功能、作用介紹：
我院開(kāi)發(fā)的DSP電機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以模塊化、實(shí)用性、安全性、高可靠性為指導(dǎo)思想，經(jīng)多次討論修改，最終實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)裝置由箱內(nèi)供電電源、箱體上DSP電機(jī)控制核心板、DSP仿真器、各功率模塊實(shí)驗(yàn)板和有關(guān)控制對(duì)象等幾部分組成。DSP電機(jī)控制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體框架如圖2所示，其由DSP電機(jī)控制核心板、直流電機(jī)調(diào)速模塊、直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速模塊、三相交流永磁同步電機(jī)調(diào)速模塊四部分組成，涉及到三種常見(jiàn)電機(jī)的調(diào)速，完全滿足學(xué)生掌握DSP在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用以及工程實(shí)際的需求。
DSP電機(jī)控制核心板 實(shí)驗(yàn)電路板充分利用了TMS320F2812芯片資源，提供了豐富的DSP外圍電路，核心板的主框圖如圖3所示，主要由電源、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、PWM輸出、復(fù)位電路、JTAG接口、保護(hù)電路、速度位置信號(hào)輸入等部分組成。為方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作我們?cè)谥骺刂瓢迳霞尤肓随I盤輸入、數(shù)字顯示等部分。為學(xué)生實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新想法提供了可能。
直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 本直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)采用額定電壓為5V，額定轉(zhuǎn)速為5000rpm，額定電流為30mA的直流電機(jī)。考慮到直流電機(jī)常工作在正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，需要使用可逆PWM系統(tǒng)，故應(yīng)用H型雙極性驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。根據(jù)運(yùn)行控制要求和電機(jī)實(shí)際反饋情況，改變DSP輸出PWM信號(hào)的占空比，從而改變施加于電機(jī)端部的電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制。
無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 本永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用額定電壓24V，額定轉(zhuǎn)速6000rpm，額定電流0.6A的無(wú)刷直流電機(jī)，其實(shí)驗(yàn)原理圖如圖5所示。根據(jù)霍爾信號(hào)傳感器獲取的BLDCM轉(zhuǎn)子位置和電流傳感器得到的電流檢測(cè)信號(hào)，給出六路帶有可控占空比的PWM控制指令，利用功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。此外，電路板上帶有過(guò)壓保護(hù)、故障檢測(cè)，過(guò)流檢測(cè)，轉(zhuǎn)速保護(hù)等保護(hù)電路，有效地保障了電路的安全，避免學(xué)生因?qū)嶒?yàn)誤操作造成電路損壞。
三相永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 本三相永磁同步電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用額定功率200W，額定轉(zhuǎn)速3000rpm的三相永磁同步電機(jī)，其實(shí)驗(yàn)原理圖如圖6所示。利用DSP內(nèi)部資源采集電機(jī)的反饋量，包括定子相電流，轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，以此為依據(jù)產(chǎn)生可控制的脈沖驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變器，進(jìn)而控制逆變器的輸出電壓，改變永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的全數(shù)字變頻調(diào)速。
直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn) 直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)是三個(gè)電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)中最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，但對(duì)于學(xué)生理解電機(jī)最基本的控制原理有極大幫助。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需完成單路PWM開(kāi)環(huán)程序和雙路PWM開(kāi)環(huán)程序，分析兩種開(kāi)環(huán)程序的相同與不同、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。通過(guò)操作面板上的按鍵進(jìn)行開(kāi)環(huán)調(diào)速，讓學(xué)生明白調(diào)節(jié)PWM占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的原理，同時(shí)利用紅外測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速方向。最后在以上的基礎(chǔ)上最終完成PID算法閉環(huán)程序，包括轉(zhuǎn)速閉環(huán)和電流閉環(huán)。
本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生了解DSP電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，熟悉數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的原理，理解直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。
直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn) 直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)使用同一塊DSP電機(jī)控制核心板，但其驅(qū)動(dòng)模塊不同，而且直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的工作原理相對(duì)直流電機(jī)要復(fù)雜許多。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生先通過(guò)示波器觀察不同轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號(hào)，了解霍爾信號(hào)對(duì)獲取實(shí)際轉(zhuǎn)子位置的作用。然后利用霍爾信號(hào)編寫相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)指令，使電機(jī)能根據(jù)要求轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)之后，與直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)相似，調(diào)節(jié)PWM占空比，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。最后同樣要求學(xué)生進(jìn)行直流無(wú)刷電機(jī)的速度閉環(huán)PID控制。
本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谑箤W(xué)生了解以DSP為核心構(gòu)成的數(shù)字控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件與軟件結(jié)構(gòu)，了解數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的原理，掌握直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的工作原理以及理解直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。
三相永磁同步電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn) 在經(jīng)過(guò)上述兩次實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生對(duì)DSP電機(jī)調(diào)速已有了一定程度的理解，但還需要更完整的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，故開(kāi)設(shè)三相永磁同步電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)例程為三相交流同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制(FOC)，其中包含實(shí)驗(yàn)主程序和算法所需的各種模塊，如PARK變換、PID程序、QEP測(cè)速模塊等(如圖7所示)。而各個(gè)模塊是以函數(shù)的形式出現(xiàn)在主程序中，因此三相永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)程序是一個(gè)具有極強(qiáng)系統(tǒng)性和綜合性的程序。為幫助學(xué)生理解，對(duì)程序關(guān)鍵部分進(jìn)行了詳細(xì)注釋，希望學(xué)生養(yǎng)成模塊化、結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的思考方式。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求首先完成DSP生成PWM波形，對(duì)永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制;然后進(jìn)行電流環(huán)采集電流和電流環(huán)閉環(huán)控制;最后加入速度環(huán)，進(jìn)行速度環(huán)轉(zhuǎn)速采集和閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)。從內(nèi)環(huán)開(kāi)始調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生把握重點(diǎn)，逐步解決問(wèn)題的能力。
本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生了解三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理及DSP為核心構(gòu)成的全數(shù)字控制交流伺服系統(tǒng)的硬件與軟件組成，并且掌握三相交流同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制(FOC)的工作原理和三相交流同步電動(dòng)機(jī)電流環(huán)和速度環(huán)PID參數(shù)設(shè)計(jì)原理。
作品名稱：DSP電機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺(tái)
完成單位：浙江大學(xué)
