PWM波定时器根据载波周期定时中断服务程序送来的开关数据进行定时控制,在中断服务程序中完成对PWM的换相并输出至端口。
主程序的主要任务是,对逆变器输出频率指令f的采样或计算,并计算与频率指令对应的调制深度指令、载波比、载波周期定时常数等,为载波周期定时中断服务程序的计算提供实时指令。
然而在变频切换时,由于电压跟随频率的变化而改变,变频瞬间容易产生电流冲击。
通常解决办法是在基波电压过零时(即0°、180°),变频瞬间无电流冲击,但该方法会造成频率变化响应过程较慢,特别是低频时响应时间过长。
因此最好能设计成在任何一个载波周期结束时刻都可以进行频率切换,为防止电流冲击的产生,此时应使频率切换前后的基波电压不仅与频率和相位有关,还和调制比有关,使得计算频率变化前后基波电压相等的条件相当费时,因此在实现过程中,一般按相位相等的原则进行频率切换。
即在新旧频率切换时,根据脉冲计数器所表示的相位关系进行等相位切换。
假定旧频率时的载波比为N1,频率变化的切换时刻计数器值为P1,新频率时载波比为N2
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