基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现

摘要

本文针对移动机器人运动控制器的要求，设计了一款基于DSP的无刷直流电机伺服控制器。 详细推导了三角形接法的无刷直流电机数学模型。阐述了数字式控制系统整体方案，解决了PWM、电子换相及锁相、电机电流、转速和位置等控制检测关键技术问题。推导了新的积分分离加积分修正系数的PID控制算法。 构建了基于TMS320F2812的无刷直流电机控制硬件平台。设计完成了DSP控制电路和功率驱动电路，主要包括DSP芯片外围电路、IR2130三相逆变桥电路、PWM光耦隔离电路、霍尔信号处理电路、光电编码器电路、电流采样电路和系统保护电路，并对各部分电路功能做了详尽阐述。对硬件可靠性做了分析。 在CCS3.3环境下开发了控制系统C程序软件。编写了改进型PID控制算法程序、M法测速程序、ADC电流采样数字滤波程序和电机换相程序。利用VC++6.0开发了伺服控制器人机交互界面，实现了上位机与DSP的SCI串口通讯。 最后，以移动机器人为平台进行了系统实验，利用MATLAB CCSLink工具获取了DSP系统的详细实验数据，在MATLAB环境下绘制了速度阶跃响应曲线。对比了不同PID参数下的系统响应状况，详细分析了实验中出现的各种问题。实验结果验证了控制器硬件系统和软件系统的可行性，新PID控制算法的优越性。DSP控制器调试方便，升级换代容易。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2课题研究背景、目的及意义

1.3伺服控制系统发展趋势

1.4国内外伺服控制系统研究现状

1.5本文主要研究内容

2无刷直流电机工作原理及数学模型

2.1 无刷直流电动机的基本结构

2.1.1 BLDCM本体结构组成

2.1.2 BLDCM转子位置检测装置

2.1.3 BLDCM功率电子驱动装置

2.2 BLDCM工作原理

2.3 BLDCM数学模型

2.4本章小结

3控制系统整体设计

3.1控制系统的整体方案

3.2 PWM直流伺服控制技术

3.3 DSP核心控制芯片

3.3.1 控制芯片选型

3.3.2 DSP芯片TMS320F2812特点

3.3.3TMS320F2812内部功能模块利用

3.4无刷直流电动机控制策略

3.4.1 数字式控制系统

3.4.2 PWM信号生成技术

3.4.3 电子换相及锁相技术

3.4.4 电机电流、转速和位置检测技术

3.5控制系统算法设计

3.5.1 PID控制理论

3.5.2数字PID控制算法

3.5.3积分分离加积分修正系数PID控制算法

3.5.4控制器动态参数工程设计方法

3.6本章小结

4控制系统硬件设计

4.1 系统硬件电路结构

4.2 DSP芯片外围电路设计

4.3 控制器通信接口电路设计

4.4功率驱动逆变电路设计

4.4.1 驱动板电源电路

4.4.2驱动芯片IR2130应用简介

4.4.3功率开关器件选型

4.4.4 电机驱动电路设计

4.4.5 自举电容及快速恢复二极管选型

4.5信号处理电路设计

4.5.1 PWM驱动信号隔离电路

4.5.2霍尔传感器信号电路

4.5.3 正交编码脉冲信号电路

4.5.4 电机电流检测电路

4.6控制器保护电路设计

4.7硬件可靠性设计

4.8本章小节

5控制系统软件设计

5.1 系统开发环境和工具简介

5.2软件设计思想

5.3控制系统主程序设计

5.4各功能模块初始化程序设计

5.4.1 系统初始化程序模块

5.4.2 PWM驱动模块

5.4.3 CAP捕获模块

5.4.4 QEP正交编码脉冲计数模块

5.4.5 CpuTimerO模块

5.4.6 SCI串口模块

5.4.7 ADC采样模块

5.5 中断处理程序设计

5.5.1 CAP捕获中断

5.5.2 ADC中断

5.5.3 CpuTimer0中断

5.5.4 PDPINAT保护中断

5.6 PID控制算法程序设计

5.7 电流采样信号的数字滤波

5.8上位机和下位机的串口通信设计

5.8.1 上位机监控程序设计

5.8.2下位机程序设计

5.9本章小节

6控制系统实验结果与分析

6.1 引言

6.2 MATLAB与TI CCS接口CCSLink模块应用

6.2各功能模块基本实验及分析

6.3 闭环实验及分析

6.4.实验注意事项

6.6本章小节

总结展望

致 谢

参考文献

附 录硬件实物图