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【浙江大学】DSP电机控制综合实验创新平台

  功能、作用介绍:

  我院开发的DSP电机控制综合实验平台以模块化、实用性、安全性、高可靠性为指导思想,经多次讨论修改,最终实验平台如图1所示。该实验装置由箱内供电电源、箱体上DSP电机控制核心板、DSP仿真器、各功率模块实验板和有关控制对象等几部分组成。DSP电机控制创新实验平台的总体框架如图2所示,其由DSP电机控制核心板、直流电机调速模块、直流无刷电机调速模块、三相交流永磁同步电机调速模块四部分组成,涉及到三种常见电机的调速,完全满足学生掌握DSP在电机控制系统中的应用以及工程实际的需求。

  DSP电机控制核心板 实验电路板充分利用了TMS320F2812芯片资源,提供了丰富的DSP外围电路,核心板的主框图如图3所示,主要由电源、数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出、PWM输出、复位电路、JTAG接口、保护电路、速度位置信号输入等部分组成。为方便学生实验操作我们在主控制板上加入了键盘输入、数字显示等部分。为学生实现创新想法提供了可能。

  直流电机驱动模块 本直流电机调速实验采用额定电压为5V,额定转速为5000rpm,额定电流为30mA的直流电机。考虑到直流电机常工作在正反转的场合,需要使用可逆PWM系统,故应用H型双极性驱动电路,如图4所示。根据运行控制要求和电机实际反馈情况,改变DSP输出PWM信号的占空比,从而改变施加于电机端部的电压,实现电机转速和转向控制。

  无刷直流电机驱动模块 本永磁无刷直流电机调速实验平台,采用额定电压24V,额定转速6000rpm,额定电流0.6A的无刷直流电机,其实验原理图如图5所示。根据霍尔信号获取的BLDCM转子位置和电流传感器得到的电流检测信号,给出六路带有可控占空比的PWM控制指令,利用功率驱动电路驱动电机,实现调速。此外,电路板上带有过压保护、故障检测,过流检测,转速保护等保护电路,有效地保障了电路的安全,避免学生因实验误操作造成电路损坏。

  三相永磁同步电机驱动模块 本三相永磁同步电机调速实验系统采用额定功率200W,额定转速3000rpm的三相永磁同步电机,其实验原理图如图6所示。利用DSP内部资源采集电机的反馈量,包括定子相电流,转子位置和转速,以此为依据产生可控制的脉冲驱动三相桥式逆变器,进而控制逆变器的输出电压,改变永磁同步电机的电磁转矩,实现电机的全数字变频调速。

  直流电机调速实验 直流电机调速实验是三个电机综合实验中最简单的实验,但对于学生理解电机最基本的控制原理有极大帮助。在实验过程中需完成单路PWM开环程序和双路PWM开环程序,分析两种开环程序的相同与不同、优点和缺点。通过操作面板上的按键进行开环调速,让学生明白调节PWM占空比实现电机调速的原理,同时利用红外测定电机转速方向。最后在以上的基础上最终完成PID算法闭环程序,包括转速闭环和电流闭环。

  本实验目的是使学生了解DSP电机控制系统的硬件结构,熟悉数字PID调节器的原理,理解直流电动机双闭环调速系统的工作原理。

  直流无刷电机调速实验 直流无刷电机调速实验使用同一块DSP电机控制核心板,但其驱动模块不同,而且直流无刷电动机及其调速系统的工作原理相对直流电机要复杂许多。在实验教学中,让学生先通过示波器观察不同转子位置的霍尔信号,了解霍尔信号对获取实际转子位置的作用。然后利用霍尔信号编写相对应的开关指令,使电机能根据要求转向运动。在电机正常运转之后,与直流电机调速实验相似,调节PWM占空比,改变电机转速。最后同样要求学生进行直流无刷电机的速度闭环PID控制。

  本实验目的在于使学生了解以DSP为核心构成的数字控制直流无刷电动机调速实验系统的硬件与软件结构,了解数字PID调节器的原理,掌握直流无刷电动机的工作原理以及理解直流无刷电动机调速系统的工作原理。

  三相永磁同步电机调速实验 在经过上述两次实验之后,学生对DSP电机调速已有了一定程度的理解,但还需要更完整的电机运动控制实验,故开设三相永磁同步电机调速实验。该实验例程为三相交流同步电动机磁场定向控制(FOC),其中包含实验主程序和算法所需的各种模块,如PARK变换、PID程序、QEP测速模块等(如图7所示)。而各个模块是以函数的形式出现在主程序中,因此三相永磁同步电机实验程序是一个具有极强系统性和综合性的程序。为帮助学生理解,对程序关键部分进行了详细注释,希望学生养成模块化、结构化、系统化的思考方式。学生实验时,要求首先完成DSP生成PWM波形,对永磁同步电机实现开环控制;然后进行电流环采集电流和电流环闭环控制;最后加入速度环,进行速度环转速采集和闭环控制实验。从内环开始调试,培养学生把握重点,逐步解决问题的能力。

  本实验目的是使学生了解三相永磁同步伺服电动机的结构和工作原理及DSP为核心构成的全数字控制交流伺服系统的硬件与软件组成,并且掌握三相交流同步电动机磁场定向控制(FOC)的工作原理和三相交流同步电动机电流环和速度环PID参数设计原理。

  作品名称:DSP电机控制综合实验创新平台

  完成单位:浙江大学