基于DSP的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、 . PAGE36 / NUMPAGES36基于DSP的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要近年來，電機(jī)控制技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)在快速發(fā)展，直流電機(jī)由于自身的高性能被大量應(yīng)用。直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，因此在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。尤其在高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，對無刷直流電機(jī)性能的要求一直在提高。在電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)、電力電子設(shè)備控制跟控制策略等方面對電機(jī)性能進(jìn)行改善，會(huì)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。 在大量對無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用文獻(xiàn)調(diào)研為基礎(chǔ)，本文采用TI公司的TMS320F2812芯片為控制核心，控制對象是直流電機(jī)，研究基于DSP

2、的直流電機(jī)控制系統(tǒng)。本文對電機(jī)本體的基本結(jié)構(gòu)和控制算法進(jìn)行分析，研究如何使電機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)，提高系統(tǒng)的調(diào)速性能。其次，根據(jù)電機(jī)與DSP芯片的特性，得出無刷直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，由此對硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件部分主要電路包括電源電路、位置檢測電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路；在軟件部分根據(jù)控制策略，在開發(fā)軟件CCS中用C語言編寫主程序、初始化程序和中斷服務(wù)程序等模塊。最后給出實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)測試情況，給出了轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)波形，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能穩(wěn)定調(diào)速，結(jié)果比較理想。 關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；DSP;PIDThe Design Of DC Motor Control System Based On

3、DSPABSTRACTIn recent years, with the rapid development of control technology, microelectronics technology and power electronic technology,DC motor has been widely applied because of its high performance. DC motor has advantages of convenient maintenance, reliable operation and simple structure, but

4、also has high torque, higher operating efficiency advantages. So it has a wide range of applications in the field of motion control. Specially, in the high-performance motion control, the requirement of performance of DC motor has being improving. Based on researching vast literatures about the appl

5、ication research of DC motor control system development, this document studies the sensor DC motor using DSP, which use the TMS320F2812 chip as a control core and the DC motor as the object. In this document, the basic structure of motor and control algorithm is studied in order to make the motor sm

6、ooth starting and improve system performance. Besides, according to the characteristic of motor and DSP chip and systems requirements, the design scheme of DC motors control system has been completed. The hardware part includes power supply circuit, current detection circuit, protection circuit and

7、drive circuit. The software part contains main program, initialization program and interruption program. Finally, experimental research is made on the worktable, and got the rotate speed fluctuation. The control system designed is stable in this paper, and it has good speed adjusting performance and

8、 a wide speed range. Key words: DC motor; DSP; PID 目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc23387 1.1課題研究的意義 PAGEREF _Toc23387 5 HYPERLINK l _Toc24053 1.2直流電機(jī)調(diào)速國外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc24053 5 HYPERLINK l _Toc31656 1.2.1 改進(jìn)調(diào)速方法 PAGEREF _Toc31656 6 HYPERLINK l _Toc16885 1.2.2 提高系統(tǒng)性能的控制算法。 PAGEREF _Toc16885 6 HYPER

9、LINK l _Toc8460 1.3 課題研究的主要容與章節(jié)安排 PAGEREF _Toc8460 6 HYPERLINK l _Toc32064 2 無刷直流電機(jī)控制原理與相關(guān)技術(shù) PAGEREF _Toc32064 8 HYPERLINK l _Toc3561 2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)PWM控制方式 PAGEREF _Toc3561 8 HYPERLINK l _Toc30476 22 轉(zhuǎn)速單反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) PAGEREF _Toc30476 9 HYPERLINK l _Toc2427 2.2.1 轉(zhuǎn)速單反饋閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性 PAGEREF _Toc2427 10 HYPERLINK l

10、 _Toc19229 2.2.2 轉(zhuǎn)速單反饋閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 PAGEREF _Toc19229 11 HYPERLINK l _Toc13339 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc13339 12 HYPERLINK l _Toc25955 31 主電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc25955 12 HYPERLINK l _Toc27380 32 控制電路硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc27380 12 HYPERLINK l _Toc13171 3.2.1 控制芯片DSPTMS320F2812簡介 PAGEREF _Toc13171 13 HYPERLINK l _Toc770

11、1 3.2.2 DSP電源設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc7701 13 HYPERLINK l _Toc25280 3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc25280 14 HYPERLINK l _Toc21561 3.2.4 轉(zhuǎn)速檢測電路 PAGEREF _Toc21561 15 HYPERLINK l _Toc6605 3.2.5 故障保護(hù)電路 PAGEREF _Toc6605 17 HYPERLINK l _Toc12744 3.2.6 DSP與JTAG接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc12744 17 HYPERLINK l _Toc19365 3.2.7 DSP 串行接口

12、設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc19365 18 HYPERLINK l _Toc17621 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc17621 19 HYPERLINK l _Toc93 4.1 DSP軟件開發(fā)環(huán)境簡介 PAGEREF _Toc93 19 HYPERLINK l _Toc9772 4.2 直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc9772 20 HYPERLINK l _Toc629 4.2.1 數(shù)字測速方法 PAGEREF _Toc629 21 HYPERLINK l _Toc16301 4.2.2 捕獲中斷 PAGEREF _Toc16301 23 HYPERLINK

13、 l _Toc8258 4.2.3故障中斷 PAGEREF _Toc8258 25 HYPERLINK l _Toc19067 4.3 數(shù)字PID算法與其應(yīng)用 PAGEREF _Toc19067 26 HYPERLINK l _Toc27095 4.4小結(jié) PAGEREF _Toc27095 28 HYPERLINK l _Toc27608 5 系統(tǒng)調(diào)試與分析 PAGEREF _Toc27608 29 HYPERLINK l _Toc22278 5.1 系統(tǒng)開發(fā)主框架 PAGEREF _Toc22278 29 HYPERLINK l _Toc19870 5.2 系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _To

14、c19870 29 HYPERLINK l _Toc24159 第六章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc24159 33 HYPERLINK l _Toc14256 6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié) PAGEREF _Toc14256 33 HYPERLINK l _Toc3435 6.2 進(jìn)一步研究方向 PAGEREF _Toc3435 33 HYPERLINK l _Toc6628 致 PAGEREF _Toc6628 35 HYPERLINK l _Toc29548 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc29548 361 緒論1.1課題研究的意義在現(xiàn)代工業(yè)中,生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)其工藝特點(diǎn),對出現(xiàn)拖動(dòng)的電

15、動(dòng)機(jī)提出各種不同的要求,有些要求能迅速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn);而有的要求多臺電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速能按一定的比例協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng);也有的需要電動(dòng)機(jī)達(dá)到極慢的速度運(yùn)動(dòng);有的要求電動(dòng)機(jī)起、制動(dòng)平穩(wěn),并且能準(zhǔn)確的停在給定的位置。由此可見各種拖動(dòng)系統(tǒng)都是通過控制轉(zhuǎn)速使得控制轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)的。1與交流電機(jī)相比,直流電動(dòng)機(jī)由于具有調(diào)速性能好、穩(wěn)定性好、靜差率小以與具有良好的動(dòng)態(tài)性能、運(yùn)行效率高的優(yōu)點(diǎn),因此在很長的時(shí)期,高性能調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用直流調(diào)速系統(tǒng)。1.2直流電機(jī)調(diào)速國外研究現(xiàn)狀目前,我國直流調(diào)速控制主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。1.提高調(diào)速的單機(jī)容量.我國現(xiàn)有的最大單機(jī)容量比國外單機(jī)容量小很多。2.提高電力電子元器件的生產(chǎn)

16、水平,并增加品種。3.提高控制單元的水平.目前國使用較多的仍是小規(guī)模集成運(yùn)放和組件組成的調(diào)速控制系統(tǒng),觸發(fā)裝置有的仍是分立元件。目前,國外第四代產(chǎn)品以微處理器為基礎(chǔ),具有控制、保護(hù)、監(jiān)視、診斷與復(fù)原等多種功能。近年來,各國學(xué)者致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究,利用監(jiān)測定子電流、電壓等易于測量的物理量進(jìn)行速度估算,以取代速度傳感器,這樣的控制方式不需要監(jiān)測硬件,也免去了傳感器帶來的環(huán)境適應(yīng)性、維護(hù)和安裝等麻煩,提高了系統(tǒng)的可靠性,降低成本,引起了國外學(xué)者的廣泛興趣。目前,國外主要電氣公司,例如德國西門子公司、日本三菱公司、東芝公司、美國GE公司等,都己開發(fā)出全數(shù)字直流調(diào)速裝置,有成熟的標(biāo)準(zhǔn)化、系

17、列化、模塊化的應(yīng)用產(chǎn)品供選用。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等各種智能控制策略不斷涌現(xiàn)。在集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方面國外已有定型成套裝置。對復(fù)雜的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)控制,技術(shù)已過關(guān),尤其使用了單片機(jī)使控制更方便、可靠,更易調(diào)節(jié)參數(shù)。目前發(fā)展方向是智能化和大型化。我國目前還很少有自主的系列化全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)商用。由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴,于是給了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。本課題正是由于這樣的需求而產(chǎn)生。此外,由于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,實(shí)時(shí)運(yùn)行的圖形功能強(qiáng),對控制過程的參數(shù)和狀態(tài)就有了更直觀的了解,便于對系統(tǒng)進(jìn)行在線的監(jiān)控管理。1.2.1 改進(jìn)調(diào)

18、速方法因?yàn)殡姍C(jī)調(diào)速主要通過改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)，所以直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法主要有三種： a調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。改變電樞電壓主要從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要在一定圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)而言，這種方法最好。電樞電流變化遇到的時(shí)間常數(shù)小，能快速響應(yīng)，但需要大容量可調(diào)直流電源。 b改變電動(dòng)機(jī)主磁通 。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速、屬恒功率調(diào)速方法。電樞的電流變化時(shí)所遇到的時(shí)間常數(shù)要大很多，響應(yīng)速度較慢但所需電源容量小。 c改變電樞回路電阻 R。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能有級調(diào)

19、速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒有什么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗大量電能。 改變電阻調(diào)速的缺點(diǎn)很多，目前很少采用僅在有些卷揚(yáng)機(jī)、起重機(jī)以與電車等低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長或調(diào)速性能要求不高的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。其弱磁調(diào)速圍不大，往往和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小圍升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)一般以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把弱磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速兩種方法配合起來使用。21.2.2 提高系統(tǒng)性能的控制算法。根據(jù)自動(dòng)控制理論，高質(zhì)量控制系統(tǒng)必須為含負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。控制精度、抗干擾能力和穩(wěn)定性是衡量系統(tǒng)整體性能高低的重要因素，要使系統(tǒng)有較高的控制精度和穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗干擾能力，采用合適的控制方法

20、至關(guān)重要。而隨著直流電動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展，其性能的不斷提高，需要配合更加先進(jìn)的控制算法構(gòu)成高性能的控制系統(tǒng)。同時(shí)，傳統(tǒng)的控制器已無法滿足這種對控制精度日益提高的要求，34而近年來智能控制理論發(fā)展迅速，這些理論的共同特點(diǎn)在于無需對象精確的數(shù)學(xué)模型并具有較強(qiáng)的魯棒性，所以很多學(xué)者都將智能控制方法(如模糊控制、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等)引入電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，這也是將來一段時(shí)間直流電機(jī)高性能的調(diào)速系統(tǒng)的主要研究方向。1.3 課題研究的主要容與章節(jié)安排 在研究全數(shù)字無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上,提出了一種以DSP為控制器的無刷直流電機(jī)智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用了TI公司的TMS320F2812高性能數(shù)字處理器,

21、由此設(shè)計(jì)出基于DSP的數(shù)字直流電機(jī)的控制(DC)系統(tǒng)。本論文共分為五大部分,容如下綜述:(l)介紹了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展、研究現(xiàn)狀以與未來趨勢,并且詳細(xì)說明課題研究的現(xiàn)狀和意義,在最后對論文的具體工作做出簡要概括。(2)對直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理做了概述,數(shù)學(xué)模型以與電機(jī)控制中應(yīng)用的一些關(guān)鍵技術(shù):如啟動(dòng)技術(shù)、PWM控制技術(shù)等,并對其進(jìn)行概括研究。(3)首先根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)詳細(xì)介紹電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件平臺,然后介紹數(shù)字信號處理器TMS320F2812。接著從硬件角度對DSP的控制子系統(tǒng)、電源電路、檢測電路、驅(qū)動(dòng)電路等進(jìn)行詳細(xì)介紹。(4)根據(jù)DSP直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ),進(jìn)行了軟件程序代

22、碼的編寫、調(diào)試,使用的是以CCS4集成開發(fā)環(huán)境為軟件開發(fā)工具。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化設(shè)計(jì)思想,并且給出了部分的流程圖。并且最后對軟件和硬件構(gòu)件部分進(jìn)行了調(diào)試。(5)對本課題的研究結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié),對研究中存在的問題和不足之處進(jìn)行了分析,并對下一步工作進(jìn)行說明。2 無刷直流電機(jī)控制原理與相關(guān)技術(shù)2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)PWM控制方式直流調(diào)速系統(tǒng)采用的是PWM控制方式，簡要介紹一下基本原理：a原理圖 b 波形圖圖2-2 PWM的原理圖和電壓波形在原理圖2-2a中,VT表示電子開關(guān)器件,VD表示續(xù)流二極管。在VT導(dǎo)通時(shí),直流電源電壓Us加到電動(dòng)機(jī)兩端上;在VT關(guān)斷時(shí),直流電源與電機(jī)脫離,電動(dòng)機(jī)電樞

23、經(jīng)VD續(xù)流,兩端壓降接近于零。如此反復(fù),電樞端電壓波形如2-2b所示。這樣,電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為:Ud= (2-1)上式中T為可控電子器件VT的開關(guān)周期;ton為導(dǎo)通時(shí)間;為占空比;=ton/T=tonf; f為開關(guān)頻率。5圖2-3a為可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖,由VTIVT4共4個(gè)電力電子開關(guān)元器件構(gòu)成橋式可逆脈沖寬度調(diào)制的變化器。VTI和VT4同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷,而VTZ和VT3同時(shí)通斷,這樣電動(dòng)機(jī)M的電樞兩端承受+Us或-Us.在第一個(gè)PWM周期,0tton時(shí),Ug1和Ug4同時(shí)為高電平,開關(guān)VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通,此時(shí),Ug3和Ug2同時(shí)為低電平,使開關(guān)管VT2和VT3都處于截止?fàn)顟B(tài),

24、這時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流從VT1經(jīng)電機(jī)流過VT4,電樞電壓為正。當(dāng)tont0.5時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)0,a10,a20,a30,a1a2-a0a30,對比式（2-9），可得解得其中，Kcr是系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界開環(huán)放大倍數(shù)。根據(jù)勞斯判據(jù)，當(dāng)KolKcr,該系統(tǒng)實(shí)際上不穩(wěn)定，無常運(yùn)行。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)該設(shè)法使臨界開環(huán)放大倍數(shù)的值變大，即增大Kcr的值。6783 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)31 主電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示是橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路。PWM變換器需要的直流電源通常由交流電網(wǎng)通過不可控的二極管整流器產(chǎn)生,采用大電容C濾波,這樣獲得恒定的直流電壓Us。由于一般電容容量較大,突加電源時(shí)相當(dāng)于短路,會(huì)產(chǎn)生很大的充

25、電電流,這樣容易損壞整流二極管。為了限制充電電流,一般在整流器和濾波電容之間串入一個(gè)限流電阻R1,合上電源后,延時(shí)用開關(guān)將R1短路,防止在運(yùn)行中造成附加損耗。 對于PWM變換器中的濾波電容,作用除了濾波之外,還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)起吸收運(yùn)行系統(tǒng)電能的作用。由于直流電源通過二極管整流器供電,不可能回饋電能,電機(jī)制動(dòng)時(shí)只能對濾波電容充電,將使電容兩端電壓升高,即泵升電壓。在含大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中,不能只靠電容器做到限制泵升電壓,這時(shí),可以采用上圖中的鎮(zhèn)流電阻R2消耗部分電能。分流電路靠開關(guān)器件G5在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值的時(shí)候接通。這就是通常所說的“卸載”。9 圖3-1 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

26、主電路32 控制電路硬件設(shè)計(jì)控制電路以DSPTMS320F2812為控制核心,以隔離驅(qū)動(dòng)單元、電源模塊、AD采樣單元為輔助電路,再配以顯示、按鍵等外圍電路。10A/D采集給定的速度信號，光電編碼器QEP輸入接受反饋的位置和速度信號，兩個(gè)事件管理器EV分別控制一路相互獨(dú)立的PWM信號并控制電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)。3.2.1 控制芯片DSPTMS320F2812簡介TMS320F2812是一款32位定點(diǎn)DSP控制器,為目前控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一。其最高頻率可達(dá)150MHz,因此性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器,能夠大大提高控制系統(tǒng)的芯片處理能力和控制精度。這款芯片基于C/C+高效32位TMS

27、320C28xDSP核,并提供了浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫,從而在定點(diǎn)處理器上能夠方便地實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算。F2812采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),使核心供電電壓降為1.8V,I/O電壓為3.3V,這樣大大減小了控制器的功耗;還采用多總線的哈佛結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了處理器的處理能力;還具有精簡指令系統(tǒng)(RISC),使CPU能單周期執(zhí)行寄存器到寄存器的操作,并能夠工作在諾伊曼模式;片上還集成了豐富的外設(shè)資源,如事件管理器EV,ADC模塊、外部中斷接口、SCI和SPI通信接口、存儲(chǔ)器與接口等,大大簡化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì),并降低硬件成本提高系統(tǒng)的可靠性。113.2.2 DSP電源設(shè)計(jì)DSP所需電源是3.3V,且對電源的可靠性

28、要求高,輔助電源模塊所提供的是最低電壓是5V,需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。AMS1117是一款電壓調(diào)節(jié)器,輸出電壓可以是固定的,也可以是可調(diào)的。我們采用這個(gè)穩(wěn)壓器把5V轉(zhuǎn)3.3V,它其具有功耗小,低漏失電壓等特點(diǎn),1A輸出電流時(shí)壓降僅為1.2V ,完全能夠滿足DSP對電源(最小3V,最大3.6v)的要求,而且TPS7333的/reset引腳在系統(tǒng)剛上電后或系統(tǒng)欠壓恢復(fù)后提供一個(gè)寬度為20ms的低電平,幫助微處理器可靠復(fù)位。DSP電源設(shè)計(jì)如圖3-2。圖中/RS引腳接的是DSP的復(fù)位引腳,3.3V為DSP提供數(shù)字電壓,3.3VA為模擬電壓。圖3-2a 輸出3.3v電路圖3-2b 輸出1.8v電路3.2.3

29、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)型號選用的驅(qū)動(dòng)芯片是專用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的H橋組件BTS7960。BTS7960是一款應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的大電流半橋芯片，它自身帶有一個(gè)P溝道的MOSFET和一個(gè)N溝道的MOSFET和以與驅(qū)動(dòng)集成電路。P溝道高邊開關(guān)由于沒有電荷泵的需求, 因而減小了電磁干擾。通過驅(qū)動(dòng)集成技術(shù)，邏輯電平輸入、電流取樣診斷、轉(zhuǎn)換速率調(diào)整器，失效發(fā)生時(shí)間、防止欠電壓、過電流、短路結(jié)構(gòu)輕易地連接到一個(gè)微處理器上。BTS7960的通態(tài)電阻典型阻值為16m，驅(qū)動(dòng)電流最高可達(dá)43A。12BTS7960有單極性和雙極性兩種驅(qū)動(dòng)方式。采用雙極性驅(qū)動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)的電樞電壓極性呈正負(fù)變化,雖然低速能夠平穩(wěn)運(yùn)行

30、,但是還存在功率損耗大、電流波動(dòng)大的缺點(diǎn),而且還有存在上、下兩個(gè)開關(guān)管直通的危險(xiǎn),必須增加死區(qū)控制來避免這種危險(xiǎn)。13此種方法也限制了開關(guān)動(dòng)作頻率的提高。因此本系統(tǒng)采用單極性驅(qū)動(dòng)方式,它的驅(qū)動(dòng)電路如圖3-3所示。圖3-3 全橋驅(qū)動(dòng)示意圖在圖3-3中,BTS7960的芯片部為一個(gè)半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET導(dǎo)通。IN=1且 INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時(shí)，低邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出低電平。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能。14IS引腳是電流檢

31、測輸出引腳。 圖3-4 BTS7960B原理圖3.2.4 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速檢測是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因?yàn)樗寝D(zhuǎn)速控制的反饋量,所以檢測的精度直接影響閉環(huán)控制的精度。目前的常用測速裝置有測速發(fā)電機(jī)、光電旋轉(zhuǎn)編碼器等。然而,測速發(fā)電機(jī)輸出的是一個(gè)脈動(dòng)的電壓值,并且在實(shí)際的運(yùn)行中,會(huì)因周圍環(huán)境的溫度變化、換向器與電刷的接觸電阻隨負(fù)載電流的變化而變化等因素影響,造成輸出存在線性誤差。但是,具有數(shù)字測速功能的光電旋轉(zhuǎn)編碼器具有分辨能力強(qiáng)、測速精度高、受器件影響小等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于調(diào)速要求高、調(diào)速圍大的伺服系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)。光電旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)角或旋速的檢測元件,它與電動(dòng)機(jī)同軸相連,當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),光電編

32、碼器的碼盤會(huì)隨著電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),從而會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)速信號或轉(zhuǎn)角信號。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器分為增量式和絕對式兩種。絕對式光電編碼器通常用來檢測轉(zhuǎn)角,而增量式光電編碼器通常用來檢測轉(zhuǎn)速,并且可以測定電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。15本系統(tǒng)采用的光電編碼器是歐姆龍E6A2-CS3C,工作原理是:在刻度盤上均勻分布著一定數(shù)量的光柵,在紅外對射式發(fā)光裝置存在物體隔斷紅外光線時(shí),輸出低電平,反之,當(dāng)沒有物體隔斷紅外光線時(shí),它會(huì)輸出高電平。因此,把對射式紅外光電傳感器和具有一定數(shù)量光柵的碼盤一起使用時(shí),可得到轉(zhuǎn)速與頻率成正比的方波脈沖系列,再通過一定關(guān)系的變換可得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速值。該編碼器具有如下功能：1有部整形電路與數(shù)字濾波功能;

33、2.可消除抖動(dòng)誤差;3.具有正方向脈沖、逆方向脈沖、雙向脈沖與方向指示輸出功能;接口電路圖如下圖3-4所示：圖3-5 歐姆龍E6A2-CS3C接口電路3.2.5 故障保護(hù)電路TMS32OF2812為用戶提供了兩個(gè)功率器件故障保護(hù)硬件電路接口和,兩個(gè)管腳功能一樣,當(dāng)管腳電平被拉低時(shí),DSP立即將其對應(yīng)的事件管理器所有的PWM管腳設(shè)為高阻態(tài),從而封鎖其PWM輸出。故障保護(hù)一般會(huì)采用軟、硬件聯(lián)鎖的方式,對于故障信號的反應(yīng)硬件比軟件更迅速。在本系統(tǒng)主要考慮的有兩個(gè)故障輸出信號,分別是驅(qū)動(dòng)電路的過流和過熱輸出信號。但它們都不能直接接到事件管理器的管腳,需要對其進(jìn)行處理和光電隔離之后才能接管腳。16其保護(hù)

34、電路如下圖所示。由于過熱信號和過流信號剛好相位相反(即過熱信號引腳輸出為高電平時(shí),則表示正常,輸出是低電平時(shí),表示過熱;而過流信號剛好與之相反),所以要對過熱信號先進(jìn)行反相,再和過流信號進(jìn)行或操作,然后通過光耦芯片接入事件管理器的引腳。圖3-6 故障保護(hù)電路3.2.6 DSP與JTAG接口設(shè)計(jì)DSP仿真器通過DSP芯片上提供的掃描仿真引腳實(shí)現(xiàn)仿真功能,掃描仿真消除了傳統(tǒng)電路仿真存在的電纜過長會(huì)引起的信號失真與仿真插頭的可靠性差等問題。采用掃描仿真,使得在線仿真成為可能,給調(diào)試帶來極大方便。JTAG接口電路如圖3-7所示。圖3-7 JTAG接口電路3.2.7 DSP 串行接口設(shè)計(jì) RS一232是

35、現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的一種串行通信接口。EIA-232是用正負(fù)電壓表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。為了能夠與計(jì)算機(jī)接口相連接，必須在EIA232與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，采用MAX202芯片完成智能儀表與計(jì)算機(jī)的異步串行通信，電路設(shè)計(jì)如圖3-8所示。圖3-8 串行接口電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 DSP軟件開發(fā)環(huán)境簡介一個(gè)好的軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境不僅功能強(qiáng)大、使用便捷,而且可以使開發(fā)人員工作效率高、縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間,因此,這里選用的開發(fā)軟件是目前最先進(jìn)、使用圍最廣泛、功能最齊全的CCS軟件。CCS是TI公司針對自己所有系列DSP

36、開發(fā)而研發(fā)的一個(gè)完整的集成開發(fā)環(huán)境軟件,它將創(chuàng)建DSP應(yīng)用程序所需的工具全部集成在一起。其中主要成分包括:C/C+編輯器，匯編優(yōu)化器和連接器(代碼生成器)；主機(jī)和目標(biāo)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞(RTDX)；智能化的集成開發(fā)環(huán)境,包括CodeMaestro技術(shù)；實(shí)時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)(DSP/B105)；高級觸發(fā)事件；指令集仿真器；數(shù)據(jù)的可視化；更新指導(dǎo)。CCS具有強(qiáng)大的調(diào)試功能,如設(shè)置斷點(diǎn),斷點(diǎn)處查看變量或寄存器的值,具有可以選擇的單步跟連續(xù)運(yùn)行模式,具有可視化界面能監(jiān)視信號數(shù)據(jù)等功能,為系統(tǒng)的開發(fā)提供便捷的軟件調(diào)試環(huán)境。17基于CCS的開發(fā)流程如下圖4-1所示。4.2 直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)制系統(tǒng)的硬

37、件一般通過軟件來實(shí)現(xiàn)管理,因此系統(tǒng)的硬件是否按預(yù)期的控制規(guī)律正常工作,取決于系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)是否合理。這里所設(shè)計(jì)的基于DSP直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要通過主程序和中斷服務(wù)子程序兩個(gè)部分構(gòu)成,用以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)達(dá)到的控制策略與對系統(tǒng)硬件設(shè)備的管理。18主程序主要完成的是實(shí)時(shí)性要求不高的功能,例如系統(tǒng)初始化、中斷設(shè)置還有循環(huán)設(shè)置等功能;而中斷服務(wù)子程序則達(dá)到實(shí)時(shí)性較高的功能,基本用來實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)要采用的單閉環(huán)調(diào)速控制策略。中斷服務(wù)子程序則包括AD采樣中斷、轉(zhuǎn)速捕獲中斷、故障保護(hù)中斷。整個(gè)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的程序流程圖如下4-2所示。4-2 控制程序流程圖為了保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行,各個(gè)中斷服務(wù)子程序的中斷

38、級別設(shè)定也非常重要,否則,如果是由于中斷級別設(shè)置的不合理,可能永遠(yuǎn)都不會(huì)響應(yīng)到某個(gè)中斷服務(wù)子程序。該系統(tǒng)所有的中斷服務(wù)子程序的優(yōu)先級別設(shè)定如下:故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序的中斷優(yōu)先級最高,AD采樣的中斷服務(wù)子程序次之,然后才是轉(zhuǎn)速捕獲中斷服務(wù)子程序。19由于本系統(tǒng)所使用的某些中斷服務(wù)子程序的中斷級別已經(jīng)在外設(shè)中斷模塊(PIE)中設(shè)定,假設(shè)用的是同一事件管理器,那就不用考慮中斷級別,因?yàn)檫@樣部設(shè)定已經(jīng)滿足系統(tǒng)的要求。如果使用了兩個(gè)事件管理器，那么需根據(jù)外設(shè)中斷模塊(PIE)中提前設(shè)定好的中斷優(yōu)先級高低,再考慮選用合適的輸入管腳滿足上述的中斷級別設(shè)定要求。204.2.1 數(shù)字測速方法采用光電編碼器有三

39、種數(shù)字測速方法：M法、T法和M/T法。21 1 M法測速原理：在選定時(shí)間T,使用2812部事件管理模塊(事件管理器A或事件管理器B)中的捕獲單元對光電編碼器輸出的脈沖序列進(jìn)行捕捉,得到在時(shí)間T捕捉到的脈沖數(shù)m,再用m除以T就能得到當(dāng)前T時(shí)間的采樣脈沖頻率f。最后通過關(guān)系式(4-l)就能得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速值n。 n=60000m/(Z*T) (4-1)2 T法測速原理：把2812部事件管理器(EVA或EVB)中的某個(gè)定時(shí)器的工作狀態(tài)設(shè)置為高頻遞增計(jì)數(shù)模式,就是讓這個(gè)定時(shí)器作為一個(gè)頻率為f的高頻時(shí)鐘。再利用事件管理器中的捕捉單元對光電編碼器輸出的脈沖序列進(jìn)行捕獲,如果捕捉到連續(xù)的兩個(gè)脈沖上升沿(或下降沿

40、)時(shí),就用第二次捕獲到脈沖時(shí)定時(shí)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值m2與第一次捕獲到脈沖時(shí)定時(shí)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值m1相減,這樣就可以得到一個(gè)脈沖周期高頻時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值m,然后通過式(4-2)計(jì)算出當(dāng)前采樣脈沖的周期T。再通過關(guān)系式(4-3)就能算出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值n。 T=(m2-m1)/f=m/f (4-2)n=60000/(Z*T) (4-3)其中，Z為光電編碼器的光柵數(shù)，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)為Z，f為時(shí)基時(shí)鐘頻率。T法適合低速測速。223 M/T法測速原理：M法測速適用于高速段測速,T法測速適用于低速段,而M/T法則兼顧前兩種測速方法的優(yōu)點(diǎn),它的測速圍明顯大于前面兩種。其測速原理為:M法和T法測速必須同一時(shí)間開

41、啟與停止,即當(dāng)脈沖上升沿(或下降沿)到達(dá)時(shí),兩個(gè)計(jì)數(shù)器就同時(shí)允許開始或停止計(jì)數(shù)。即在檢測時(shí)間T編碼器輸出脈沖個(gè)數(shù)M1,并且同時(shí)檢測出頻率為f的高頻時(shí)鐘計(jì)數(shù)值M2,通過式(4-4)就能計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速值n。n= (4-4)其中，Z為光柵數(shù)。雖然在理論上來說,M/T能同時(shí)滿足高、低速測速精度,但在實(shí)際上,由于本系統(tǒng)使用的編碼器光柵數(shù)為45,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min,從分辨率的角度來看,M法的分辨率為 Q= (4-5)Z是光柵數(shù)量，T是采樣周期。T法的分辨率： Q= (4-6)其中，Z是光柵數(shù)，f為高頻時(shí)鐘頻率，M是計(jì)數(shù)脈沖。由于本系統(tǒng)使用的高頻時(shí)鐘頻率為75MHz,編碼器光柵數(shù)為45,因此采用M

42、法進(jìn)行測速的最高分辨率為Q=600000/(45*0.01)=133300。而使用T法進(jìn)行測速的最低分辨率Q=(60000*75*106)/(45*33333*33332)=90。由上面分析可得,T法最低分辨率也比M法的最高分辨率高出幾個(gè)數(shù)量級。因此，T法測速能使測速精度得到保證,其余的兩種方法測速精度沒有T法效果好。234.2.2 捕獲中斷捕獲中斷服務(wù)子程序的作用是檢測直流電機(jī)的當(dāng)前的運(yùn)行轉(zhuǎn)速值,也就是為轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)提供反饋量。24本系統(tǒng)所采用的測速方法是M法測速,因此捕獲中斷的周期是固定的,它不隨著轉(zhuǎn)速的快慢而變化。每個(gè)捕獲單元帶一個(gè)專用的兩級深的FIFO堆棧,每捕捉到一個(gè)上升沿脈沖,捕獲

43、單元就將通用定時(shí)器(高頻時(shí)鐘)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值寫到FIFO堆棧中。如果捕獲單元檢測到帶有連續(xù)的兩個(gè)上升沿脈沖時(shí),系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行一次捕獲中斷,再通過M法測速原理和FIFO堆棧里的計(jì)數(shù)值,就能計(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。25由于本系統(tǒng)使用的編碼器光柵數(shù)比較少,當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí),大約1ms才能得到一次轉(zhuǎn)速值,當(dāng)轉(zhuǎn)速降到300r/min時(shí),大約5ms才能得到一次轉(zhuǎn)速值,所以本系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)采用的是變周期調(diào)節(jié)方式,即每當(dāng)捕捉到一個(gè)轉(zhuǎn)速值就對轉(zhuǎn)速進(jìn)行一次調(diào)節(jié),這樣就能達(dá)到根據(jù)實(shí)際情況來快速調(diào)節(jié)的效果。這樣就能避免定周期調(diào)節(jié)時(shí),低速時(shí)出現(xiàn)過調(diào)節(jié)現(xiàn)象,導(dǎo)致系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)所需時(shí)間較長。26下圖4-3為捕獲中斷服

44、務(wù)子程序的流程框圖。代碼部分見圖4-4274-3 捕獲中斷服務(wù)子程序流程圖4-4 捕獲中斷代碼4.2.3故障中斷故障中斷服務(wù)子程序是為了當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)意外不可控的情況時(shí),DSP立即對此進(jìn)行中斷處理,以便能夠與時(shí)地保護(hù)系統(tǒng)。2829例如當(dāng)檢測到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片所輸出的過流和過熱信號(即引腳為低電平)時(shí),所有PWM輸出引腳都設(shè)置成高阻狀態(tài),并置位中斷標(biāo)志位,如果此中斷并未受到屏蔽,就進(jìn)對它行中斷處理,避免發(fā)生故障進(jìn)一步擴(kuò)大的情況。下圖4-4為故障中斷服務(wù)子程序所對應(yīng)的流程圖。30314-5 故障中斷保護(hù)服務(wù)子程序流程圖4.3 數(shù)字PID算法與其應(yīng)用本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，要對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行采樣并計(jì)算，然后

45、與給定值進(jìn)行比較，并采用相應(yīng)的算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。其流程圖如圖4-6所示。PID算法是目前電機(jī)控制領(lǐng)域中使用最多的控制算法。其中目前使用的數(shù)字PID算法在各個(gè)控制策略中占據(jù)很大的優(yōu)勢。PID算法由三部分組成，分別是比例、積分和微分環(huán)節(jié)。如果精度要求不高的話，只需要比例和微分環(huán)節(jié)就能達(dá)到所需要的控制效果。原來經(jīng)典的模擬PID算法在數(shù)字信號處理領(lǐng)域中應(yīng)用就得到了數(shù)字PID算法,增量式數(shù)字PID算法是一般使用較多的數(shù)字PID算法,它具有控制效率高，軟件易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。4-6 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制流程圖PID各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生控制作

46、用,以減少偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越大,則積分的作用越弱,反之則越強(qiáng)。 微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號值變得太大之前,在系統(tǒng)巾引入一個(gè)冇效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度,減小調(diào)節(jié)時(shí)間。由于各校正環(huán)節(jié)的特點(diǎn)不同,控制器可有比例微分PD、比例積分PI和比例積分微分PID三類調(diào)節(jié)器。由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正,可以保證穩(wěn)態(tài)精度,卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)的穩(wěn)定。由于本系統(tǒng)對于快速性的要求不髙,因此采用相對簡單的PI調(diào)節(jié)器。假設(shè)計(jì)算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速為nr,轉(zhuǎn)速的給定值為nref,電路調(diào)節(jié)器采用

47、增量式積分分離PI調(diào)節(jié)器,速度調(diào)節(jié)器的輸出為u(k),則速度調(diào)節(jié)的算法如下:E(k)=nref-nr (4-1)E(k)=E(k)-E(k-1) (4-2)u(k)= (4-3)其中，Ki為速度環(huán)比例系數(shù)，Kp為速度環(huán)積分系數(shù)。E0為積分分離算法的積分分離閥，當(dāng)|e(kt)|E0時(shí)，即偏差較小時(shí)，采用PI控制，消除靜差，提高控制精度。當(dāng)|e(kt)|E0時(shí)，采用P控制，可以降低超調(diào)量，獲得比較好的動(dòng)態(tài)性能。這樣速度調(diào)節(jié)的輸出控制PWM的占空比從而達(dá)到調(diào)速的效果。4.4小結(jié)本章主要是對系統(tǒng)的主要軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),并給了整個(gè)系統(tǒng)的控制流程圖和各個(gè)中斷服務(wù)子程序模塊的流程圖,以與對系統(tǒng)中的用到的各個(gè)

48、中斷任務(wù)的中斷級別進(jìn)行了設(shè)定,目的是為了使系統(tǒng)中所有中斷根據(jù)需要都能夠得到響應(yīng),從而使系統(tǒng)達(dá)到正常工作的效果。5 系統(tǒng)調(diào)試與分析 整個(gè)控制系統(tǒng)是采用DSP2812作為控制核心，CCS4V4作為軟件開發(fā)工具。主要程序包括系統(tǒng)初始化，起動(dòng)模塊，轉(zhuǎn)速采集模塊和PID速度控制模塊這些主要功能模塊相關(guān)的函數(shù)。5.1 系統(tǒng)開發(fā)主框架圖5-1 直流調(diào)速系統(tǒng)主要框架圖 上圖5-1是整個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)的主要框架圖，通過XDS100V2仿真器實(shí)現(xiàn)DSP的硬件仿真。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號通過光電編碼器采集并作為閉環(huán)控制的反饋信號輸送到控制芯片中，接受到轉(zhuǎn)速信號之后控制器根據(jù)反饋信號對輸入到功率驅(qū)動(dòng)板的PWM信號進(jìn)行調(diào)整進(jìn)而

49、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。5.2 系統(tǒng)調(diào)試本系統(tǒng)使用的仿真器為明偉XDS100V2仿真器。這是一種低成本、高性能的仿真器，性價(jià)比高于其他名牌仿真器。具有如下特點(diǎn)：1.具有強(qiáng)大的自我保護(hù)功能，采用高性能USB 數(shù)據(jù)線與電腦連接，支持USB1.0、USB1.1、USB2.0 接口，并且支持熱插拔；2.支持Texas Instruments公司的TMS320 F280X/F281X/F280XX F2833X/C550X/C674X等芯片的在線連接仿真；3.仿真器適合CCS4.0與以上版本，支持C語言和匯編； 4.本仿真器與開發(fā)板采用TI 的標(biāo)準(zhǔn)14 腳 JTAG 接口連接，仿真器使用操作簡單，方便。下圖5-

50、2為系統(tǒng)所用的軟件開發(fā)環(huán)境CCS4.0(Code Composer Studio)的界面。其中這個(gè)軟件在第四章已經(jīng)做了詳細(xì)介紹。在對系統(tǒng)進(jìn)行初始化之后，還完成了中斷、定時(shí)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)速采集、PID控制等各個(gè)模塊代碼的編寫。5-2 軟件開發(fā)環(huán)境CCS4.0本系統(tǒng)通過DSP的T1PWM_T1CMP引腳和T2PWM_T2CMP引腳輸出PWM信號并作為BTS7960的輸入。BTS7960驅(qū)動(dòng)電流可達(dá) 43A，PWM頻率最大25KHZ，與DSP5V隔離，有效保護(hù)芯片。光電編碼器為歐姆龍E6A2-CS3C，詳細(xì)介紹見3-2節(jié)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺如下圖5-3、5-4所示。圖5-3 系統(tǒng)硬件平臺圖5-4 帶負(fù)載系

51、統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖5-5 PWM輸出波形將程序燒寫到DSP中的程序存儲(chǔ)器中后，供上電之后通過示波器觀察運(yùn)行結(jié)果，實(shí)驗(yàn)時(shí)電機(jī)為空載。上圖5-5為PWM輸出波形。用萬用表測得電壓為1.76V，測得BTS7960輸出端電壓差為0.5V。根據(jù)調(diào)速要求，修改占空比得到下圖5-6所示的波形。用萬用表測得電壓0.72V，測得BTS7960輸出端電壓差為-3.74V。圖5-6 調(diào)整占空比后的PWM波形本章主要介紹了整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。并分別介紹了軟件開發(fā)的平臺和硬件平臺，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過調(diào)試表明本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定調(diào)速，結(jié)果理想，滿足控制要求。第六章 總結(jié)與展望6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)在

52、傳統(tǒng)的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)中,使用得最多的控制器還是單片機(jī)和其它運(yùn)行速度較慢的微型控制器,因其主頻低,使用不了較復(fù)雜的控制算法,所以常規(guī)PID或PI控制算法成為其首選。32但常規(guī)PID或PI控制算法已經(jīng)滿足不了工業(yè)上越來越高的對直流電機(jī)調(diào)速的精度、與時(shí)性和魯棒性等各項(xiàng)指標(biāo)要求,而隨著很多高性能的數(shù)字信號處理器DSP的出現(xiàn),使得復(fù)雜的控制算法能在數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)成為了可能。因此,本文所設(shè)計(jì)的基于DSP的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng),除了對系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了研究,還著重對系統(tǒng)中應(yīng)用的控制策略進(jìn)行了研究。并針對實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行分析,同時(shí)采取相應(yīng)的解決措施。一、軟硬件設(shè)計(jì)方面1.在

53、進(jìn)行控制系統(tǒng)的對應(yīng)硬件電路設(shè)計(jì)時(shí),由于自己對硬件電路設(shè)計(jì)方面經(jīng)驗(yàn)欠缺,對所設(shè)計(jì)出來的硬件電路進(jìn)行設(shè)備調(diào)試時(shí),用示波器觀測后,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的采樣信號包含很大的噪聲,尤其是速度采樣信號。經(jīng)過研究與搜索相關(guān)資料和解決措施,找出了導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因,是由于數(shù)字信號和模擬信號共地,還有微弱信號進(jìn)行長距離傳輸也會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此,采用的解決方案是:數(shù)字信號的地和模擬信號的地不要并在一起,如果避免不了的話,需要在離電源較近的地方一點(diǎn)共地;對于微弱信號的長距離傳輸后,必須要加濾波電容,如果存在必要，可以考慮在信號的輸入和輸出端都并一個(gè)10pF的濾波電容,經(jīng)過濾波電容濾波后,由于長距離傳輸所產(chǎn)生的高頻噪聲都將被濾掉。

54、2.在對系統(tǒng)進(jìn)行軟件部分的調(diào)試時(shí),主要對系統(tǒng)的中斷模塊進(jìn)行測試,測試中斷程序有沒有正常和中斷級別設(shè)置合不合理。首先要單獨(dú)測試各中斷是否正常,測試正常后再將中斷分別加到系統(tǒng)中,然后觀察整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)中斷是否含有響應(yīng),如果中斷級別設(shè)置不妥,將會(huì)使某個(gè)中斷子程序一直得不到響應(yīng)。對于本系統(tǒng)DSP芯片部已經(jīng)設(shè)置了各中斷的終端級別,所以只需選取對應(yīng)的中斷級別的管腳即可。33二、軟件控制方面雖然DSP的運(yùn)算速度很快,但在編寫程序控制算法時(shí)也要對其進(jìn)行優(yōu)化,盡量避免一些無用的運(yùn)算,這樣就能保證控制算法的執(zhí)行時(shí)間足夠短,進(jìn)而達(dá)到實(shí)時(shí)控制的效果。6.2 進(jìn)一步研究方向雖然本文設(shè)計(jì)的基于DSP的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),控制效果已經(jīng)達(dá)到令人滿意的地步,不過由于一些方面的限制如實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間,有些工作需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。雖然對本系統(tǒng)已進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn),但是都是建立在CCS軟件的基礎(chǔ)上來對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行的,而且使用的也是DSP開發(fā)板,并未將整個(gè)硬件做成一個(gè)集成的嵌入式系統(tǒng),所以,把整個(gè)硬件模塊做成一個(gè)集成的嵌入式系統(tǒng)是下一步所需要研究的工作。致 這篇論文從選題到完成的各個(gè)部分都離不開我的導(dǎo)師冰林老師的指導(dǎo)。老師淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敏銳的科研洞察力、廣闊的知識視野都對我們生產(chǎn)了很大的影響，我不僅掌握