液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理

1、參考書 1 TMS320LF240 xDSP結(jié)構(gòu).原理及應(yīng)用劉和平北京航空航天大學(xué) 出版社. 2 TMS320LF240 xDSP C語言開發(fā)應(yīng)用，劉和平，北京航空航天大學(xué) 出版社. 3TMS320LF240 x DSP原理及應(yīng)用開發(fā)指南，趙世廉，北京航空 航天大學(xué)出版社 4 TMS320LF/LC24系列DSP的CPU與外設(shè)，徐科軍等編譯，清華大學(xué) 出版社。 5 TMS320LF/LC24系列DSP指令和編程工具,徐科軍等編譯，清華大學(xué) 出版社 6 DSP控制器實(shí)用教程，牛小兵等，國(guó)防工業(yè)出版社. 7 DSP控制器原理及其在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，韓安太等，清華大學(xué) 出版社 8電機(jī)的DSP控制

2、技術(shù)及其應(yīng)用，謝寶昌等，北京航空航天大學(xué)出社. 主要內(nèi)容 主要內(nèi)容： 1、電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí) 2、DSP2407內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3、匯編語言 4、數(shù)字I/O接口 5、中斷 6、事件管理器 考核方式： 平時(shí)成績(jī)+考試成績(jī) 11 DSP概述 12 電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí) 1.1 DSP概述 1 DSP含義 2 DSP技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 3 DSP的應(yīng)用 4 單片機(jī)、嵌入式微處理器和DSP 1. 1. 5 1. 1. 6 DSP基本結(jié)構(gòu)及主要特征 DSP處理器的選擇 1.2電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí) h2d信號(hào)檢測(cè) 122 逆變技術(shù) 123 PWM控制技術(shù) 124 空間矢量調(diào)制技術(shù)（SVPWM） 1.1.1 DS

3、P 含義 Digital Signal Processing （數(shù)字信號(hào)處理） DSP .Digital Signal Processor （數(shù)字信號(hào)處理器） 1.1.1 DSP 含義 數(shù)字信號(hào)處理： 對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的理論和方法 信號(hào)分析:對(duì)信號(hào)特性進(jìn)行測(cè)量和識(shí)別 任務(wù)（譜分析，語音分析，特征識(shí)別，目標(biāo)檢測(cè)） V 信號(hào)濾波:從含有噪聲的數(shù)據(jù)中提取有用信息 （濾除背景噪聲，干擾，頻帶分割） 1.1.1 DSP 含義 數(shù)字信號(hào)處理器：用于數(shù)字信號(hào)處理的可編程微處理器 早期：算法只能在計(jì)算機(jī)上仿真實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)在：在DSP上實(shí)時(shí)處理 DSP :國(guó)內(nèi)常用DSP代表數(shù)字信號(hào)處理器 DSP技術(shù)：用通用DSP

4、處理器或基于DSP核的專用器件， 來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的方法與技術(shù) 1.1.2 DSP技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 1965年 FFT的推出，為數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ) 20世紀(jì)70年代 集成電路技術(shù)的發(fā)展，用硬件實(shí)現(xiàn)FFT和 數(shù)字濾波的算法已經(jīng)成為可能。 1978年 AMI公司第一片單片DSP問世， 1979年 美國(guó)Intel公司發(fā)布了商用可編程器件2920 1980年 日本NEC公司推出的口 PD7720 1981年 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室推出16位字長(zhǎng)的DSP芯片DSPI。 1.1.2 DSP技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 TI公司的主要產(chǎn)品包括： 第一代DSP芯片： TMS32010. TMS32011. TMS32

5、0C10/ C14/C15 /C16/C17 第二代DSP芯片： TMS32020. TMS320C25/C26/C28 第三代DSP芯片： TMS320C30/C31/C32/C33 第四代DSP芯片： TMS320C40/C44 第五代DSP芯片： TMS320C50/C51/C52/C53 1.1.2 DSP技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 TI公司的三大系列產(chǎn)品 (1) 面向數(shù)字控制.運(yùn)動(dòng)控制 TMS320C2000系列：C24x / F24x、LC240 x / LF240 x、 LC240 xA/LF240 xA、320F28xx (2) 面向低功耗.手持設(shè)備、無線終端應(yīng)用 TMS320C5000

6、系列：C54x、C54xx、C55x (3) 面向高性能、多功能、復(fù)雜應(yīng)用領(lǐng)域 TMS320C6000系列：C62xx、C64xx、C67xx 1.1.2 DSP技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 DSP芯片發(fā)展趨勢(shì)：向高性能、高速度、低功耗方向發(fā)展 數(shù)字信號(hào)處理理論：在不斷發(fā)展 (1) 自適應(yīng)濾波、卡爾曼濾波、同態(tài)濾波等理論 (2) 各種快速算法陸續(xù)推出 (3) 聲音與圖像的壓縮編碼、識(shí)別與鑒別算法 (4) 加密解密，調(diào)制解調(diào)，信道辨別與均衡， 智能天線，頻譜分析等算法。 1.1.3 DSP的應(yīng)用 (i)數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算：快速傅立葉變換，卷積，數(shù)字濾波， 自適應(yīng)濾波，模式匹配，加密等. (2 )通信：調(diào)制解調(diào)

7、器，數(shù)據(jù)加密，數(shù)據(jù)壓縮糾錯(cuò)編碼等 (3)語音處理：語音編碼，語音合成，語音識(shí)別。 (4 )自動(dòng)控制：機(jī)器人,磁盤，聲控,發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī) (5 )激光打印機(jī).掃描儀和復(fù)印機(jī) (6)自動(dòng)測(cè)試診斷設(shè)備及智能儀器儀表、虛擬儀器 (7 )醫(yī)療儀器：助聽，診斷工具，超聲儀，CT,核磁共振- (8) 家用電器：數(shù)字電話，電視;音樂合成，數(shù)碼相機(jī)，掌上電腦 電子辭典，錄音筆.復(fù)讀機(jī)，MP3,玩具與游戲等。 (9) 汽車：自動(dòng)駕駛，防滑剎車，引擎控制、伺服控制，振動(dòng)分析，安 全氣囊的控制器,視像地圖等。 1.1.4 DSP、單片機(jī)、嵌入式微處理器 單片機(jī) 微控制器或嵌入式控制器，是為中、低成本 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)

8、的。 20世紀(jì)70年代 單片機(jī)開始在電機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛使用 任務(wù)： 控制算法，輸入輸出處理、顯示 缺點(diǎn)： 外部擴(kuò)展、可靠性、可維護(hù)性降低、速度慢 適用范圍：控制精度、性能要求不高的場(chǎng)合。 1.1.4 DSP、單片機(jī)、嵌入式微處理器 嵌入式微處理器 基礎(chǔ)：通用計(jì)算機(jī)中的CPU 與工控機(jī)相比： 優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、成本低、可靠性高 缺點(diǎn)：系統(tǒng)的可靠性低，技術(shù)保密性差. (必須擴(kuò)展ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)) 流行嵌入式微處理器：ARM7、ARM9系列 與DSP的相比：存儲(chǔ)器空間大，可配置實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng) 1.1.4 DSP、單片機(jī)、嵌入式微處理器 DSP能夠高速、實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理

9、運(yùn)算 MMN H )二工兔 a(/j-k) or y(n) = atx(n-k)bty(n-k) 4=0*=o口 (1) DSP中設(shè)掘了硬件乘法器，在單個(gè)指令周期內(nèi)完成 乘/加運(yùn)算 (2) 在指令系統(tǒng)中設(shè)置了 循環(huán)尋址片 及“位倒序?qū)ぶ?指令 (3) 設(shè)理了單獨(dú)的DMA總線及其控制器 (4) DSP內(nèi)部使用的流水線技術(shù) DSP與單片機(jī)、嵌入式微處理器相比，在多DSP核并行工作、 速度快、功耗低.完成各種數(shù)字信號(hào)處理算法方面尤為突出. 1.1.4 DSP、單片機(jī).嵌入式微處理器 DSP、單片機(jī)以及嵌入式微處理器三者各有所長(zhǎng)， 可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。單片機(jī)適于低功耗、低成本、 小體積，并且控制性

10、能和精度要求不高的場(chǎng)合；DSP則適 利于成本和功#無相對(duì)較低，尺寸較小，但需進(jìn)行數(shù)字信號(hào) 處理的場(chǎng)合。 1.1.4 DSP、單片機(jī).嵌入式微處理器 FPGA ( Field - Programmable Gate Array ) 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(半定制電路) 結(jié)構(gòu)： 邏輯模塊、輸出輸入模塊、內(nèi)部連線 工作原理： 上電時(shí)：數(shù)據(jù)從EPROM -片內(nèi)編程RAM 配置完成后-FPGA進(jìn)入工作狀態(tài). 斷電后：恢復(fù)成白片 1. 1.5 DSP基本結(jié)構(gòu)及主要特征 一、釆用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu) 二、流水線操作 三、設(shè)置專門的硬件乘法器 四、特殊的指令 五、豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)器件和外設(shè) 六、獨(dú)立的直接存儲(chǔ)器訪

11、問總線及其控制器 1.1.5 DSP基本結(jié)構(gòu)及主要特征 一、采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu) 1馮.諾依曼結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共用一個(gè)公共的存儲(chǔ) 空間和單一的地址和數(shù)據(jù)總線 2 哈佛結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開，程序和數(shù)據(jù)都 有各自的地址和數(shù)據(jù)總線 馮諾依曼結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu) 1.1.5 DSP基本結(jié)構(gòu)及主要特征 二、流水線操作 指令執(zhí)行： 取指.譯碼、取數(shù)和執(zhí)行 流水線技術(shù)：將各條指令的各個(gè)步驟重疊起來執(zhí)行 第一條指令 第二條描令 工三條扭令 第阿條拓兮 取掃JK 楓行 1.1.5 DSP基本結(jié)構(gòu)及主要特征 三、設(shè)JL專門的硬件乘法器 有限沖擊響應(yīng)濾波器 無限沖擊響應(yīng)濾波器 卷枳 離

12、散傅里葉變換 旳)=工 上.0 HN y()工 (“-燈+為力-幻 y(n)=Yk)h(n-k) X()二 Ywjexp卜伙 r=0 1.1.5 DSP基本結(jié)構(gòu)及主要特征 四、特殊的指令 例如：DMOV指令，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指定地址處的數(shù)據(jù)復(fù) 制到該地址加1的單元中，原單元的內(nèi)容不變，即數(shù)據(jù)移 位，相當(dāng)于數(shù)字信號(hào)處理中的延遲，例如x(n)的延遲為 x(n-1)。 “循環(huán)尋址”及“位倒序?qū)ぶ贰敝噶詈推渌厥庵?令，使尋址、排序的速度大大提高，從而能方便、快速地 實(shí)現(xiàn)FFT算法。 1.1.5 DSP基本結(jié)構(gòu)及主要特征 五. 豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)器件和外設(shè) Flash和 雙訪問RAM存儲(chǔ)器 獨(dú)立的DM A總線

13、及其控制器 時(shí)鐘發(fā)生器(振蕩君與鎖和環(huán)PLL); 定時(shí)器(timer); 軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器，以便使較快的片內(nèi)設(shè)施與較慢的片外電 路及存儲(chǔ)器協(xié)調(diào)； 通用I/O 同步串口(SSP)與異步串口(ASP); 主機(jī)接口 (HIP); JTAG邊界掃描邏輯電路，便于對(duì)DSP處理器做片上的在線仿真以及多 DSP處理器條件下的調(diào)試。 1.1.6 DSP處理器的選擇 一、數(shù)據(jù)格式 四. 數(shù)據(jù)寬度 速度 器的安排 五、開發(fā)的難易程度 六、支持多處理器 七、功耗和電源管理 八、器件的封裝 1.1.6 DSP處理器的選擇 一.數(shù)據(jù)格式 定點(diǎn)DSP芯片 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度通常為16位、24位、32位 優(yōu)點(diǎn)：體積小、成本低

14、、功耗小、對(duì)存儲(chǔ)器的要求不高； 缺點(diǎn)：數(shù)值范圍較窄必須定點(diǎn)、定標(biāo) 浮點(diǎn)DSP芯片數(shù)據(jù)長(zhǎng)度通常為32位、40位 優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范國(guó)寬，開發(fā)較容易 缺點(diǎn)：硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、功耗較大,價(jià)格離 結(jié)論浮點(diǎn)運(yùn)算與定點(diǎn)、運(yùn)算相比靈活性和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍都要大，編 程比較容易，但因?yàn)橥吐犯鼜?fù)雜，芯片也更大，所以成本和功耗 也就比較大。浮點(diǎn)DSP芯片用于對(duì)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍和精度要求較高 的系統(tǒng)申。 1.1.6 DSP處理器的選擇 二、數(shù)據(jù)寬度 浮點(diǎn)DSP為32位 定點(diǎn)DSP是16位（24、32位） 數(shù)據(jù)字的長(zhǎng)短是影響成本的重要因素 三、速度 MIPS每秒執(zhí)行多少百萬條指令 MFLOPS 每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算 DSP的輸

15、入時(shí)鐘和指令速率一致 1.1.6 DSP處理器的選擇 四、存儲(chǔ)器的安排 哈佛結(jié)構(gòu)、高速緩存、存儲(chǔ)空間大小、 雙訪問存儲(chǔ)器單元多少 五、開發(fā)的難易程度 軟件工具（編譯器、匯編器、連接器、軟仿真器、 調(diào)試器、代碼庫和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等）、 硬件工具（評(píng)估板和仿真器等） 高級(jí)工具（如基于框圖的代碼產(chǎn)生環(huán)境等）。 編程語言匯編語言、c語言，匯編與c的混合編程語言。 1.1.6 DSP處理器的選擇 六、支持多處理器 專門的接口或DMA通道，支持多DSP的運(yùn)行 七、功耗和電源管理 降低工作電壓(33V, 2. 5V, 1. 8V, 0. 9V) 提供體眠與等待模式 外設(shè)控制 八、器件的封裝 表貼TQFP封裝(

16、國(guó)內(nèi)便用) BGA ( Ball Gnd Aarry )対裝 1.2電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí) 電機(jī)控制的發(fā)展 控制電路 模擬電路一數(shù)字和模擬混合電路全數(shù)字電路 控制策略 低效有級(jí)控制T低效無級(jí)控制高效率無級(jí)控制 高性能智能型控制 電力電子控制器結(jié)構(gòu) 電子管一*小功率晶體管一*大功率晶閘管 全控型電力電子器件 1.2電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí) 電機(jī)控制目標(biāo) 速度控制（調(diào)速系統(tǒng)） 應(yīng)用于機(jī)械.冶金、化工、造紙、紡織、礦山和交通 位置控制（運(yùn)動(dòng)控制，位置伺服） 系統(tǒng)功率不大，有定位精度要求，頻繁啟動(dòng)和制動(dòng) 用于雷達(dá)、導(dǎo)航、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、 掃描儀、磁記錄儀、磁盤驅(qū)動(dòng)器和自動(dòng)洗衣機(jī) 電機(jī)控制系

17、統(tǒng)相關(guān)知識(shí) 電機(jī)控制相關(guān)知識(shí) 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的檢測(cè) 位置、速度、加速度、電流、電壓、力或 轉(zhuǎn)矩、溫度、振動(dòng)和噪聲、壓力和流量等 傳號(hào)轉(zhuǎn)換:A/D轉(zhuǎn)換電路 電機(jī)控制：PWM ,電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：逆變技術(shù) 電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí) 121 信號(hào)檢測(cè) 122 逆變技術(shù) 123 PWM控制技術(shù) 124 空間矢量調(diào)制技術(shù)（SVPWM） 2. 1信號(hào)檢測(cè) 電機(jī)檢測(cè)信號(hào) 電機(jī)極限參數(shù) 過電流、過電壓、過熱和欠電壓等 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài) 位置、速度.加速度、電流、電壓、力或 轉(zhuǎn)矩、溫度、振動(dòng)和噪聲、壓力和流量等 電流、電壓、溫度、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速 2. 1信號(hào)檢測(cè) 一、電流檢測(cè) 二、電壓檢測(cè) 三、溫度

18、檢測(cè) 四、位置檢測(cè) 五、速度檢測(cè) 0V 1.2.1信號(hào)檢測(cè) 一 電流檢測(cè) 電阻法、電流互感器法和霍爾效應(yīng)電流傳感器法 1電阻法 優(yōu)點(diǎn)：成本低，線路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快 缺點(diǎn)：消耗能量，精度受溫度影響 適用：電流比校小的場(chǎng)合 2、電流互感器法 原理：電磁感應(yīng)原理測(cè)量電流 適用：高壓大電流的情況 缺點(diǎn)：測(cè)量動(dòng)態(tài)或低頻信號(hào).精度不高給 1.2.1信號(hào)檢測(cè) 3.霍爾效應(yīng)電流傳感器 利用霍爾效應(yīng)和磁場(chǎng)平衡原理設(shè)計(jì)的精密型電流檢測(cè)元件 優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離 交流與直流均可測(cè)量 梢度高 缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴 需要外加恒壓直流電源 1.2.1信號(hào)檢測(cè) 二、電壓檢測(cè) 直扌g(shù)測(cè)量、電壓互感器法、霍爾效應(yīng)電壓傳感器 1.

19、直接測(cè)量 直接放大（被測(cè)電壓較?。?電阻分壓法（被測(cè)電壓較高，直流母線電壓測(cè)量） 注意：沒有電氣隔離作用 2、電壓互感器法（交流高壓電時(shí)使用） 原理：利用變壓器原理將高壓變?yōu)榈蛪汉笤贉y(cè)量. 優(yōu)點(diǎn)：有電氣隔離抗干擾能力校強(qiáng)，測(cè)量簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：動(dòng)態(tài)或低頻尋信號(hào)的測(cè)量精度不高 1.2.1信號(hào)檢測(cè) 3、霍爾效應(yīng)電壓傳感器 工作原理：與霍爾效應(yīng)電流傳感器類似 電流傳感器被測(cè)電流的導(dǎo)休匝數(shù)很少 電壓傳感器的匝數(shù)相對(duì)較多 1.2.1信號(hào)檢測(cè) 三. 溫度檢測(cè) 接觸式測(cè)量方法和非接觸式測(cè)量 1、接觸式測(cè)量 利用熱敏元件和溫度傳感器等進(jìn)行測(cè)量 （如熱屯偶、溫度計(jì)和熱敏屯阻） 2. 非接觸式測(cè)量 利用物體的熱輻射、色

20、譜等進(jìn)行測(cè)量 （如紅外測(cè)溫、光纖光柵測(cè)溫和圖像測(cè)溫） 電機(jī)控制中，溫度的檢測(cè)采用接觸式測(cè)童 1.2.1信號(hào)檢測(cè) 四、位置檢測(cè) 微電機(jī)解算元件：旋轉(zhuǎn)變壓器和同步感應(yīng)器 光電元件：絕對(duì)光電編碼器、增量光電編碼器、直線光柵 磁敏元件：霍爾位迅?jìng)鞲衅?電磁感應(yīng)元件：接近開關(guān)、開口變壓器 從電機(jī)解算元件和光電元件：測(cè)量精度較高 磁敏元件和電磁感應(yīng)元件：只能檢測(cè)某些固定的繞組換相位置 2. 1信號(hào)檢測(cè) 1、絕對(duì)式光電編碼器 組成：光電傳感器，光源、透鏡、碼盤 光敏二極管、驅(qū)動(dòng)電路 原理：給定編嗎一圓盤分成若干等份一 配豈相應(yīng)元件和電路一絵出編碼 -扇區(qū)位輩角 缺點(diǎn)：碼道圖案的變化數(shù)目不明確，輸出 電平變化頻繁，容易產(chǎn)生較多誤差 改進(jìn)：格需碼編嗎盤 .2. 1信號(hào)檢測(cè) 格雷碼編碼盤 編碼：0000-0001-0011-0010-0110 0111-0101-*0100-1100-* 1000 特點(diǎn)：工作穩(wěn)定可靠。 分辨率：位數(shù)n表示 角度分辨率：360/2n 高精度：達(dá)位和22位 絕對(duì)式光電編碼器：確定絕對(duì)位盍信息 貝吒冊(cè)烏盤 1 i*8 1.2.1信號(hào)檢測(cè) 2.增量式光電編碼器 組成：龍?jiān)?透鏡.主光柵碣盤密向盤光敬元件 原理：編碼盤隨位逛的變化輸出一系列脈沖信號(hào), 通過對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的記錄，確定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的 位置. 絕對(duì)位辰角，設(shè)冇零位脈沖 適用：檢測(cè)位置和速度 1.2.1信號(hào)檢測(cè) 五、