基于cSPACE的直流电机驱动实验设计

Question

15.4 直流有刷电机电流反馈驱动实验
15.4.1 软件设计
由电流传感器采集电流数值，与给定电流做差，将偏差输入 PID控制器，得出
PWM占空比，形成电流闭环，以使电机电流恒定；
电流闭环实验就是通过控制直流电机电枢电流 Ia的大小，改变直流电机电磁转
矩 T 的大小。

双击打开上图 15.10 中的橙色模块：

电流环 PI 运算模块：

切换到 cSPACE 上位机界面，在 Writer1 中输入电枢电流，输入 1200
（代表 1200mA），在 Writer2 中输入电流环 Kp:30, 在 Writer3 中输入电流环
Ki:100，然后点击“Download”，观测电机转速大小以及方向；等待电机转速稳定后，
在 Writer1 中输入 0，点击“Download”；在 Writer1 中输入-1200，点击“Download”，
观测直流电机转速大小以及方向。在 Writer1 中输入 0，点击“Download”，将电机
转速降为 0。
注意： Kp 和 Ki 都不是真正的 Kp 和 Ki，因为上位机无法输入小数，所以在
程序中 Kp 和 Ki 都乘了一个系数，具体请查看程序。
注意： 电流设定值不能太大或者太小，太大电机加速度会很大，导致电机速
度迅速上升，容易使电机失稳；太小会导致电机无法克服空载转矩而无法转动。一
般设置在 1200mA 左右，可在此数值上下浮动，若电机无法启动，可以用手轻轻拨
动电机轴。

15.5 直流有刷电机速度反馈驱动实验
15.5.1 软件设计
由光电编码器采集电机转子位置，计算可得实际速度信号，与给定速度做差，
将偏差输入 PID 控制器，得出电流值，再进入电流环计算，形成速度闭环，以使
电机速度恒定。
速度闭环实验就是通过改变直流电机电枢电压 U 的大小，控制直流电机的转
速

双击“Speed PI Controller”，打开子系统：

使用标有“QEP1”的连接线将实验箱“QEP1”接口与“永磁同步电机和直
72
流有刷电机对拖平台”的“PMSM QEP”接口相连。
第二步：使用“UART”通信线将实验箱“UART”接口与电脑相连。
第三步：使用标有“电机 1”连接线将实验箱“电机 1”接口与“永磁同步电机和直
流有刷电机对拖平台”的“DCBM 相线”接口相连。
第四步：使用“仿真线”将实验箱“仿真线”接口与电脑相连，打开实验箱背面
“POWER”，然后按下实验箱正面“总开关”。
第五步：打开 cSPACE 上位机软件，按照第 5 章节介绍的上位机使用方法，设
置好上位机。
第六步：打开示例模型“C_ClosedLoopSpeedDCBM.slx”，点击下图红色框中下
载按钮，自动生成 C 代码并下载到 F28335RAM 中运行。
图 15.17 直流有刷电机速度闭环实验模型
第七步：切换到 cSPACE 上位机界面，在 Writer1 中输入电机转速，输入 500
（代表 500RPM），在 Writer2 中输入速度环 Kp:40, 在 Writer3 中输入速度环 Ki:8，
然后点击“Download”观测转速大小以及方向；等待电机转速稳定后，在 Writer1 中
输入 0，点击“Download”；在 Writer1 中输入-500，点击“Download”，观测直流电
73
机转速大小以及方向。在 Writer1 中输入 0，点击“Download”，将电机转速降为 0。
注意：Kp 和 Ki 都不是真正的 Kp 和 Ki，因为上位机无法输入小数，所以在程
序中 Kp 和 Ki 都乘了一个系数，具体请查看程序。

注意：图中“Writer”栏数据仅是说明参数的作用，具体数据以文字叙述为准。
注意：不能直接将电机转速从 0 升到额定转速，要想输入较高的转速，应逐渐
增大至目标转速。不能将电机长时间工作在较高转速下，记录完实验数据后，应逐
次将电机转速降为 0RPM。
第八步：点击主控板上复位按键将程序擦除，先关闭实验箱正面“总开关”，再
关闭实验箱背面“POWER”，之后依次拔掉“QEP1”和 “电机 1”连接线。最后将
“UART”和“仿真线”从电脑上拔掉。
注意：必须在关闭电源之后，再拔掉实验箱和电机平台之间的连接线，以免损
坏电机或者实验箱。
这是两个完整的实验模型图和实验的流程，我想知道每一个模块的每一个细节，我需要明白模型的每一个具体细节和代表的意思，以及包括具体的实验步骤和上位机现实的数据代表什么，怎么得到的，以及如何整理成实验的结论等等。谢谢！

Answer 1

引自免费微信小程序：皆我百晓生

针对您提供的直流电机驱动实验设计，我将为您解析各个模块的功能、实验步骤及上位机数据显示的意义，并给出相应的结论整理方法。由于文本描述中并未包含实际代码和图形，我将依据您的描述进行解答。

15.4 直流有刷电机电流反馈驱动实验

软件设计

• 电流传感器：用于实时采集电机电枢电流 I(A)，将其与给定电流 I_ref(A) 相比较，得到偏差值。

• PID控制器：接收电流偏差，利用预设的CurrentKp（比例增益）和CurrentKi（积分增益）参数，进行PID运算，输出PWM占空比，以实现电流闭环控制，保持电机电流恒定。

• PWM控制：根据PID控制器输出的占空比，调整逆变器输出电压，进而控制电机电枢电流，从而改变电机电磁转矩 T。

实验步骤

1. 连接硬件：确保电流传感器、ADC、PWM发生器等设备正确连接，并与C28x处理器通信。

2. 设置参数：在上位机中通过Writer模块分别输入电流设定值（例如1200mA）、Kp值（例如30）、Ki值（例如100），然后点击Download。

3. 观察电机响应：改变电流设定值（正、负、零），每次更改后点击Download，观察电机转速大小和方向变化。

4. 记录数据：记录电机电流、转速、PWM占空比等关键参数随设定值变化的情况。

上位机数据显示

• I(A)：显示实际采集到的电机电枢电流值（单位mA）。

• DC_Ua(V)：显示逆变器输出的电枢电压（单位mV）。

• Pulses Speed(rpm)：显示电机的实际转速（单位RPM）。

• LED闪烁：可能表示系统存在误差或故障，具体含义需查阅相关文档。

结论整理

• 分析不同电流设定值下，电机电流是否能迅速稳定在设定值附近，评估电流环的动态响应性能。

• 记录并分析电机转速变化，了解电流控制对电机转矩的影响。

• 观察LED闪烁情况，判断系统是否存在过流、欠压等故障，并据此优化控制参数或硬件配置。

15.5 直流有刷电机速度反馈驱动实验

软件设计

• 光电编码器：用于实时检测电机转子位置，据此计算电机的实际转速 Speedreal(RPM)。

• 速度PID控制器：接收实际转速与给定速度 Speedref(RPM) 的偏差，利用Speedkp（比例增益）和SpeedKi（积分增益）参数，进行PID运算，输出电流指令值，进入电流环进行进一步控制。

• 电流环：同电流反馈驱动实验中的电流环，根据速度PID控制器输出的电流指令值，调整PWM占空比，实现速度闭环控制，保持电机转速恒定。

实验步骤

1. 连接硬件：确保光电编码器、ADC、PWM发生器等设备正确连接，并与C28x处理器通信。

2. 设置参数：在上位机中通过Writer模块分别输入转速设定值（例如500RPM）、Kp值（例如40）、Ki值（例如8），然后点击Download。

3. 观察电机响应：改变转速设定值（正、负、零），每次更改后点击Download，观察电机转速大小和方向变化。

4. 记录数据：记录电机电流、转速、PWM占空比等关键参数随设定值变化的情况。

上位机数据显示

• Speedreal(RPM)：显示电机的实际转速（单位RPM）。

• DC_Ia(A)、DC_Ia_ref(A)：显示实际电枢电流和电流指令值（单位A）。

• V_bus(mV)：显示母线电压（单位mV）。

结论整理

• 分析不同转速设定值下，电机转速是否能迅速稳定在设定值附近，评估速度环的动态响应性能。

• 记录并分析电机电流变化，了解速度控制对电机电流需求的影响。

• 观察母线电压波动情况，评估供电系统的稳定性及其对电机速度控制效果的影响。

综上所述，您可以通过执行上述实验步骤，观察上位机显示的数据，记录并分析实验结果，最终整理出关于电流反馈和速度反馈驱动实验的详细结论。请注意，实际操作时应遵循实验指导书中对安全操作、设备连接、数据记录等方面的详细要求。由于缺乏实际代码和图形，以上解答基于文字描述进行了抽象解读。如果您需要更具体的代码支持或图形解释，请提供相关资料，我会很乐意为您提供更详尽的帮助。