DSP的直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)

摘要近年來，隨著新一代電力電子器件和微處器的推出，以及精確的電機(jī)模型和各種先進(jìn)的控制策略的提出，極大的促進(jìn)了電機(jī)控制的發(fā)展，使得精度高、調(diào)速范圍寬、控制性能好的電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

本文以直流電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象,以TMS320C5402為處理器，設(shè)計(jì)了直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路，完成了調(diào)制程序的編寫。并且設(shè)計(jì)了顯示電路，完成了數(shù)據(jù)向主控制芯片的傳送，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交流。

采用了一種基于DSP芯片TMS320C54的PWM波形產(chǎn)生方法，用這種方法獲得的PWM信號(hào)的穩(wěn)定性和精確性優(yōu)于用模擬電路和專用集成電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)。并介紹了PWM原理及其在DSPTMS320關(guān)鍵詞

數(shù)字信號(hào)處理（DSP）控制器

PID算法直流電機(jī)目錄摘要 -1-第一章前言 -3-1.1工程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 -3-1.2工程設(shè)計(jì)目的 -3-1.3工程設(shè)計(jì)設(shè)備環(huán)境 -3-第二章基礎(chǔ)知識(shí)介紹 -4-2.1直流電機(jī)的調(diào)速方法 -4-2.2數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的DSP實(shí)現(xiàn) -5-第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -10-3.1整體設(shè)計(jì)思想 -10-3.2基本硬件組成 -10-3.3TMS320C5402DSP芯片簡(jiǎn)介 -12-3.3.1TMS320C54X的基本結(jié)構(gòu) -12-3.3.2TMS320C54XDSP的中斷系統(tǒng) -12-第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) -15-4.1程序設(shè)計(jì)思路 -15-4.2PID增量型控制算法的實(shí)現(xiàn) -15-4.2.1主程序設(shè)計(jì) -15-4.2.2INT0中斷子程序設(shè)計(jì) -16-4.2.3TINT0中斷子程序設(shè)計(jì) -16-4.3PID算法的改進(jìn)——積分分離 -18-第五章系統(tǒng)調(diào)試步驟及調(diào)試結(jié)果分析 -19-5.1系統(tǒng)調(diào)試步驟 -19-5.1.1實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作 -19-5.1.2實(shí)驗(yàn)操作步驟 -19-5.2調(diào)試結(jié)果分析 -20-第六章工程設(shè)計(jì)總結(jié) -21-6.1心得體會(huì) -21-參考文獻(xiàn) -22-附錄1系統(tǒng)原理圖 -23-第一章前言1.1工程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求DSP教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與開發(fā)：直流電機(jī)控制。針對(duì)DSP教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，要求采用PID算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的單閉環(huán)控制，繪出系統(tǒng)原理圖，完成軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試。1.2工程設(shè)計(jì)目的1、學(xué)習(xí)數(shù)字PID控制器的基本原理和設(shè)計(jì)方法。2、學(xué)習(xí)PWM控制理論。3、學(xué)習(xí)數(shù)字PID控制器在DSP上的實(shí)現(xiàn)方法。4、了解TMS320C54X的硬件結(jié)構(gòu)和芯片各種資源。5、掌握TMS320C54的指令系統(tǒng)，能熟練使用CCS2.0軟件。6、熟練使用DSP匯編語言和標(biāo)準(zhǔn)C/C++語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。7、掌握數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法。1.3工程設(shè)計(jì)設(shè)備環(huán)境1、硬件環(huán)境：計(jì)算機(jī)，THRS-2型實(shí)驗(yàn)箱，DSP仿真器，1號(hào)導(dǎo)線。2、軟件環(huán)境:CCS2.0版軟件。第二章基礎(chǔ)知識(shí)介紹2.1直流電機(jī)的調(diào)速方法直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制;而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。最近幾年來，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，使調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展，同時(shí)也發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來控制馬達(dá)的速度。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。PWM控制就是指保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間T對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)在晶閘管時(shí)代就已經(jīng)產(chǎn)生，但是最初為了使晶閘管通斷要付出很大的代價(jià)，因而難以得到廣泛應(yīng)用。以IGBT、功率MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善，給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)，推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展。對(duì)于直流電機(jī)，采用PWM控制技術(shù)構(gòu)成的無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，起停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。在PWM調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)，定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法三種方法都可改變占空比的值。2.2數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的DSP實(shí)現(xiàn)PID控制器自30年代末期出現(xiàn)以來，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。特別是在工業(yè)過程控制中，由于被控制對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用控制理論分析綜合不僅要耗費(fèi)很大代價(jià)，而且難以得到預(yù)期的控制效果。在應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)中，PID很容易通過編制計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)。由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正和完善，從而使數(shù)字PID具有很大的靈活性和適用性。實(shí)現(xiàn)PID控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如圖2.1所示，其中數(shù)字PID控制器是由軟件編程在計(jì)算機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。1、PID控制規(guī)律的離散化PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將系統(tǒng)的給定值r與實(shí)際輸出值y構(gòu)成的控制偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D），通過線性組合構(gòu)成控制量，所以簡(jiǎn)稱PID控制器。連續(xù)控制系統(tǒng)中的模擬PID控制規(guī)律為：式<1>式中是控制器的輸出，是系統(tǒng)給定量與輸出量的偏差，是比例系數(shù)，是積分時(shí)間常數(shù)，是微分時(shí)間常數(shù)。其相應(yīng)傳遞函數(shù)為：式<2>圖2.1PID計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖比例調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器和微分調(diào)節(jié)器的作用：（1）比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對(duì)偏差是即時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)。比例調(diào)節(jié)器雖然簡(jiǎn)單快速，但對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對(duì)象存在靜差。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但是，過大時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）比例積分調(diào)節(jié)器：為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘余靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)具有累積成分，只要偏差不為零，它將通過累積作用影響控制量，從而減小偏差，直到偏差為零。如果積分時(shí)間常數(shù)大，積分作用弱，反之為強(qiáng)。增大將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分詞節(jié)的代價(jià)是降低系統(tǒng)的快速性。（3）比例積分微分調(diào)節(jié)器：為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進(jìn)行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。采用DSP對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，使用的是數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，而不是模擬PID調(diào)節(jié)器，即用程序取代PID模擬電路，用軟件取代硬件。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此，利用外接矩形法進(jìn)行數(shù)值積分，一階后向差分進(jìn)行數(shù)值微分，當(dāng)采樣周期為T時(shí)，式<3>如果采樣周期足夠小，這種離散逼近相當(dāng)準(zhǔn)確。上式中為全量輸出，它對(duì)應(yīng)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)第i次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置，因此，上式稱為PID位置型控制算式?？梢钥闯?，按上式計(jì)算時(shí)，輸出值與過去所有狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)數(shù)值，而是其增量時(shí)，可導(dǎo)出下面的公式：式<4>或式<5>式<4>稱為增量型PID控制算式；式<5>稱為遞推型PID控制算式；增量型控制算式具有以下優(yōu)點(diǎn)：(a)計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，因而誤動(dòng)作影響??；(b)在i時(shí)刻的輸出，只需用到此時(shí)刻的偏差，以及前一時(shí)刻，前兩時(shí)刻的偏差、，和前一次的輸出值，這大大節(jié)約了內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間；(c)在進(jìn)行手動(dòng)—自動(dòng)切換時(shí)，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。控制過程的計(jì)算機(jī)要求有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，用微型計(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器時(shí)，由于字長(zhǎng)和運(yùn)算速度的限制，必須采用必要的方法來加快計(jì)算速度。下面介紹簡(jiǎn)化算式的方法。按照式<5>表示的遞推型PID算式，計(jì)算機(jī)每輸出一次，要作四次加法，兩次減法，四次乘法和兩次除法。若將該式稍加合并整理寫成如下形式：式<6>式中系數(shù)、、可以離散算出，從而加快了算法程序的運(yùn)算速度。按式<6>編制的數(shù)字控制器的程序框圖如下圖2.2所示：圖2.2數(shù)字控制器的程序框圖2、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定在實(shí)際控制系統(tǒng)中，控制算式一旦確定，比例、積分和微分參數(shù)的整定就成為重要的工作?？刂菩Ч暮脡脑诤艽蟪潭壬先Q于這些參數(shù)選擇得是否得當(dāng)。關(guān)于PID控制參數(shù)整定方法有很多。通常首先要對(duì)工業(yè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性作某種簡(jiǎn)單假設(shè)。因此，由這些整定方法得到的參數(shù)值在使用時(shí)不一定是最佳的，往往只作為參考值。在實(shí)時(shí)控制中，還要在這些值附近探索，找出實(shí)用中有效的最佳值。下面介紹PID參數(shù)的工程整定法中常用的湊試法：湊試法是通過模擬或?qū)嶋H的閉環(huán)運(yùn)行情況、觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制器中的三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)。在湊試時(shí)，對(duì)參數(shù)的調(diào)整步驟為先比例，后積分，再微分的整定步驟，即：（1）先整定比例部分：將比例系數(shù)由小調(diào)大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)趨勢(shì)，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍之內(nèi)，同時(shí)響應(yīng)曲線已較令人滿意，那么只須用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。（2）如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)一般先置—個(gè)較大的積分時(shí)間系數(shù)，同時(shí)將第一步整定得到的比例系數(shù)縮小一些（比如取原來的80％），然后減小積分時(shí)間系數(shù)使在保持系統(tǒng)較好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的靜差得到消除。在此過程中，可以根據(jù)響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)反復(fù)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間系數(shù)從而實(shí)現(xiàn)滿意的控制過程和整定參數(shù)。（3）如果使用比例積分控制器消除了偏差，但動(dòng)態(tài)過程仍不盡滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PID控制器。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間系數(shù)為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大微分時(shí)間系數(shù)，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間系數(shù)，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。值得一提的是，PID三個(gè)參數(shù)可以互相補(bǔ)償，即某一個(gè)參數(shù)的減小可由其他參數(shù)增大或減小來補(bǔ)償。因此用不同的整定參數(shù)完全可以得到相同的控制效果，這也決定了PID控制器參數(shù)選取的非唯一性。另外，對(duì)無自平衡能力的對(duì)象，則不應(yīng)包含積分環(huán)節(jié)，即只可用比例或比例微分控制器。在實(shí)時(shí)控制過程中，只要被控對(duì)象的主要性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，就可以選定相應(yīng)的控制器參數(shù)為最終參數(shù)。目前，工程上仍廣泛使用實(shí)驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)方法來整定PID的調(diào)整參數(shù)，稱為PID參數(shù)的工程整定方法。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于整定參數(shù)不必依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。簡(jiǎn)易工程整定法是由經(jīng)典的頻率法簡(jiǎn)化而來的，雖然粗糙一點(diǎn)，但是簡(jiǎn)單易行，適于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。如擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法。3、PID控制算法的改進(jìn)任何一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)都存在一個(gè)線性工作區(qū)。在此線性區(qū)內(nèi)，它可以線性地跟蹤控制信號(hào)，而當(dāng)控制信號(hào)過大，超過這個(gè)線性區(qū)，就進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，其特性將變成非線性特性。同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)還存在著一定的阻尼和慣性，對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)速度受到了限制。因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性也存在一個(gè)線性工作區(qū)。控制信號(hào)的變化率過大也會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入非線性區(qū)。前述標(biāo)準(zhǔn)PID位置式算法中積分項(xiàng)控制作用過大將出現(xiàn)積分飽和，增量式算法中微分項(xiàng)和比例項(xiàng)控制作用過大將出現(xiàn)微分飽和，都會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入非線性區(qū)，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)過大的超調(diào)和持續(xù)振蕩，動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞。為了克服以上兩種飽和現(xiàn)象，避免系統(tǒng)的過大超調(diào)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，必須使PID控制器輸出的控制信號(hào)受到約束，即對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，并主要是對(duì)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的改進(jìn)。（1）飽和作用的抑制無論采用何種計(jì)算方法，其控制輸出從數(shù)學(xué)上講可在范圍內(nèi)取值，但物理執(zhí)行元件的機(jī)械和物理性能是有約束的，即輸入的取值是在有限范圍內(nèi)，表示為，同時(shí)其變化率也受限制，表示為?？刂葡到y(tǒng)在開工、停工或者大幅度提降給定位等情況下，系統(tǒng)輸出會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，這種較大偏差，不可能在短時(shí)間內(nèi)消除，經(jīng)過積分項(xiàng)累積后，可能會(huì)使控制量很大，甚至超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限。另外，當(dāng)負(fù)誤差的絕對(duì)值較大時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)的另一種極端情況。顯然，當(dāng)控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限時(shí)，控制作用必然不如應(yīng)有的計(jì)算值理想，從而影響控制效果。這類現(xiàn)象在給定值突變時(shí)容易發(fā)生，而且在起動(dòng)時(shí)特別明顯，故稱“起動(dòng)效應(yīng)”。為了克服積分飽和作用，已有許多有效的修正算法，較常用的有“積分分離法”。（2）干擾的抑制PID控制算法的輸入量是誤差。在進(jìn)入正常調(diào)節(jié)后，由于輸出已接近輸入，的值不會(huì)太大。所以相對(duì)而言，干擾值的引入對(duì)調(diào)節(jié)有較大的影響。對(duì)于干擾，除了采用抗干擾措施，進(jìn)行硬件和軟件濾波之外，還可以通過對(duì)PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步克服干擾的影響。如“四點(diǎn)中心差分法”、“不完全微分PID算法”等等。第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1整體設(shè)計(jì)思想本實(shí)驗(yàn)通過霍爾片的輸出端HROUT接入DSP的外部中斷1來檢測(cè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與程序中的給定量相比較，通過PID調(diào)節(jié)輸出一路PWM波作為反饋輸出到直流電機(jī)的MOT-端，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。硬件接線原理圖如圖3.1。圖3.1硬件接線原理圖3.2基本硬件組成本次設(shè)計(jì)是在EL-DSP-EXPII實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的功能框圖如圖3.2。圖3.2EL-DSP-EXPII實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能框圖針對(duì)課題要求，在設(shè)計(jì)中主要用到的系統(tǒng)中的模塊有：1、直流電動(dòng)機(jī)單元：該單元由電壓調(diào)整、驅(qū)動(dòng)電路、速度檢測(cè)反饋電路組成。由系統(tǒng)板送來的電壓信號(hào)與可調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)電壓經(jīng)加法運(yùn)算后，輸出驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)行；速度檢測(cè)、反饋電路由于電機(jī)同軸轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上的強(qiáng)力磁鋼、霍爾磁感應(yīng)放大器、單周期速度信號(hào)采集器組成，當(dāng)與電機(jī)同軸運(yùn)行的轉(zhuǎn)盤上的磁鋼與霍爾片正對(duì)時(shí)，霍爾片輸出負(fù)電壓，經(jīng)整形、放大，供系統(tǒng)采集。2、D/A轉(zhuǎn)換單元：數(shù)模轉(zhuǎn)換采用DAC08芯片，分辨率8位，精度1LSB，轉(zhuǎn)換時(shí)間85ns。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，DAC08采用對(duì)稱偏移二進(jìn)制輸出方式，輸出電壓范圍-5V—+5V。底板DAC08參考電壓Vref=+5V；輸入00h，輸出電壓-5V；輸入ffh，輸出電壓+5V。D/A單元原理框圖如圖3.3。3、CPU單元：CPU單元包括CPU1、CPU2兩塊可以更換的CPU板。由于CPU2與D/A單元之間為并行聯(lián)結(jié)，且電機(jī)單元中的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)直接接到了CPU2的INT0引腳，所以本次設(shè)計(jì)中采用的是CPU2。CPU芯片采用的是TI公司的TMS320C5402DSP芯片。圖3.3D/A單元原理框圖3.3TMS320C5402DSP芯片簡(jiǎn)介TMS320C54X的基本結(jié)構(gòu)TMS32C54X（簡(jiǎn)稱C54X）是TI公司為實(shí)現(xiàn)低功耗、高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理而專門設(shè)計(jì)的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有高度的操作靈活性和運(yùn)行速度，適用于遠(yuǎn)程通信等實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用的需要，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于無線電通信系統(tǒng)中。TMS32C54X系列DSP芯片種類很多，但結(jié)構(gòu)基本相同，主要由中央處理器CPU、內(nèi)部總線控制、特殊功能寄存器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、I/O接口擴(kuò)展功能、串行口、主機(jī)通信接口HPI、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)等10個(gè)部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.4。TMS320C54XDSP的中斷系統(tǒng)硬件和軟件驅(qū)動(dòng)都可以使C54X產(chǎn)生中斷。軟件中斷是指由程序指令引起的中斷，這類指令有：INTR，TRAP，RESET。硬件中斷可由外部硬件引發(fā)，或由片內(nèi)外設(shè)內(nèi)部引發(fā)。無論軟件中斷還是硬件中斷都可分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。C54X處理中斷按以下三個(gè)步驟：(1)接收中斷請(qǐng)求(2)響應(yīng)中斷(3)執(zhí)行中斷服務(wù)程序圖3.4TMS32C54X內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1、中斷標(biāo)志寄存器IFR中斷標(biāo)志寄存器IFR是一個(gè)存儲(chǔ)器映象寄存器，當(dāng)一個(gè)中斷出現(xiàn)時(shí)，IFR中的相應(yīng)的中斷標(biāo)志位置1，直到CPU識(shí)別該中斷為止。TMS320C5402中斷標(biāo)志寄存器IFR的結(jié)構(gòu)如下表3.1所示：表3.1中斷標(biāo)志寄存器IFR14~15131211109876543210保留DMAC5DMAC4BXINT1BRINT1HPINTINT3TINT1DMAC0BXINT0BRINT0TINT0INT2INT1INT0若有掛起的中斷，在IFR中該標(biāo)志位為1，通過寫IFR的當(dāng)前內(nèi)容，就可清除所有正被掛起的中斷；為了避免來自串口的重復(fù)中斷，應(yīng)在相應(yīng)的中斷服務(wù)程序清除IFR位。2、中斷屏蔽寄存器IMR中斷屏蔽寄存器IMR也是一個(gè)存儲(chǔ)器映像的CPU寄存器，主要用于屏蔽外部中斷和內(nèi)部的硬件中斷。如果狀態(tài)寄存器ST1中的INTM=0，IMR寄存器中的某位置1，就能開放相應(yīng)的中斷。由于和都不包含在IMR中，因此IMR對(duì)這兩個(gè)中斷不能進(jìn)行屏蔽。中斷屏蔽寄存器IMR結(jié)構(gòu)如下表3.2所示：表3.2中斷屏蔽寄存器IMR14~15131211109876543210保留DMAC5DMAC4BXINT1BRINT1HPINTINT3TINT1DMAC0BXINT0BRINT0TINT0INT2INT1INT0中斷操作流程一旦將一個(gè)中斷傳送給CPU，CPU會(huì)按照如下方式進(jìn)行操作。中斷響應(yīng)過程如圖3.5所示。圖3.5中斷操作流程4、外部中斷觸發(fā)外部中斷觸發(fā)觸發(fā)方式有兩種，分別是電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)。(1)電平觸發(fā)方式電平觸發(fā)方式是指外部的硬件中斷源產(chǎn)生中斷，用電平表示。在這種觸發(fā)方式下，CPU必須有應(yīng)答硬件信號(hào)通知外部中斷源，當(dāng)中斷處理完成后，取消中斷申請(qǐng)。(2)邊沿觸發(fā)方式在這種方式下，外部中斷申請(qǐng)觸發(fā)器能鎖存外部中斷輸入線上的負(fù)跳變。即使CPU不能及時(shí)響應(yīng)中斷，中斷申請(qǐng)標(biāo)志也不丟失。但是輸入脈沖寬度至少保持3個(gè)時(shí)鐘周期，才能被CPU采樣到。外部中斷的邊沿觸發(fā)方式適用于以負(fù)脈沖方式輸入的外部請(qǐng)求源。第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1程序設(shè)計(jì)思路硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件則是系統(tǒng)的靈魂。本直流電機(jī)單閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案為：程序采用前、后臺(tái)工作方式，前臺(tái)程序，即主程序，為一個(gè)死循環(huán)，等待中斷；后臺(tái)程序則為兩個(gè)中斷服務(wù)程序，一個(gè)中斷服務(wù)程序?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)；另一個(gè)中斷服務(wù)程序進(jìn)行PID運(yùn)算得出控制量。在前臺(tái)的循環(huán)中根據(jù)PID運(yùn)算得出的控制量進(jìn)行輸出，來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.2PID增量型控制算法的實(shí)現(xiàn)主程序設(shè)計(jì)主程序中，首先調(diào)用DSP初始化函數(shù)cpu-init()對(duì)DSP進(jìn)行初始化設(shè)置，包括對(duì)DSP的時(shí)鐘方式寄存器、狀態(tài)寄存器、處理器工作方式狀態(tài)寄存器和中斷進(jìn)行設(shè)置，并使能外部中斷INT0和定時(shí)器中斷TINT0。在DSP初始化之后則對(duì)各個(gè)變量進(jìn)行初始化，根據(jù)PID各參數(shù)先離線算出PID算式中的各系數(shù)，以供后面的PID運(yùn)算程序直接調(diào)用。寫一個(gè)死循環(huán)，在死循環(huán)中對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸出操作。具體程序見附錄2，主程序流程圖如圖4.1。圖4.1主程序框圖INT0中斷子程序設(shè)計(jì)INT0中斷服務(wù)程序主要是對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行累積計(jì)數(shù)。在電機(jī)檢測(cè)單元中，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈與電機(jī)同軸的轉(zhuǎn)盤上的強(qiáng)力磁鋼將與霍爾片正對(duì)一次，從而使霍爾片輸出一次負(fù)電壓，經(jīng)整形、放大后作為DSP的一個(gè)外部硬件中斷信號(hào)，即INT0。所以電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈就產(chǎn)生一個(gè)中斷INT0，在INT0的中斷服務(wù)子程序中設(shè)兩個(gè)變量count1和count2，自加1次來記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速。具體INT0中斷服務(wù)程序框圖如圖4.2。TINT0中斷子程序設(shè)計(jì)TINT0中斷服務(wù)子程序主要用來對(duì)轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，得到PWM的占空比。程序中的控制量與PWM是一個(gè)比例關(guān)系，因此在程序中先用PID算法將控制量算出，然后再乘一個(gè)比例系數(shù)就可得到PWM電路的占空比。TINT0程序?yàn)橐粋€(gè)定時(shí)中斷服務(wù)程序，定時(shí)周期為0.01s。在中斷服務(wù)程序中設(shè)置了兩個(gè)變量TIMER1和TIMER2，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序它們自加1次，當(dāng)TIMER1=10時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為0.1s；當(dāng)TIMER2=100時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為1s。程序中每0.1s進(jìn)行一次PID運(yùn)算；每過1s對(duì)count2的值存儲(chǔ)一次，此時(shí)的count2的值即為電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，單位為：r/s。具體TINT0中斷服務(wù)程序框圖如圖4.3。圖4.2INT0中斷子程序流程圖圖4.3TINT0中斷子程序流程圖4.3PID算法的改進(jìn)——積分分離在普通的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差、提高精度。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分累積，致使算得的控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至振蕩。引進(jìn)積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大改善。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定一個(gè)閾值>0。當(dāng)|e(k)|>時(shí)，也即偏差值|e(k)|較大時(shí)，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng)|e(k)|時(shí)，也即偏差值|e(k)|較小時(shí)，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。具體程序?qū)崿F(xiàn)如下：在增量型PID程序基礎(chǔ)上，定義一個(gè)全局整型變量k，將主程序中的PID系數(shù)a0、a1、a2的初始化去掉，并在TINT0的中斷服務(wù)程序中，在語句duty=0.9/(2*(a0+a2)*39.0);之前，加入這幾條語句：if(e0>3||e0<-3)k=0;elsek=1;并將deta=(a0*e0+a1*e1+a2*e2)*duty;改為deta=Kp*(e0-e1+k*T*e1/Ti+Td*(e0-2*e1+e2)/T)*duty;就可以了。第五章系統(tǒng)調(diào)試步驟及調(diào)試結(jié)果分析5.1系統(tǒng)調(diào)試步驟實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作1、正確完成計(jì)算機(jī)、DSP仿真器和實(shí)驗(yàn)箱的連接后，系統(tǒng)上電；2、用1號(hào)線把直流電機(jī)單元的MOT+，MOT-，HROUT三點(diǎn)分別與驅(qū)動(dòng)單元的+12V，A'，INT1三點(diǎn)連接好；3、用1號(hào)線將驅(qū)動(dòng)單元的A點(diǎn)與D/A轉(zhuǎn)換單元的D/AOUT點(diǎn)連接好。實(shí)驗(yàn)操作步驟1、打開PC機(jī)界面下的CCS2.0軟件，用Project/Open打開“speed.pjt”工程文件，雙擊“DCMcontrol.pjt”及“Source”可查看各源程序，設(shè)置rc=1。先點(diǎn)擊全編譯圖標(biāo)，完全編譯通過后，再點(diǎn)擊運(yùn)行程序圖標(biāo)，運(yùn)行程序；2、然后通過設(shè)置參數(shù)，打開一個(gè)內(nèi)部觀察窗口，觀看直流電機(jī)在低速下的轉(zhuǎn)速曲線（注：觀察窗口中曲線不是實(shí)時(shí)自動(dòng)更新的，因此只能顯示打開瞬間的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線）；3、在程序運(yùn)行過程中，控制基本穩(wěn)定后點(diǎn)擊“Halt”停止運(yùn)行，重新設(shè)定rc的值，如rc=4，然后再點(diǎn)擊全編譯圖標(biāo)，完全編譯通過后，再點(diǎn)擊運(yùn)行程序圖標(biāo)，運(yùn)行程序。此時(shí)可通過設(shè)置參數(shù)，打開一個(gè)內(nèi)部觀察窗口，觀看直流電機(jī)在高速下的轉(zhuǎn)速曲線；4、以上是增量型PID控制下電機(jī)運(yùn)行的調(diào)試。停止程序運(yùn)行，在參考程序基礎(chǔ)上作修改，加入數(shù)碼管顯示程序。在程序運(yùn)行過程中，控制基本穩(wěn)定后，數(shù)碼管會(huì)顯示出調(diào)節(jié)后相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)（r/min)。因?yàn)槭情]環(huán)PID調(diào)節(jié)，所以在程序運(yùn)行過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)。用障礙物使之突然停止，然后移開障礙物，觀察電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程，同時(shí)觀察數(shù)碼管上顯示的相應(yīng)變化。5、為改善控制性能，將程序做相應(yīng)改動(dòng)，將增量型PID控制改為積分分離的PID控制，并重復(fù)步驟1~4，不斷調(diào)試直至出現(xiàn)理想結(jié)果。5.2調(diào)試結(jié)果分析通過調(diào)試，最終得到PID增量型、改進(jìn)后的積分分離PID控制下的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，由于時(shí)間比較緊，而且曲線不是實(shí)時(shí)改變的，所以沒有