畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于DSP的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于dsp的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：電子信息科學(xué)與技術(shù)0701班 學(xué)生姓名：指導(dǎo)老師： 職稱：副教授摘要 ： 伺服系統(tǒng)是一種輸出能夠快速而精確地響應(yīng)外部的輸入指令信號(hào)的控制系統(tǒng)。文章結(jié)合大量的文獻(xiàn)資料，總結(jié)和分析了當(dāng)前交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，明確了加強(qiáng)開發(fā)交流感應(yīng)電機(jī)伺服系統(tǒng)的意義。本交流伺服系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理器tms320lf2407為主控芯片，從控制理論和實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面出發(fā)，對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制伺服系統(tǒng)進(jìn)行深入、全面的研究。本文首先介紹了永磁同步伺服系統(tǒng)發(fā)展概況，建立了交流永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制、空間矢量pwm波形的產(chǎn)生、詳細(xì)探討空

2、矢量變換控制原理及實(shí)現(xiàn)方法，并大致對(duì)伺服控制系統(tǒng)總體進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次，大致介紹了dsp的分類與特點(diǎn)，并給出了選擇tms320lf2407芯片的原因以及tms320lf2407芯片的優(yōu)點(diǎn)。最后，詳細(xì)介紹了基于tms320lf2407永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。主要內(nèi)容有主控芯片tms320lf2407及其組成的最小系統(tǒng)，組成核心模塊的各個(gè)電路、功率驅(qū)動(dòng)模塊、檢測(cè)和保護(hù)電路及其接口電路的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：伺服控制 tms320lf2407芯片 dsp 矢量控制 pwmdsp-based servo control systemabstract: output of the servo syste

3、m is a fast and accurate response to external input command signal control system. in this paper, a lot of literature, summarized and analyzed the current status of ac servo system development, specifically to strengthen the development of ac induction motor servo system significance. the ac servo s

4、ystem for the master digital signal processor chip tms320lf2407, control theory and practical application from the two starting permanent magnet synchronous motor rotor field oriented vector control servo system for in-depth, comprehensive study.first,this paper introduces the overview of the develo

5、pment of permanent magnet synchronous servo system, the establishment of a permanent magnet synchronous motor system model, and based on rotor flux oriented vector control, space vector pwm waveform generation, empty vector control detail principle and method, and generally the overall servo control

6、 system design.second, a broad overview of the classification and characteristics of the dsp, and gives reasons for the selection of tms320lf2407 chip and chip tms320lf2407 advantages. finally, the details of tms320lf2407 permanent magnet synchronous motor based servo control system hardware structu

7、re. the main content and composition of the master chip tms320lf2407 minimal system, form the core of every circuit module, power module, detection and protection circuit and interface circuit design.keywords: servo control chip tms320lf2407 dsp vector control pwm 目 錄第一章 緒論11.1伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和研究背景11.2伺服

8、控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和性能要求21.3伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展前景41.4本文所作的工作6第二章 永磁同步電機(jī)控制理論82.1永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型82.1.1永磁同步電機(jī)的基本方程82.1.2坐標(biāo)變換后的pmsm模型102.2永磁同步電機(jī)矢量控制原理152.3空間矢量pwm原理及實(shí)現(xiàn)162.3.1空間矢量pwm基本原理162.3.2空間矢量pwm實(shí)現(xiàn)方法16第三章 dsp概述183.1 dsp的分類及其特點(diǎn)183.1.1 dsp的分類183.1.2 dsp的特點(diǎn)193.2永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)芯片選擇依據(jù)203.3 tms320lf2407芯片概述223.4 tms320lf2407主要引腳

9、配置說明23第四章 伺服控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)264.1伺服控制系統(tǒng)的核心總體電路264.2 tms320lf2407核心控制電路274.2.1主運(yùn)算模塊及外圍電路設(shè)計(jì)274.2.2 ram的擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)284.2.3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)294.2.4電源電路設(shè)計(jì)304.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)314.3.1三相交流逆變電路的設(shè)計(jì)314.3.2隔離電路設(shè)計(jì)324.4檢測(cè)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)334.4.1電流信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)334.4.2速度與位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)354.4.3過壓和過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)374.5硬件接口電路設(shè)計(jì)374.5.1通信接口電路設(shè)計(jì)374.5.2 jtag 接口電路設(shè)計(jì)394.6硬件可靠性設(shè)計(jì)40第五章

10、 總結(jié)與展望425.1總結(jié)425.2展望43致 謝44參考文獻(xiàn)45第一章 緒論1.1伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和研究背景伺服技術(shù)從應(yīng)用至今已有50多年的歷史1-7，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中的機(jī)器人數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。國(guó)防領(lǐng)域中的雷達(dá)跟蹤和火炮定位亦是伺服技術(shù)的重要應(yīng)用場(chǎng)合。伺服技術(shù)是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的綜合應(yīng)用。電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)每發(fā)展一步，伺服技術(shù)就產(chǎn)生一次新的飛躍，先進(jìn)控制理論的應(yīng)用，使伺服技術(shù)的跟蹤速度不斷加快、控制精度不斷提高、功能不斷完善、智能化程度越來越高。為伺服技術(shù)的更廣泛應(yīng)用奠定了更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。伺服發(fā)展初期，主要是利

11、用空氣和油的壓力作動(dòng)力的氣動(dòng)伺服和液壓伺服。這類伺服具有功率/重量比大和力矩/慣量比大等特點(diǎn)，很容易通過缸體實(shí)現(xiàn)大功率直線伺服驅(qū)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是，這類伺服也存在明顯不足，具有使用不方便、過載能力差、噪音大、故障率高、維護(hù)困難、響應(yīng)速度慢和控制精度低等缺點(diǎn)，因此很快被淘汰了。伺服發(fā)展中期，以小慣量的直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件的直流伺服系統(tǒng)取代了大部分液壓驅(qū)動(dòng)的液壓伺服系統(tǒng)。由于直流伺服系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、體積小、應(yīng)用方便等特點(diǎn)，推廣應(yīng)用很快。但是，直流伺服系統(tǒng)在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)受到伺服放大器的制約，性能不夠理想，可靠性不夠穩(wěn)定。進(jìn)入70年代，由于大功率電力電子器件gtr等的發(fā)明，直

12、流伺服系統(tǒng)綜合性能顯著提高，因此直流伺服從這時(shí)占據(jù)了統(tǒng)治地位。進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及交流電動(dòng)機(jī)控制理論的發(fā)展，交流伺服技術(shù)得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用。早期，雖然交流電動(dòng)機(jī)自身具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)耐用、價(jià)格便宜和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但由于交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性和高階次的特點(diǎn)，因此，轉(zhuǎn)矩控制困難，很難達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)和要求。1972年，德國(guó)西門子公司工程師利用矢量變換理論，實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)的解耦，進(jìn)而將交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)去控制，使其具有了可以和直流伺服相媲美的性能，同時(shí)又發(fā)揮了交流電動(dòng)機(jī)的自身優(yōu)勢(shì)。因此電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技

13、術(shù)及矢量控制理論的發(fā)展，交流伺服技術(shù)得以迅速發(fā)展。到了80年代末期，交流伺服取代直流伺服系統(tǒng)已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。到1992年，交流伺服系統(tǒng)在工業(yè)化伺服應(yīng)用中已占到70%比例。今后電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及先進(jìn)控制理論的發(fā)展推動(dòng)下，交流伺服會(huì)向著高性能、高智能化、高可靠性方向發(fā)展。 交流伺服控制系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有同步永磁電機(jī)和感應(yīng)式異步電機(jī)兩類。其中技術(shù)上比較成熟，運(yùn)用較為廣泛的交流伺服控制系統(tǒng)為永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)，其緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)的性能良好，且可以進(jìn)行高速的弱磁控制。而且永磁同步交流電機(jī)的可控調(diào)速區(qū)間較寬，可使用于對(duì)性能要求高的伺服控制系統(tǒng)中。隨著材料學(xué)的發(fā)展，永磁模塊的性

14、能提高，永磁同步電機(jī)的性能也不斷的提高?，F(xiàn)階段永磁同步電機(jī)是交流伺服系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)8。而感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)和同步永磁電機(jī)相比較也有其自身的優(yōu)勢(shì)，比如感應(yīng)式交流電機(jī)的構(gòu)造結(jié)實(shí)，生產(chǎn)方便，生產(chǎn)成本低等。因此感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)有著廣闊的發(fā)展空間，是以后交流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。但是感應(yīng)式異步電機(jī)的矢量控制技術(shù)復(fù)雜，緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)行效率低，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此感應(yīng)式異步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的控制性能還有待進(jìn)一步提高9。在我國(guó)交流伺服產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)和社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，其年市場(chǎng)量達(dá)數(shù)百億元以上。目前，絕大多數(shù)伺服產(chǎn)品依賴于進(jìn)口，尤其是少數(shù)幾家跨國(guó)公司，研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能型高性能交流伺服

15、系統(tǒng)，對(duì)于縮小我國(guó)在交流伺服領(lǐng)域同國(guó)外的差距，提高國(guó)防和工業(yè)領(lǐng)域在伺服技術(shù)方面的應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化，具有較大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.2伺服控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和性能要求目前，交流伺服系統(tǒng)在我國(guó)還處在研制階段，許多科研單位和高校都投入了大量的人力、物力和技術(shù)力量，并取得了一些進(jìn)展。目前，國(guó)內(nèi)基本上是在引進(jìn)吸收國(guó)外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出自己的產(chǎn)品，且存在可靠性低、性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，至于高性能和國(guó)產(chǎn)化的產(chǎn)品尚在研究階段。早期交流伺服系統(tǒng)的研究主要集中在固定頻率供電的永磁交流電機(jī)運(yùn)行特性方面，尤其是對(duì)直接啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)特性方面的研究。20世紀(jì)80年代以后，隨著電機(jī)理論、控制理論、永磁材

16、料、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開始對(duì)以逆變器供電的永磁交流電動(dòng)機(jī)性能和永磁交流伺服系統(tǒng)控制進(jìn)行研究。逆變器供電的交流電機(jī)和直接啟動(dòng)的直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同。但是在大多數(shù)情況下永磁交流電機(jī)沒有阻尼繞組，從而可以防止永磁材料的溫升，提高電機(jī)力矩慣量比，減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。在逆變器供電的情況下，交流伺服電機(jī)的原有工作特性會(huì)受到影響。g.r.slemon等人針對(duì)調(diào)速系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)性能和高效率的要求，提出了永磁交流電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了高效率、高能量密度的永磁交流電動(dòng)機(jī)，永磁交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的性能得到了提高。在控制方法方面，1971年，德國(guó)西門子公司f.blaschke提出了感應(yīng)電機(jī)矢量

17、控制思想，在理論上解決了交流感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題。1972年德國(guó)西門子公司學(xué)者bayer提出了同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理。1985年，depenbrock教授提出異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，該方法只是在定子坐標(biāo)下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制，不必進(jìn)行矢量旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜的變換和計(jì)算，很大程度上克服了矢量控制時(shí)控制特性易受電機(jī)參數(shù)變化影響的缺點(diǎn)。直接轉(zhuǎn)矩控制受到了普遍關(guān)注，并得到了迅速的發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已成功的應(yīng)用在電力機(jī)車牽引等大功率交流傳動(dòng)上，德國(guó)、日本和美國(guó)都在競(jìng)相發(fā)展此技術(shù)。此外，滑膜變結(jié)構(gòu)控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、觀測(cè)控制機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器、線性二次積分控制、以及模糊控制

18、等新型控制策略都得到了深入研究。國(guó)外一些著名公司不斷推出新的交流伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，如日本的fanuc、安川、富士通、松下;德國(guó)的西門子公司;美國(guó)的ab公司、科爾摩根公司;法國(guó)的bbc公司;韓國(guó)的三星公司等。這些公司的產(chǎn)品占據(jù)著我國(guó)交流伺服市場(chǎng)的近90%的市場(chǎng)份額。在國(guó)外公司相繼推出新產(chǎn)品的同時(shí)，我國(guó)的高校和科研院所也對(duì)交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的成果，如天津大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等研究了單片機(jī)或dsp構(gòu)成的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，采用了預(yù)測(cè)控制和空間矢量控制技術(shù)，改善了電機(jī)控制性能和系統(tǒng)響應(yīng)精度。全數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了系統(tǒng)的精度和可靠性，還為新型控制理論和方法的應(yīng)用提

19、供了基礎(chǔ)。其中，廣州數(shù)控公司生產(chǎn)的da98全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置和高原數(shù)控?zé)熍_(tái)公司生產(chǎn)的gy-2000系列全數(shù)字化交流伺服驅(qū)動(dòng)器，在我國(guó)高精度、高性能數(shù)控制伺服驅(qū)動(dòng)行業(yè)己經(jīng)占有一定的市場(chǎng)份額，打破了外國(guó)公司壟斷的格局。但總的來說我國(guó)伺服控制器的設(shè)計(jì)與研發(fā)還處于起步階段，與國(guó)外知名公司的技術(shù)和產(chǎn)品還有一定的差距，這需要我國(guó)的科研工作者不斷地努力，以期縮小與世界先進(jìn)水平的差距。在現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)中，普遍應(yīng)用的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)主要有:無刷直流電動(dòng)機(jī)(brushlessdcmotorbldcm);永磁同步電動(dòng)機(jī)(permanentmagnetsynchronousmotorpmsm)。blnem一

20、般采用方波電流驅(qū)動(dòng)，pmsm一般采用三相正弦電流驅(qū)動(dòng)。由于永磁交流伺服電機(jī)能夠克服直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、電壓利用率低等缺點(diǎn)，可以應(yīng)用于高精度、高性能的場(chǎng)合，所以目前國(guó)內(nèi)外對(duì)交流伺服技術(shù)的研究主要集中在永磁交流伺服電機(jī)系統(tǒng)上。伺服控制主要包括速度伺服和位置伺服兩個(gè)重要方面的內(nèi)容。指令信號(hào)通常為模擬電壓量輸入或數(shù)字脈沖量輸入。伺服控制的要求在電機(jī)控制領(lǐng)域中屬于控制要求較高的，其速度控制精度及調(diào)速范圍一般要高于通用的變頻調(diào)速控制相關(guān)性能。位置控制是伺服控制一個(gè)最突出的特點(diǎn)，也是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。以數(shù)控機(jī)床應(yīng)用為例，為了提高數(shù)控機(jī)床的性能，對(duì)機(jī)床用進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出了很高的要求。由于各種數(shù)控機(jī)床

21、所完成的加工任務(wù)不同，所以對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但大致可概括為：高精度 、快響應(yīng)、寬調(diào)速范圍 、低速大轉(zhuǎn)矩為了滿足上述四點(diǎn)要求，對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件伺服電動(dòng)機(jī)也提出了相應(yīng)的要求，它們是：(1)電動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，特別在低速時(shí)應(yīng)仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。(2)電動(dòng)機(jī)應(yīng)有一定的過載能力，以滿足低速、大轉(zhuǎn)矩的要求。(3)為了滿足快速響應(yīng)的要求，電動(dòng)機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和起動(dòng)電壓。(4)電動(dòng)機(jī)應(yīng)能承受頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。1.3伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展前景 在技術(shù)水平不斷發(fā)展進(jìn)步的信息化社會(huì)，伺服控制系統(tǒng)中硬件設(shè)備的

22、工作性能、運(yùn)行精度和反應(yīng)速度在不斷的提高。同時(shí)伴隨著和伺服控制系統(tǒng)相關(guān)的電力電子、微電子、傳感器技術(shù)、永磁技術(shù)和控制理論等技術(shù)的快速發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)的整體性能和運(yùn)用范圍也在不斷的提升和擴(kuò)展。如今的伺服控制系統(tǒng)己經(jīng)具備了從極低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速的調(diào)控范圍，良好的控制精確度，優(yōu)異的運(yùn)行準(zhǔn)確性，迅捷的反應(yīng)能力。同時(shí)，交流伺服控制系統(tǒng)也在不斷的取代一些原本由直流伺服控制系統(tǒng)掌握領(lǐng)域的地位。當(dāng)今，交流伺服控制系統(tǒng)己經(jīng)成為伺服控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。從近現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向來看，有如下的發(fā)展趨勢(shì):(1)交流化交流伺服控制系統(tǒng)正在成為伺服控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。交流電機(jī)比直流電機(jī)有著更為優(yōu)越的驅(qū)動(dòng)性能，因此交流伺服控

23、制系統(tǒng)比直流伺服控制系統(tǒng)有著更廣闊的發(fā)展空間。而且在現(xiàn)今的國(guó)際伺服控制系統(tǒng)的市場(chǎng)上，以交流伺服控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行伺服控制的工業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率在不斷的提高10。中國(guó)是稀土資源保有量大國(guó)，稀土資源豐富，而稀土中的許多元素是制造交流永磁電機(jī)的優(yōu)質(zhì)材料。近年來，我國(guó)對(duì)稀土資源的不斷重視，不斷的加大在稀土資源產(chǎn)品上的研究投入，我國(guó)的交流永磁電機(jī)的性能將得到快速的提升11。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)越來越多的企業(yè)和院校開始加大對(duì)交流永磁伺服系統(tǒng)研究，我國(guó)在交流永磁電機(jī)的伺服控制領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的發(fā)展空間。在整個(gè)伺服控制領(lǐng)域，伴隨著現(xiàn)代控制理論的進(jìn)步和交流電機(jī)本身的性能不斷的優(yōu)化，交流伺服控制系統(tǒng)的控制性能和使用前景將越

24、來越好。(2)數(shù)字化隨著高性能運(yùn)算處理設(shè)備和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)中的伺服控制器也從模擬伺服控制器轉(zhuǎn)化成為由數(shù)字化處理單元為主體的伺服控制器。和模擬伺服控制器相比，數(shù)字伺服控制器有著更多的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字伺服控制器的硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，控制器的控制量輸出精度受外圍環(huán)境的影響小，內(nèi)部控制算法的升級(jí)方便，控制系統(tǒng)的可移植能力強(qiáng)，設(shè)備的集成度高10。在伺服控制器中，隨著高運(yùn)算速度的微型處理器(cpu)以及專用的數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)等數(shù)字運(yùn)算處理設(shè)備的使用，促使現(xiàn)代控制理論中的先進(jìn)控制算法得以在伺服控制系統(tǒng)中加以使用。從最近幾年的伺服元件的發(fā)展趨勢(shì)來看，也在不斷的向數(shù)字化方向發(fā)展10。伺服

25、控制器的數(shù)字化發(fā)展使得單一伺服控制器可以對(duì)多個(gè)伺服控制環(huán)進(jìn)行控制。伺服控制器接受各控制環(huán)的反饋數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)字化設(shè)備的軟件程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)控制環(huán)單元的綜合控制。并且伺服控制器可以通過改變數(shù)字伺服控制器的軟件達(dá)到性能升級(jí)的目的。數(shù)字化也帶來了高集成度，高集成度使得伺服控制系統(tǒng)的體積得以較大的降低，也使伺服控制系統(tǒng)的安裝和調(diào)試趨于簡(jiǎn)單10。(3)網(wǎng)絡(luò)化。在當(dāng)今信息社會(huì)，需要設(shè)備間可以進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)參數(shù)傳遞和遠(yuǎn)程控制，以滿足社會(huì)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)步的要求。同樣，伺服控制系統(tǒng)也希望具有高性能的數(shù)據(jù)傳輸能力。在現(xiàn)今的伺服控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，都會(huì)加入一定的數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。甚至加入網(wǎng)口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)

26、的發(fā)送和接受。(4)模塊化模塊化，使得伺服控制系統(tǒng)本身趨于簡(jiǎn)單化和可維護(hù)化，對(duì)于伺服控制系統(tǒng)的使用方來說，模塊化，可以使得設(shè)備的安裝和調(diào)試趨于簡(jiǎn)單，設(shè)備維護(hù)時(shí)，只需要更換損壞的模塊，而不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行修理，縮短了維護(hù)時(shí)間，減少了維護(hù)成本。對(duì)研發(fā)方來說，模塊化使系統(tǒng)的保密性和安全性得以加強(qiáng)錯(cuò)誤！未找到引用源。伺服控制系統(tǒng)的反饋回路的精度對(duì)系統(tǒng)的控制精度影響巨大，而反饋回路的精度取決于傳感器的精度。隨著材料技術(shù)的發(fā)展和傳感器的不斷改進(jìn)創(chuàng)新，伺服控制系統(tǒng)的各反饋環(huán)節(jié)也在不斷有新的測(cè)量方式產(chǎn)生，使伺服控制系統(tǒng)適應(yīng)各種工作環(huán)境的需求。同時(shí)，在工業(yè)制造工藝的不斷精細(xì)化下，傳感器的精度也在不斷升高，成本

27、卻在不斷降低，使得高性能傳感器可以在更多的伺服控制領(lǐng)域得以應(yīng)用。綜上所述，伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是在滿足工業(yè)控制對(duì)系統(tǒng)的苛刻要求下，不斷的追求更加低廉的成本，更加平穩(wěn)的可靠性，更加少的維修率，不斷的簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的構(gòu)造，而且要提高伺服控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力，增強(qiáng)在惡劣環(huán)境下工作的可靠性。同時(shí)增加伺服控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信能力，提升系統(tǒng)的可升級(jí)性能和遠(yuǎn)程控制性能10。1.4本文所作的工作本課題主要基于tms320lf2407芯片對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型，控制過程和實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件的研究和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于ti公司的dsp對(duì)永磁同步電機(jī)伺服系

28、統(tǒng)的矢量控制。本文分五個(gè)章節(jié)系統(tǒng)地闡述了所從事的課題研究工作，各章內(nèi)容安排如下:第一章介紹了伺服控制系統(tǒng)的歷史和、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展的前景。第二章介紹了電機(jī)控制的一些基礎(chǔ)知識(shí)。第三章詳細(xì)介紹了交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主控制器tms320lf2407 dsp。 第四章首先給出了硬件電路整體結(jié)構(gòu)，然后按模塊對(duì)各部分組成電路進(jìn)行具體介紹，主要包括：核心總體最小電路，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，供電系統(tǒng)、保護(hù)電路、信號(hào)檢測(cè)及接口電路等。 第五章給出了總結(jié)和展望。第二章 永磁同步電機(jī)控制理論2.1永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型錯(cuò)誤！未找到引用源。永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型必須能夠準(zhǔn)確反映出被控系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，因此數(shù)學(xué)模

29、型的好壞是控制系統(tǒng)性能準(zhǔn)確度的關(guān)鍵所在。為了簡(jiǎn)化分析過程，可以忽略一些影響較小的參數(shù)，需作如下假設(shè)12：(1)忽略磁路渦流、飽和和磁組效應(yīng)；(2)忽略空間諧波，設(shè)三相繞組是對(duì)稱的，且其產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)按正弦規(guī)律分布；(3)假設(shè)三相供電電壓是平衡的；2.1.1永磁同步電機(jī)的基本方程機(jī)械角度和電角度是在電機(jī)控制建模過程中會(huì)涉及到的兩個(gè)概念。機(jī)械角度就是我們平時(shí)認(rèn)為的實(shí)際位置對(duì)應(yīng)的角度，眾所周知，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周為360度機(jī)械角度。電角度則是與極對(duì)數(shù)成正比的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角度。電角度可由機(jī)械角度和極對(duì)數(shù)推算出來： (2.1) 式中：錯(cuò)誤！未找到引用源。為電角度，錯(cuò)誤！未找到引用源。為機(jī)械角度。永磁同步電動(dòng)機(jī)

30、利用定子三相交流電流與永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)互相作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。由電機(jī)知識(shí)知道，電機(jī)轉(zhuǎn)速、頻率及極對(duì)數(shù)的關(guān)系如下： (2.2)式中：n為同步轉(zhuǎn)速，f為定子電流頻率。 圖2.1為有代表性的三相、二極的凸極式永磁同步電機(jī)等效結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.1 三相兩極永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖由上圖以及數(shù)學(xué)常識(shí)可知，永磁同步電機(jī)定子電壓方程如下： 錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.3)式中：錯(cuò)誤！未找到引用源。為每相繞組電阻，錯(cuò)誤！未找到引用源。為三相繞組匝鏈的磁鏈。磁鏈方程為錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.4) 由于三相繞組每相間的互感是對(duì)稱的互為120度，則有：錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.5) (2.6)式

31、中:錯(cuò)誤！未找到引用源。為自感，錯(cuò)誤！未找到引用源。為互感，錯(cuò)誤！未找到引用源。為漏磁通。另外，永磁磁通對(duì)定子側(cè)產(chǎn)生的磁鏈為: 錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.7)由電機(jī)y型接法，三相電流滿足：錯(cuò)誤！未找到引用源。+錯(cuò)誤！未找到引用源。+錯(cuò)誤！未找到引用源。=0將式 (2.7)、(2.6)、(2.5) 代入式 (2.4)中，得磁鏈方程為錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.8)式中 錯(cuò)誤！未找到引用源。 把式 (2.8)代入式 (2.3)中可得電壓方程為:錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.9)2.1.2坐標(biāo)變換后的pmsm模型 坐標(biāo)變換，就是用一組新的變量代替方程中原來的那組變量。本永磁同步機(jī)控制系統(tǒng)用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

32、代替原來的靜止坐標(biāo)系13。 本文中永磁同步電機(jī)的矢量控制目的是為了改善本系統(tǒng)的控制性能，而達(dá)到通過對(duì)定子電流(交流量)的控制來控制系統(tǒng)的目的。很顯然，永磁同步電機(jī)定子側(cè)都是交流物理量，其空間矢量按照永磁同步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，對(duì)這些交流量的控制調(diào)節(jié)以及計(jì)算都不會(huì)很方便。因此，本系統(tǒng)進(jìn)行了坐標(biāo)變換，使難以控制的交流量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系而達(dá)到很好的控制性能。如果從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行觀察，我們只要控制同步電機(jī)的靜止矢量就可以很好的控制永磁同步電機(jī)的交流量。 (l)三相定子坐標(biāo)系(a，b，c坐標(biāo)系) 分別以互差120度空間電角度的三相交流電機(jī)繞組a，b，c為軸線，這樣就能形成了一個(gè)a錯(cuò)誤

33、！未找到引用源。bc三相坐標(biāo)系。 (2)兩相定子坐標(biāo)系(錯(cuò)誤！未找到引用源。錯(cuò)誤！未找到引用源。坐標(biāo)系) 由圖2.3可以看出，錯(cuò)誤！未找到引用源。錯(cuò)誤！未找到引用源。坐標(biāo)系是靜止坐標(biāo)系。為了更好的實(shí)現(xiàn)矢量變換的目的，我們?cè)O(shè)錯(cuò)誤！未找到引用源。軸逆時(shí)針超前錯(cuò)誤！未找到引用源。軸90度空間電角度，而錯(cuò)誤！未找到引用源。軸和三相定子坐標(biāo)系的a軸重合。 其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示: 圖 2.2 三相和兩組繞組各相的磁勢(shì)圖 (1)clark變換 clarke也叫3/2變換，是用定子兩相坐標(biāo)系( 錯(cuò)誤！未找到引用源。錯(cuò)誤！未找到引用源。 軸系)的旋轉(zhuǎn)矢量代替三相定子坐標(biāo)系(abc軸系)，其反變換叫做clarke

34、逆變換14。根據(jù)矢量坐標(biāo)變換原則，兩者的磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)該完全等效，即合成磁勢(shì)矢量分別在兩個(gè)坐標(biāo)系坐標(biāo)軸上的投影相等。錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.10)錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.11)因此： 錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.12)其中：錯(cuò)誤！未找到引用源。 是三相坐標(biāo)系變換到二相坐標(biāo)系的變換陣。由功率不變的變換原則，且錯(cuò)誤！未找到引用源。=e (單位陣)，得： (2.13)因此，clarke變換式為 錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.14)其逆變換為錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.15)(2)park變換park變換是用兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系替代兩相靜止直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。圖2.4中表示的是定子電流矢量錯(cuò)誤！未找到引用

35、源。在錯(cuò)誤！未找到引用源。錯(cuò)誤！未找到引用源。靜止坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的投影。圖中，錯(cuò)誤！未找到引用源。軸與錯(cuò)誤！未找到引用源。軸的夾角為錯(cuò)誤！未找到引用源。(錯(cuò)誤！未找到引用源。是初始角)，且dq坐標(biāo)系是以角速度錯(cuò)誤！未找到引用源。速度在旋轉(zhuǎn)，由于dq坐標(biāo)系是旋轉(zhuǎn)的，錯(cuò)誤！未找到引用源。隨時(shí)間在變化，因此 錯(cuò)誤！未找到引用源。 錯(cuò)誤！未找到引用源。 。圖2.4定子電流矢量在固定坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的投影圖由圖2.4可知： 錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.16) 錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.17)由上式可得：錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.18)錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.19)上式可寫成矩陣形式：錯(cuò)

36、誤！未找到引用源。 (2.20)由式(2.19)和(2.20)得0abc坐標(biāo)系到兩相0dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣 (2.21)其逆矩陣為：錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.22)最終我們可求得電壓轉(zhuǎn)換矩陣：錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.23)前面己經(jīng)提到，分析永磁同步電機(jī)性能最常用的方法就是利用其dq0坐標(biāo)系方程。然而，pmsm運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其定子和轉(zhuǎn)子處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，永磁磁極與定子繞組，定子繞組與繞組之間的相互影響，導(dǎo)致pmsm內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜，再加上磁路飽和等非線性因素，給建立電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型帶來了很大困難。為了得到簡(jiǎn)化的pmsm數(shù)學(xué)模型，通常作如下假設(shè)： (1)認(rèn)為磁路是線性的，可以用疊加原

37、理進(jìn)行分析。忽略磁路飽和、磁滯和渦流的影響； (2)當(dāng)定子通入三相對(duì)稱正弦波電流時(shí)，氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢(shì)而沒有高次諧波； (3)永磁磁極在氣隙中產(chǎn)生的磁勢(shì)為正弦分布，也無高次諧波，即定子的空載電勢(shì)為正弦波； (4)轉(zhuǎn)子無阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用。根據(jù)上述錯(cuò)誤！未找到引用源。和 錯(cuò)誤！未找到引用源。 坐標(biāo)變換，即可推得三相繞組永磁同步電機(jī)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型如下：定子電壓方程為：錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.24)式中：錯(cuò)誤！未找到引用源。 分別為d軸和q軸上的等效電樞電壓分量定子磁鏈方程為：錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.25)式中，錯(cuò)誤！未找到引用源。分別為d軸和q軸的等效磁鏈;

38、 錯(cuò)誤！未找到引用源。分別為d軸和q軸上的等效電樞電感分量輸出轉(zhuǎn)矩方程為：錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.26)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：錯(cuò)誤！未找到引用源。 (2.27) 式中，j 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;一轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；錯(cuò)誤！未找到引用源。一阻力系數(shù)；錯(cuò)誤！未找到引用源。一負(fù)載轉(zhuǎn)矩電機(jī)狀態(tài)方程：錯(cuò)誤！未找到引用源。(2.28)2.2永磁同步電機(jī)矢量控制原理矢量控制中定子電流被分解為相互正交的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩兩個(gè)分量，其中代表定子電流勵(lì)磁分量的與磁鏈同方向，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量的與磁鏈方向正交。具體來說，矢量控制的核心思想是將電機(jī)的三相電流、電壓、磁鏈經(jīng)坐標(biāo)變換變到以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相參考坐標(biāo)系。矢量控制的目的在于構(gòu)造直流電

39、機(jī)的調(diào)速效果，即維持勵(lì)磁電流不變，通過控制電樞電流來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而使系統(tǒng)獲得與直流調(diào)速一樣的動(dòng)態(tài)特性。由上面永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型可知，dq坐標(biāo)系下pmsm的電磁轉(zhuǎn)矩公式為： (2.29)對(duì)于插入式和內(nèi)裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于直軸磁路上有永磁體，所以錯(cuò)誤！未找到引用源。 錯(cuò)誤！未找到引用源。，磁阻轉(zhuǎn)矩與兩電感差值成正比。對(duì)于面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，因此錯(cuò)誤！未找到引用源。 =錯(cuò)誤！未找到引用源。不存在磁阻轉(zhuǎn)矩。此時(shí)轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)椋?(2.30)因?yàn)槭怯来呸D(zhuǎn)子，所以錯(cuò)誤！未找到引用源。是一個(gè)不變的值，所以上式表明采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的方法使得錯(cuò)誤！未找到引用源。，就可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤！未找到引用源。與d軸垂直，從而可

40、實(shí)現(xiàn)pmsm控制參數(shù)的解禍和轉(zhuǎn)矩線性化控制。錯(cuò)誤！未找到引用源。的控制方案簡(jiǎn)單易行，而且此控制方法對(duì)面裝式永磁同步電機(jī)而言每安培定子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值最大，即可以獲得最高的轉(zhuǎn)矩/電流比值，電動(dòng)機(jī)銅損耗也最小。這是一種很有吸引力的運(yùn)行狀態(tài)。目前高性能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)，面裝式pmsm幾乎都采用“磁場(chǎng)定向”控制方式。除了與錯(cuò)誤！未找到引用源?？刂疲来磐诫姍C(jī)矢量控制系統(tǒng)可以采用的電流控制方法還有轉(zhuǎn)矩電流比最大控制和弱磁控制。這些控制方法有其各自的特點(diǎn)，適用于不同的運(yùn)行場(chǎng)合。2.3空間矢量pwm原理及實(shí)現(xiàn)pwm控制技術(shù)是電壓型變頻器中應(yīng)用十分廣泛的一種電壓和頻率控制方法，它可以極為有效地抑制

41、輸出電壓的諧波，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。在頻率控制、效率等諸方面有著十分顯著的優(yōu)點(diǎn)。2.3.1空間矢量pwm基本原理pwm（pulse width modulation）即脈寬調(diào)制。pwm控制是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變?yōu)殡妷好}沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到改變電壓的目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻的目的。在變頻調(diào)速應(yīng)用中，它主要是變頻電壓。利用pwm控制逆變器的輸出電壓，可以有效地抑制諧波，并可同時(shí)控制頻率和電壓。2.3.2空間矢量pwm實(shí)現(xiàn)方法形成pwm波形的方法有很多種，其中最基本的方法是利用的三角波調(diào)制波和控制波的比較。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制中，

42、這個(gè)控制波是三相對(duì)稱以期控制逆變輸出的波形能夠接近正弦波，即所謂的正弦波pwm，其波形如圖2.5所示?？刂葡到y(tǒng)通過比較電路將調(diào)制三角波與各相的控制波進(jìn)行比較，變換為邏輯電平，并通過驅(qū)動(dòng)電路使功率器件交替導(dǎo)通和關(guān)斷，各相間的線電壓如圖2.6（a）所示，圖2.6（b）則是反映在電機(jī)上的相電壓波形。圖2.5 pwm波形的產(chǎn)生圖2.6 pwm變頻器的線電壓（上）和相電壓（下）波形由上述方法獲得的逆變器輸出電壓波形，可以證明其基波的幅值和頻率均完全受控于正弦波控制信號(hào)的幅值和頻率，并且諧波含量較低；當(dāng)三角波調(diào)制波的頻率增加時(shí)，由前面的原理分析可知，輸出波形的諧波含量將進(jìn)一步減少，負(fù)載的電流波形就越接近于

43、正弦波。正弦pwm的控制方法除了上述的正弦波比較法以外，還有梯形波、馬鞍形波等十余種。但不論何種具體方法，它們均是著眼于如何使變頻器的輸出電壓更好地獲得對(duì)稱的三相正弦波。此外，還有以各種目標(biāo)為條件的優(yōu)化pwm和隨機(jī)pwm控制技術(shù)，它們與正弦pwm技術(shù)一起構(gòu)成了pwm控制技術(shù)的整體。 第三章 dsp概述3.1 dsp的分類及其特點(diǎn)3.1.1 dsp的分類dsp芯片可以按照工作方式進(jìn)行分類。 (1)按基礎(chǔ)特性分這是根據(jù)dsp芯片的工作時(shí)針和指令類型來分類的。如果在某個(gè)時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)的任何時(shí)鐘頻率上，dsp芯片都能正常工作，除計(jì)算速度有變化外，沒有性能的下降，這類dsp芯片一般稱之為靜態(tài)dsp芯片.

44、例如日本oki電氣公司的dsp芯片就屬于這一類。這種dsp芯片在存取速度較慢的存儲(chǔ)器時(shí)不必再插入等待狀態(tài)。如果有兩種或兩種以上的dsp芯片,它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼機(jī)管腳結(jié)構(gòu)相互兼容,則這類dsp芯片稱為一致性芯片。例如ti公司的tms320c54x就屬于這一類。 (2)按數(shù)據(jù)格式分這是根據(jù)dsp芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的dsp芯片稱為定點(diǎn)dsp芯片，如ti公司的tms320c1x/c2x、tms320c55x/c54x系列，ad公司的dsp/16/16a系列，motorola公司的dsp56000等；以浮點(diǎn)格式工作的稱為浮點(diǎn)dsp芯片，如ti公司的tms320c62

45、x/c67x,ad公司的ads21xxx系列。不同的浮點(diǎn)dsp芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的dsp芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，如tms320c3x，而有的dsp芯片則采用ieee的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式，如motorola公司的mc96002。 (3)按用途分按照dsp芯片的用途可以分為通用dsp芯片和專用dsp芯片。通用dsp芯片適合普通的dsp應(yīng)用,如ti公司的一系列dsp芯片就屬于通用dsp芯片。專用dsp芯片是為特定的dsp運(yùn)算而設(shè)計(jì)，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波器、卷積和fft，如motorola公司的dsp56200。3.1.2 dsp的特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal

46、processor,dsp)是專門為數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用而設(shè)計(jì)的芯片,解決了原來處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單片微機(jī)速度達(dá)不到實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求的問題.根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求,dsp具有如下主要特點(diǎn)。 (1)哈佛結(jié)構(gòu) 早期的微處理器內(nèi)部大多采用馮諾依曼（von-neumann)結(jié)構(gòu)。其片上程序空間和數(shù)據(jù)空間是合在一起的，取指令和取操作數(shù)都是通過一條總線分時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)高速運(yùn)算時(shí)，不但不能同時(shí)取指令和取操作數(shù)，而且還會(huì)造成傳輸通道上的瓶頸現(xiàn)象。而dsp內(nèi)部采用的是程序空間和數(shù)據(jù)空間分開的基本哈佛（harvard）結(jié)構(gòu)。它允許同時(shí)取指令（來自程序存儲(chǔ)器）和取操作數(shù)（來自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），而且還允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間相互

47、傳送數(shù)據(jù)。第二代改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)允許指令存儲(chǔ)器在高速緩沖器（cache)中，執(zhí)行指令時(shí)，不需要再從存儲(chǔ)器中讀取指令，節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間。(2)多總線結(jié)構(gòu)許多dsp芯片內(nèi)部都采用多總線結(jié)構(gòu)，以保證在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以多次訪問程序空間和數(shù)據(jù)空間。tms320f2812內(nèi)部多條總線（每條總線又包括地址總線和數(shù)據(jù)總線），可以在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)從程序存儲(chǔ)器取一條指令，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀兩個(gè)操作數(shù)和向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫一個(gè)操作數(shù)，大大提高了dsp的運(yùn)行速度。因此，對(duì)dsp來說，內(nèi)部總線是個(gè)十分重要的資源，總線越多，可以完成的功能就越復(fù)雜。 (3)流水線結(jié)構(gòu)dsp執(zhí)行一條指令，需要通過取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等幾

48、個(gè)階段。在dsp中采用流水線結(jié)構(gòu)，而在程序運(yùn)行過程中這幾個(gè)階段是重疊的。這樣，在執(zhí)行本條指令的同時(shí)，還依次完成了后面三條指令的取操作數(shù)、譯碼、和取指的任務(wù)，將指令周期降低到最小值。利用這種流水線結(jié)構(gòu)，加上執(zhí)行重復(fù)操作，保證了數(shù)字信號(hào)處理中使用最多的乘法累加運(yùn)算可以在單個(gè)指令周期內(nèi)完成。 (4)具有多處理單元dsp內(nèi)部一般包括有多個(gè)處理單元，如算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（alu）、輔助寄存器運(yùn)算單元（arau）、累加器（acc）以及硬件乘法器（mult）單元等。它們可以在一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。例如：當(dāng)執(zhí)行一次乘法和累加處理的同時(shí)，輔助寄存器單元已經(jīng)完成了下一個(gè)地址的尋址工作，為下一次乘法和累加遠(yuǎn)算做

49、好了充分的準(zhǔn)備。因此，dsp在進(jìn)行連續(xù)的乘加運(yùn)算時(shí)，每一次乘加運(yùn)算都是單周期的。dsp的這種多處理單元結(jié)構(gòu)，特別使用于fir和iir濾波器。此外，許多dsp多處理單元結(jié)構(gòu)還可以將一些特殊的算法，例如fft的位碼倒置尋址和取模運(yùn)算等，在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，提高運(yùn)行速度。 (1)特殊的dsp指令為了更好地滿足數(shù)字信號(hào)處理的需要，在dsp的指令系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一些特殊的dsp指令。例如：tms320c250中的macd（乘法、累加和數(shù)據(jù)移動(dòng)）指令，具有執(zhí)行l(wèi)t、dmov、mpy和apac等4條指令的功能。(2)指令周期短早期的dsp指令周期約400ns，采用4pm的nmos制造工藝，其運(yùn)行速度為5mip

50、s（每秒執(zhí)行5百萬條指令）。隨著集成電路工藝的發(fā)展，dsp廣泛采用亞微米cmos制造工藝，其運(yùn)行速度越來越快。(3)運(yùn)算精度高早期dsp的字長(zhǎng)為8位，后來逐步提高到16位、24位和32位。為防止運(yùn)算過程中溢出，有的累加器達(dá)到40位。(4)硬件配置強(qiáng)新一代的dsp的接口功能愈來愈強(qiáng)，片內(nèi)具有串行口、主機(jī)接口（hpi）、dma控制器、軟件控制的等待狀態(tài)產(chǎn)生器、鎖相環(huán)時(shí)鐘產(chǎn)生器以及實(shí)現(xiàn)在片仿真符合ieee1149.1標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試仿真接口,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更易于完成。另外，許多dsp芯片都可以工作在省電方式，大大降低了系統(tǒng)功耗。dsp芯片的上述特點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。3.2永磁同步電機(jī)伺服控

51、制系統(tǒng)芯片選擇依據(jù) 伺服控制精度的提高與選用的控制芯片的性能密切相關(guān)。在過去的幾十年里，單片機(jī)的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的智能控制功能，現(xiàn)在新一代的dsp器件也得了很大的發(fā)展。與單片機(jī)相比，dsp器件具有較高的集成度。dsp具有更快的cpu，更大容量的存儲(chǔ)器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和fifo緩沖器。提供高速、同串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。有的片內(nèi)集成了a/d和采樣/保持電路，可提供pwm輸出dsp器件采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級(jí)流水線，使dsp器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。dsp器件比16位單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快810倍，完成一次乘加運(yùn)算快

52、1630倍。dsp器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了fft快速傅里葉變換和濾波器的運(yùn)算速度。此外，dsp器件提供jtag接口，具有更先進(jìn)的開發(fā)手段，批量生產(chǎn)測(cè)試更方便，開發(fā)工具可實(shí)現(xiàn)全空間透明仿真，不占用用戶任何資源。軟件配有匯編鏈接c編譯器、c源碼調(diào)試器。 tms20lf2407是ti公司推出的一款定點(diǎn)dsp控制器，它采用了高性能靜態(tài)cmos技術(shù)，使得供電電壓降為3.3v，減小了控制器的功耗;40mips的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns(40入mhz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力;集成了32k字的閃存、2.5k的ram、500ns轉(zhuǎn)換時(shí)間的a/d轉(zhuǎn)換器，片上事件管理器(ev)提供

53、了可以滿足各種電機(jī)的pwm接口和i/0功能，此外還提供了適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的一些特殊功能，如看門狗電路、spi、sci和can總線控制器等，從而使它可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。這一款芯片是屬于c24x系列芯片中有代表性的一款。tms320lf2407a以czxx 16位定點(diǎn)cpu為內(nèi)核，配置了完善的外圍設(shè)備:包括兩個(gè)事件管理器模塊(event-manager，ev)、a/d轉(zhuǎn)換模塊(analog-to-digita converter，adc)、串行通信接口模塊(serial conununications interfaee，sci)、串行外設(shè)接口模塊(serialperipheralinte

54、rfaee，spi)、can總線通信模塊(controllerareanetwork，can)、可屏蔽外部中斷、看門狗功能、頻率鎖相環(huán)(phaselockedloop，pll)。其中每個(gè)事件管理器模塊含有兩個(gè)16位通用定時(shí)器(general-purpose (gp) timers)，6路pwm波形發(fā)生單元(pu1se一width modulation，pwm)，3個(gè)捕獲單元(captureunits)，3個(gè)全比較單元(compare units)，和正交編碼脈沖電路(quadratureencoderpulse (qep) circuits)。另外，tms320lf2407a片內(nèi)還集成了32k

55、字的flash，544字dram，2k字的sram，可自由配置為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)器，配備了內(nèi)置的jtag(joint test action group，jtag)口方便仿真調(diào)試和編程。tms320lf24o7a的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下:最高40mips指令執(zhí)行速度，單周期指令執(zhí)行時(shí)間僅為25ns，片內(nèi)集成32k錯(cuò)誤！未找到引用源。16bit的flash存儲(chǔ)器，1.5k錯(cuò)誤！未找到引用源。l6bit的數(shù)據(jù)/程序ram，544字的雙口以m(dram)和2k字的單口ram(sram)，兩個(gè)事件管理器模塊eva和evb。片上的pwm單元能夠?qū)崿F(xiàn)pwm的對(duì)稱和非對(duì)稱波形，可編程的pwm死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖，并可由定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換和pwm輸出通道，外部存儲(chǔ)器總共192