計(jì)算機(jī)控制技術(shù)：第六章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

1、第六章第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐計(jì)與實(shí)踐n6.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求和特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求和特點(diǎn)n6.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及步驟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及步驟n6.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 6.1 計(jì)算機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求和特點(diǎn)的基本要求和特點(diǎn)1. 設(shè)計(jì)的基本要求設(shè)計(jì)的基本要求（1）系統(tǒng)操作性能要好 （2）通用性好、便于擴(kuò)充（3）可靠性要高 （1）系統(tǒng)操作性能要好兩方面含義： 使用方便 維修方便配置軟件時(shí)，考慮什么軟件可降低對(duì)操作員專業(yè)知識(shí)要求；支持的應(yīng)用程序編寫語言；硬件配置方面：減少控制

2、開關(guān)，操作順序簡(jiǎn)單。出現(xiàn)故障時(shí)：軟件需要診斷程序，硬件零部件配置便于維修。（2）通用性好、便于擴(kuò)充 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候要考慮適應(yīng)各種不同的設(shè)備和各種不同的控制對(duì)象，使系統(tǒng)不需要大的改動(dòng)就很快適應(yīng)新的情況。這就要求系統(tǒng)的通用性好，能靈活的進(jìn)行擴(kuò)充。這就對(duì)系統(tǒng)提出了如下概念開放：可以將現(xiàn)成的硬件和軟件集成到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中。模塊化：允許元件的“即插即用”可縮放性：能夠簡(jiǎn)單的和有效的重新配置以滿足特殊的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性：實(shí)現(xiàn)低生命周期成本可維護(hù)性：正常運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，故障停機(jī)時(shí)間短（2）通用性好、便于擴(kuò)充 為達(dá)到這些要求：（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化（2）采用通用的系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)，以便擴(kuò)充（3）接口部件采用通用集成接口芯片（4

3、）盡量在速度允許的情況下使硬件功能軟件實(shí)現(xiàn)。（5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)要有余量。如CPU的工作速度、電源功率、內(nèi)存容量、過程通道等（3）可靠性要高）可靠性要高 可靠性是控制系統(tǒng)最重要的基本要求。一旦系統(tǒng)可靠性是控制系統(tǒng)最重要的基本要求。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將造成出現(xiàn)故障，將造成 整個(gè)生產(chǎn)過程混亂。整個(gè)生產(chǎn)過程混亂。 特別對(duì)特別對(duì)CPU模塊的可靠性要求更嚴(yán)格。模塊的可靠性要求更嚴(yán)格。 由于微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或由于微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或PLC系統(tǒng)硬件價(jià)格低，系統(tǒng)硬件價(jià)格低，通常采用多微處理器控制系統(tǒng)來提高系統(tǒng)可靠性。通常采用多微處理器控制系統(tǒng)來提高系統(tǒng)可靠性。采用雙機(jī)系統(tǒng)。用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)或采用雙機(jī)系統(tǒng)。用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)

4、或PLC作為控制系作為控制系統(tǒng)的核心處理器，從而提高可靠性。統(tǒng)的核心處理器，從而提高可靠性。采用集散控制系統(tǒng)。采用集散控制系統(tǒng)。（3）可靠性要高采用雙機(jī)系統(tǒng)。用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)或PLC作為控制系統(tǒng)的核心處理器，從而提高可靠性。1）備份工作方式：一臺(tái)機(jī)投入系統(tǒng)運(yùn)行，另一臺(tái)也處于運(yùn)行狀態(tài)，但做為系統(tǒng)的熱備份機(jī)。當(dāng)投入運(yùn)行的系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，專用程序切換裝置自動(dòng)把備份機(jī)無縫切入系統(tǒng)。故障排除后的系統(tǒng)則作為備份機(jī)。2）主從工作方式 ：兩臺(tái)控制機(jī)器，同時(shí)投入系統(tǒng)運(yùn)行，正常情況下，分別執(zhí)行不同任務(wù)。一臺(tái)承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的主要控制任務(wù)為主機(jī)，另一臺(tái)承擔(dān)數(shù)據(jù)處理或部分設(shè)備控制工作（從機(jī)）。當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障，它就自動(dòng)脫離系統(tǒng)

5、，讓從機(jī)能夠機(jī)承擔(dān)起所有的控制任務(wù)，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。3）雙工工作方式 兩臺(tái)主機(jī)同時(shí)投入系統(tǒng)運(yùn)行 ,任何時(shí)刻同步執(zhí)行同一任務(wù)。并把結(jié)果送到一個(gè)專門的裝置進(jìn)行核對(duì)。如果輸出結(jié)果符合，說明都正常，則輸出，否則，判斷發(fā)生故障機(jī)器，并切換下來（3）可靠性要高采用集散控制系統(tǒng)。 監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)CRT操作站操作站基本調(diào)節(jié)器基本調(diào)節(jié)器基本調(diào)節(jié)器基本調(diào)節(jié)器 被控對(duì)象被控對(duì)象被控對(duì)象被控對(duì)象高高 速速 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 通通 道道利用微型計(jì)算機(jī)或微處理器為核心的基本調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)地理上利用微型計(jì)算機(jī)或微處理器為核心的基本調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)地理上和功能上的分散控制，同時(shí)通過高速數(shù)據(jù)通道將各個(gè)分散點(diǎn)的和功能上的分

6、散控制，同時(shí)通過高速數(shù)據(jù)通道將各個(gè)分散點(diǎn)的信息集中起來進(jìn)行集中監(jiān)督、管理和控制操作，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過信息集中起來進(jìn)行集中監(jiān)督、管理和控制操作，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的各種復(fù)雜控制規(guī)律。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)可大可小，容易擴(kuò)充，系程的各種復(fù)雜控制規(guī)律。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)可大可小，容易擴(kuò)充，系統(tǒng)可靠性高統(tǒng)可靠性高2. 設(shè)計(jì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須把系統(tǒng)要執(zhí)行的任務(wù)和應(yīng)具備的功能合理地分配給硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)，做到合理權(quán)衡硬件、軟件的配置，并盡量節(jié)省機(jī)器時(shí)間和內(nèi)存空間。硬件設(shè)計(jì)主要采用大規(guī)模集成電路。 6.2 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及步驟微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及步驟1. 確定系統(tǒng)整體控制方案確定系統(tǒng)整

7、體控制方案第一：要從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮，是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制。第二：考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用什么方案，是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)還是其他方式驅(qū)動(dòng)，比較各種方案，擇優(yōu)而用。第三：考慮是否有特殊控制要求。 2. 確定控制算法確定控制算法（1）確定算法能否滿足控制速度、精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。（2）確定某些情況下要進(jìn)行修改與補(bǔ)充。（3）確定為設(shè)計(jì)、調(diào)試方便，可將控制算法作合理的簡(jiǎn)化，逐步將控制算法完善，直到獲得最好的控制效果。3. 選擇微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備選擇微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備（1）較完善的中斷系統(tǒng) （2）足夠的存儲(chǔ)容量（3）完備的輸入輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘（4）字長(zhǎng)（5）速度（6）指令種類和數(shù)量（7）尋址范

8、圍和尋址方式 （8）內(nèi)部存儲(chǔ)器的種類和數(shù)量 3. 選擇微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備選擇微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備（1）較完善的中斷系統(tǒng) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，中斷處理是主要的一種輸入輸出方式。微處理器中斷功能的強(qiáng)弱，往往涉及到整個(gè)系統(tǒng)的硬件和應(yīng)用程序布局。（3）完備的輸入輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘（4）字長(zhǎng)字長(zhǎng)直接決定了數(shù)據(jù)精度、指令數(shù)目、尋址能力和執(zhí)行操作的時(shí)間。一般字越長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)處理越有利。但從減少輔助電路的復(fù)雜性和降低成本角度考慮，字短些好。一般16或32位字長(zhǎng)可滿足要求。3. 選擇微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備選擇微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備（5）速度微處理器速度應(yīng)該與被控對(duì)象的要求相適應(yīng)，盲目追求高速度會(huì)提高成本，并給安裝調(diào)

9、試帶來麻煩。（6）指令種類和數(shù)量指令條數(shù)越多，針對(duì)特定操作的指令也必然增多，這可使處理速度加快，程序量減少。字較短的微處理器，通常指令條數(shù)少一些。3. 選擇微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備選擇微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備（7）尋址范圍和尋址方式 、內(nèi)存容量尋址范圍表示系統(tǒng)中可存放的程序和數(shù)據(jù)量，用戶根據(jù)系統(tǒng)要求選擇與尋址范圍有關(guān)的合理內(nèi)存容量。一般有直接、間址、變址尋址等，選擇恰當(dāng)?shù)膶ぶ贩绞?，?huì)使程序量大大減少。（8）內(nèi)部存儲(chǔ)器的種類和數(shù)量 微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)也關(guān)系到系統(tǒng)性能重要方面，一般包含有通用寄存器組、程序計(jì)數(shù)器、堆棧指示器、變址寄存器、累加器等。它們的種類和數(shù)目越多，訪問外存次數(shù)越少，加快執(zhí)行速度。4. 系

10、統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（1）估計(jì)內(nèi)存容量、進(jìn)行內(nèi)存分配（2）過程通道和中斷處理方式的確定（3）系統(tǒng)總線的選擇 （4）操作臺(tái)的控制4. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（1）估計(jì)內(nèi)存容量、進(jìn)行內(nèi)存分配內(nèi)存容量主要根據(jù)控制程序量和數(shù)據(jù)量以及堆棧大小來估計(jì)。并要考慮是否要外存。不同功能的程序最好分配在不同的內(nèi)存區(qū)域，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和工作速度的提高。在I/O端口地址按存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址系統(tǒng)中，要選擇某一內(nèi)存區(qū)做為I/O端口地址區(qū)，應(yīng)讓所有I/O端口號(hào)盡量靠在一起，有利于譯碼和擴(kuò)展。4. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（2）過程通道和中斷處理方式的確定根據(jù)控制對(duì)象所要求的輸入輸出參數(shù)的個(gè)數(shù)，來確定系統(tǒng)的輸入輸出通道。著重

11、考慮：1）數(shù)據(jù)采集和傳輸所需要的通道數(shù)目2）數(shù)據(jù)傳輸率和數(shù)據(jù)流量3）輸入輸出通道是串行操作還是并行操作4）輸入輸出通道是隨機(jī)選擇還是按某種預(yù)定的順序工作。5）模擬量輸入輸出通道中字長(zhǎng)選擇。 硬件處理中斷快，需配置中斷控制部件；程序處理中斷編程靈活。 4. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（3）系統(tǒng)總線的選擇 系統(tǒng)總線選擇對(duì)通用性很有意義。為使系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化，采用通用的系統(tǒng)總線。5. 硬件和軟件的具體設(shè)計(jì)硬件和軟件的具體設(shè)計(jì)硬件和軟件有一定互換性。用硬件完成功能，可改善性能，加快工作速度，但增加成本。用軟件代替硬件功能，可減少元件數(shù)，降低成本，但工作速度降低。一般原則：所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)生產(chǎn)量大，多用軟件完成功

12、能。主要考慮成本。5. 硬件和軟件的具體設(shè)計(jì)硬件和軟件的具體設(shè)計(jì)（1）硬件設(shè)計(jì)：）硬件設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)電氣原理圖，再按照電氣原理圖著手元件的選購(gòu)和開始施工設(shè)計(jì)工作。 （2）軟件設(shè)計(jì)：）軟件設(shè)計(jì)：實(shí)時(shí)性。 針對(duì)性。 靈活性和通用性。 可靠性。6. 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是要把已調(diào)好的各程序功能塊按照總體設(shè)計(jì)要求連成一個(gè)完整的程序。程序調(diào)試完成后，還要進(jìn)行在線仿真，然后進(jìn)行試運(yùn)行。經(jīng)過一段考機(jī)和試運(yùn)行后，即可投入正式運(yùn)行。圖6-1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟流程圖控制對(duì)象的功能和工作過程分析估算及分配I/O口,存儲(chǔ)器容量及外圍設(shè)備畫系統(tǒng)工藝流程圖I/O口的具體分配畫系統(tǒng)程序框圖系統(tǒng)部件

13、的詳細(xì)設(shè)計(jì)編制源程序部件芯片老化篩選和測(cè)試匯編布線及安裝形成目標(biāo)程序系統(tǒng)試運(yùn)行調(diào)試硬件調(diào)試和仿真完成否?硬件錯(cuò)否?完成否?寫入EPROM結(jié)束設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是是是否否否開 始6.3 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例例 n6.3.1 電池化成電源電池化成電源n6.3.2 CNC系統(tǒng)系統(tǒng)鋰動(dòng)力電池是高性能無污染的新型環(huán)保能源。適鋰動(dòng)力電池是高性能無污染的新型環(huán)保能源。適用于作國(guó)防、航空航天以及民用電動(dòng)摩托車、電用于作國(guó)防、航空航天以及民用電動(dòng)摩托車、電動(dòng)小轎車、中巴與大巴等的動(dòng)力電池動(dòng)小轎車、中巴與大巴等的動(dòng)力電池。同其它蓄電池一樣，鋰動(dòng)力電池在出廠前必須進(jìn)同其它蓄電池一樣，鋰動(dòng)力電池在

14、出廠前必須進(jìn)行化成、檢測(cè)。行化成、檢測(cè)。其工藝流程包括五個(gè)階段：恒流充電、恒壓充電、其工藝流程包括五個(gè)階段：恒流充電、恒壓充電、休眠階段、放電階段及周期間隔階段。休眠階段、放電階段及周期間隔階段。要求電池在充電終壓（最高為要求電池在充電終壓（最高為4.2V）時(shí)，自動(dòng)停）時(shí)，自動(dòng)停止充電；在設(shè)定的電池放電終壓止充電；在設(shè)定的電池放電終壓(最低最低2.25V)時(shí)，時(shí)，自動(dòng)停止放電。充放電電流一般不超過自動(dòng)停止放電。充放電電流一般不超過0.3C。6.3.1 6.3.1 電池化成電源系統(tǒng)電池化成電源系統(tǒng)對(duì)化成電源的要求對(duì)化成電源的要求要求化成電源不僅化成高精度、高可靠性，還要具有體積小、安全性高、組網(wǎng)

15、能力強(qiáng)，以及充放電響應(yīng)速度快，過程無沖擊，以延長(zhǎng)電池的使用壽命。傳統(tǒng)的模擬化成電源已經(jīng)無法滿足這些新要求，為此在對(duì)100Ah鋰動(dòng)力電池化成電源的開發(fā)中，研究了基于數(shù)字信號(hào)處理器的全數(shù)字化成電源及其控制技術(shù)。 系統(tǒng)性能要求系統(tǒng)性能要求 具有電池化成、測(cè)試和分選功能； 采用精確制造恒流-穩(wěn)壓電源，恒流到恒壓充電過程平滑無沖擊； 每個(gè)通道具有獨(dú)立的充電、放電回路，具有過流、過壓（過充）、欠壓（過放）、過熱保護(hù)，安全可靠； 化成機(jī)柜設(shè)有可視電池化成狀態(tài)的防爆觀察窗； 化成通道模塊化制造，通用性強(qiáng)，具有熱插拔功能，可靠性高，維修容易； 電源采用了基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的全數(shù)字化控制，控制精度高，硬

16、件少，系統(tǒng)可靠性高； 技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)恒流充電范圍 030A 精度 0.5；恒壓充電范圍 05V 精度 0.5；充電終止電壓 4.2V 精度 0.5；放電終止電壓 2.8V 精度 0.5；恒流放電范圍 0-30A 精度 0.5；測(cè)量分辨率 0.05% FSR；電池溫度檢測(cè)范圍 0-70C 誤差 1C；化成過程設(shè)置為充電、休眠、放電過程，并可實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)時(shí)間可編程組合；電網(wǎng)側(cè)的功率因素大于0.95；數(shù)據(jù)采集 電流、電壓、溫度；通訊接口 CAN總線；工作環(huán)境 0-40C；電源輸入 380VAC10%；相對(duì)濕度 20-80%RH 總體設(shè)計(jì)原則總體設(shè)計(jì)原則 1、電池化成過程安全是第一位的，要有根本性措

17、施確保安全，如對(duì)化成電源的保護(hù)需要采用硬件箝位限制、充放電過、欠壓、過流超溫保護(hù)等，另外，通過對(duì)各個(gè)通道實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控可以解決人為的誤操作所引起的安全問題；2、鋰電池化成精度要高，篩選、分級(jí)、分類要細(xì)。要在各個(gè)通道的控制回路中，使用功能強(qiáng)大的信號(hào)處理器，提高控制精度。同時(shí)攫取和處理化成完整信息，支持實(shí)現(xiàn)更完善的電池分類方法 總體設(shè)計(jì)原則（總體設(shè)計(jì)原則（1） 3、 化成系統(tǒng)由充放電模塊及控制模塊和保護(hù)系統(tǒng)組成。高可靠性、保障各通道調(diào)節(jié)參數(shù)準(zhǔn)確性，高可維護(hù)性等是十分重要的。將采取下列措施： 各通道模塊是相互獨(dú)立的，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)熱插拔維修； 選擇可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、易安裝、連線少、可熱插拔的現(xiàn)場(chǎng)總線方式

18、，實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道的監(jiān)控； 以DSP軟件代替硬件線路，減少元件數(shù)量，主電路采用通用模塊電源，降低故障率 以Windows操作系統(tǒng)為軟件工作環(huán)境，建立功能齊全，用戶友好，開放的軟件系統(tǒng)。數(shù)字化成電源結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)鋰動(dòng)力電池恒流充電、恒壓充電、休眠、恒流放電的過程以及保證化成過程的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)以及工人人身安全，整個(gè)數(shù)字化成電源包含充電電路、放電電路和基于DSP的數(shù)字控制單元三大部分，如圖所示。 圖1 數(shù)字化成電源結(jié)構(gòu)圖充電電路充電電路充電電路中，DPF1000、DBS200分別是COSEL公司的AC/DC和DC/DC電源模塊。DPF1000實(shí)現(xiàn)對(duì)220V交流市電整流，及功率因數(shù)校正后，輸出360V直流電以母線

19、形式為8路DC/DC模塊集中提供直流電；DBS200是一款輸出電壓可控的直流變換模塊，可控制200400V的直流輸入到05V的直流電壓輸出，trim為其控制輸入端。 放電電路放電電路放電電路是一個(gè)電流可控的電阻放電回路，通過控制三極管的開關(guān)而調(diào)整放電電流，實(shí)現(xiàn)放電電路的電流控制功能。R2和Ifd分別放電電路電流采樣電阻和采樣電流，Rd為放電電阻。PWM分別為放電電路的脈寬控制信號(hào)。 電源采用電源采用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A作為化成作為化成控制單元，在系統(tǒng)每個(gè)采樣周期內(nèi)，首先利用控制單元，在系統(tǒng)每個(gè)采樣周期內(nèi)，首先利用A/D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換器采集充電電

20、流、放電電流、電池電壓以及工作環(huán)境溫度，在系統(tǒng)沒充電電流、放電電流、電池電壓以及工作環(huán)境溫度，在系統(tǒng)沒有出現(xiàn)過壓、過流、以及溫度報(bào)警下通過控制算法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控有出現(xiàn)過壓、過流、以及溫度報(bào)警下通過控制算法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，控制制信號(hào)，控制D/A和和PWM輸出，實(shí)現(xiàn)充電電路恒流、恒壓閉環(huán)輸出，實(shí)現(xiàn)充電電路恒流、恒壓閉環(huán)控制，以及放電電路的恒流閉環(huán)控制?？刂?，以及放電電路的恒流閉環(huán)控制。 控制單元控制單元圖1 數(shù)字化成電源結(jié)構(gòu)圖DSP具有具有CAN接口，簡(jiǎn)單編寫驅(qū)動(dòng)程序，可完成接口，簡(jiǎn)單編寫驅(qū)動(dòng)程序，可完成與上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與操作控制。及方便實(shí)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與操作控制。及方便實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)總

21、線的網(wǎng)絡(luò)通信功能現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)通信功能。 每片每片DSP2407有有16個(gè)通道的個(gè)通道的10位位A/D轉(zhuǎn)換器，可完轉(zhuǎn)換器，可完成四個(gè)通道的數(shù)據(jù)采樣功能；成四個(gè)通道的數(shù)據(jù)采樣功能；通過通過DSPDSP的的SPISPI接口接口+DAC8532+DAC8532芯片實(shí)現(xiàn)充電電路中芯片實(shí)現(xiàn)充電電路中DBS200DBS200所需要的電壓驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；所需要的電壓驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；而放電回路中所需脈寬控制信號(hào)是對(duì)而放電回路中所需脈寬控制信號(hào)是對(duì)DSPDSP的的PWMPWM接接口編程產(chǎn)生的。口編程產(chǎn)生的。由于由于DSP2407具有具有40MIPS的指令執(zhí)行速度，通過的指令執(zhí)行速度，通過毫秒級(jí)定時(shí)中斷，可在每

22、個(gè)采樣周期內(nèi)完成恒流毫秒級(jí)定時(shí)中斷，可在每個(gè)采樣周期內(nèi)完成恒流和恒壓充電及恒流放電的數(shù)字控制算法。，和恒壓充電及恒流放電的數(shù)字控制算法。，電池充放電電池充放電模模型型為實(shí)現(xiàn)電池充放電控制，采用為實(shí)現(xiàn)電池充放電控制，采用Thevenin模型作為電模型作為電池充放電電路模型，如圖所示。該模型是由一個(gè)理想池充放電電路模型，如圖所示。該模型是由一個(gè)理想的電壓源的電壓源E0，電池內(nèi)阻，電池內(nèi)阻r，電容，電容C0，和一個(gè)過壓電阻，和一個(gè)過壓電阻R0組成，圖中組成，圖中V代表電池的端電壓，代表電池的端電壓，I代表流過電池的代表流過電池的電流。當(dāng)模型中各參數(shù)近似為常數(shù)時(shí)，由圖電流。當(dāng)模型中各參數(shù)近似為常數(shù)時(shí)，

23、由圖2可得到可得到電流電流I與端電壓與端電壓V之間的頻域傳遞函數(shù)如式所示。之間的頻域傳遞函數(shù)如式所示。由式可以看出，充放電電流為具有低頻紋波的直流時(shí)，電池呈容性特性 圖2 Thevenin電池模型00001E)s( IRsCRr)s(V數(shù)字化成電源的充電系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電池的恒流、恒壓充電控制，文中采用模擬化設(shè)計(jì)方法，充電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方框圖如圖3所示。 充電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖3 充電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方框圖圖3為一個(gè)典型的雙回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)。圖中，UR、IR 分別為充電系統(tǒng)的恒壓、恒流設(shè)定值，Uf、If代表充電中電池反饋電壓和反饋電流； Uo為電池端子電壓；D1(s)和D2(s)為外、內(nèi)

24、環(huán)控制器；外環(huán)控制量ud經(jīng)過飽和非線性環(huán)節(jié)的輸出Is作為電流環(huán)的實(shí)際控制電流，當(dāng)ud大于IR時(shí)，Is= IR DBS200在系統(tǒng)工作頻段內(nèi)可簡(jiǎn)化成比例環(huán)節(jié)KDBS；G(s)為電池動(dòng)態(tài)傳函，將式1中E0作為常值干擾量，可得到G(s)表達(dá)式： 充電系統(tǒng)設(shè)計(jì) （1）0001)(RsCRrsG圖3 充電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方框圖內(nèi)回路設(shè)計(jì)內(nèi)回路設(shè)計(jì)對(duì)于雙回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一般將內(nèi)回路設(shè)計(jì)為快速回路，即內(nèi)回路的工作帶寬至少是外回路帶寬5倍以上，使得內(nèi)外回路可以分開設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)所使用的鋰動(dòng)力電池，內(nèi)阻r和過壓電阻R0為10毫歐，C0為1微法，當(dāng)內(nèi)回路的帶寬設(shè)計(jì)為100Hz時(shí)，G(s)中的遲后環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的帶

25、寬，所以在帶寬范圍內(nèi)G(s)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)，即G(s)=R0+r。內(nèi)環(huán)控制器D2(s)采用比例加積分的控制形式，使得內(nèi)回路被校正為一階系統(tǒng)，一方面可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)充電電流的無差控制，另一方面使系統(tǒng)對(duì)常值干擾E0的穩(wěn)態(tài)輸出誤差為零。實(shí)現(xiàn)先恒流再恒壓的充電過程實(shí)現(xiàn)先恒流再恒壓的充電過程 為使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)先恒流再恒壓的充電過程，在外回路中加入了飽和非線性環(huán)節(jié)，并采用比例加積分形式的外環(huán)控制器D1(s)。充電初始階段，由于充電電壓Uo還很小，e很大， D1(s)中的積分作用，使得非線性環(huán)節(jié)飽和輸出，即電流環(huán)的實(shí)際控制電流Is等于恒流充電恒流設(shè)定值IR，此時(shí)系統(tǒng)處在恒流充電階段。在恒流充電中，電池的充電

26、電壓不斷的增加，當(dāng)其接近于設(shè)定電壓UR時(shí)，誤差e變小，經(jīng)過控制作用后，飽和非線性環(huán)節(jié)工作在線性區(qū)，IsIR，此時(shí)整個(gè)電流環(huán)相當(dāng)于一個(gè)快速電流跟隨系統(tǒng)。系統(tǒng)由恒流充電階段過渡到恒壓充電階段。 圖3 充電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方框圖外回路設(shè)計(jì)外回路設(shè)計(jì)將外回路的帶寬設(shè)計(jì)為10Hz時(shí)，電流回路可用其反饋環(huán)節(jié)倒數(shù)代替，即簡(jiǎn)化為1/Kf，簡(jiǎn)化后的外回路方框圖如圖4所示。此時(shí)系統(tǒng)為一階系統(tǒng)，比例加積分控制器D1(s)，使得系統(tǒng)的輸出電壓Uo無差的接近于設(shè)定的充電電壓UR。在此過程中，控制器還需不斷檢測(cè)充電電流的大小，以判斷是否達(dá)到恒壓充電終止條件。圖4 簡(jiǎn)化后外回路方框圖放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)放電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)字化成電源放電系統(tǒng)中

27、，每個(gè)采樣周期內(nèi)，通過PWM輸出不同寬度的脈沖信號(hào)，控制三極管的導(dǎo)通和截止時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電流的控制與調(diào)節(jié)。首先推導(dǎo)放電系統(tǒng)中PWM的脈沖寬度與電池放電電流的關(guān)系。系統(tǒng)脈寬調(diào)制周期等于采樣周期T，在每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，PWM的導(dǎo)通角為D，導(dǎo)通時(shí)間為DT。 放電回路中，電池內(nèi)阻r、過壓電阻R0及采樣電阻R2同放電電阻Rd相比很小，可忽略不計(jì)，則放電電流I(t)可近似為電池端子電壓Uo與放電電阻Rd之商，即I(t)=Uo(t)/Rd。 放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)（放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）定義為每個(gè)調(diào)制周期T內(nèi)的放電平均電流，可由式3得到：DTdo_dtR)t (UTI01系統(tǒng)采樣周期設(shè)計(jì)為1ms，由于采樣間隔短，這期間電

28、池端子電壓Uo變化可忽略，因此可利用每個(gè)采樣周期中電壓采樣值Uf代替式3中的電池輸出電壓Uo，則式3可以簡(jiǎn)化為：DRUIdf_定義Gdi為導(dǎo)通角與輸出平均電流間的傳遞系數(shù)，則Gdi可由式4得到： df_diRUDIG由于放電過程中，電池端子電壓逐漸降低，所以Gdi是個(gè)時(shí)變函數(shù)，但在每個(gè)采樣周期內(nèi)Gdi可近似為恒定系數(shù)放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)（放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）為實(shí)現(xiàn)放電系統(tǒng)的恒流控制，文中采用了反饋+前饋控制技術(shù)，整個(gè)放電系統(tǒng)方框圖如圖5所示。圖中，D3(s)為反饋控制器，Kpwm為脈寬調(diào)制器的歸一系數(shù)，Kfd為電流反饋比例系數(shù)，Ird與Io分別為設(shè)定的參考放電電流與實(shí)際輸出電流，Ifd為采樣電流，Uf為

29、采樣電壓，F(xiàn)(Ird，Uf)為前饋控制器，Dr為前饋輸出導(dǎo)通角，式5為F(Ird，Uf)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 圖5 放電系統(tǒng)方框圖fdrdfrdrURIUIFD)(，前饋導(dǎo)通角是隨采樣電壓變化的時(shí)變輸出控制信號(hào)。通過在放電系統(tǒng)中采用前饋控制，來抵消時(shí)變模型對(duì)系統(tǒng)的影響 放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)（放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3）反饋控制器D3(s) 采用比例+積分控制形式。由于被控對(duì)象是時(shí)變函數(shù)，控制器的控制參數(shù)采用了工程整定方法確定。其設(shè)計(jì)原則是保證系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度盡可能的大，時(shí)間常數(shù)盡可能的小。以使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，較強(qiáng)的魯棒性能。另外采用比例+積分還可抑制放電電路中的常值干擾。圖5 放電系統(tǒng)方框圖充放電實(shí)驗(yàn)充放電實(shí)驗(yàn)為

30、了驗(yàn)證基于全數(shù)字控制的化成電源控制效果，文中進(jìn)行了恒流充電、恒流放電以及不同充電電流切換過程測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用上位機(jī)通過CAN總線向數(shù)字化成電源傳遞控制命令，采用電流偵測(cè)儀和HP示波器進(jìn)行電流電壓檢測(cè)。，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。 (a) (b) (c)(a)28A恒流充電動(dòng)態(tài)曲線 (b)22A恒流放電動(dòng)態(tài)曲線 (c)22A4A恒流充電過渡過程曲線圖6 充放電測(cè)試曲線從圖的實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，文中設(shè)計(jì)的全數(shù)字化成電源響應(yīng)速度快，充電過渡過程時(shí)間小于50ms，放電過渡過程時(shí)間小于200ms，充放電初始過程，以及不同充電過程間的切換無沖擊。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（1）基于DSP的充放電控制模塊，其控制

31、軟件主要是圍繞CAN通信來設(shè)計(jì)的。具體的設(shè)計(jì)思想為上位機(jī)通過CAN總線發(fā)出命令，當(dāng)下位機(jī)接收到后對(duì)命令內(nèi)容進(jìn)行分析，做出相應(yīng)的處理，然后通過CAN總線發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，這樣就完成了上位機(jī)與下位機(jī)間的一個(gè)完整的通信過程。但是上位機(jī)通過CAN對(duì)充電模塊控制的實(shí)時(shí)性較差，所以在下位機(jī)與充電模塊間還設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)的閉環(huán)控制。因此下位機(jī)程序不僅包括了CAN通信程式一個(gè)閉環(huán)，還包括了恒流恒壓充放電的閉環(huán)控制程序。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（1）整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)采用了標(biāo)準(zhǔn)C語言編程，下圖為充電控制模塊軟件流程圖在系統(tǒng)初始化中，主要完成LF2407寄存器的配置，以及系統(tǒng)開中斷等操作。主循環(huán)采用了一個(gè)死循環(huán)實(shí)現(xiàn)。而CAN

32、通信子程序和監(jiān)控子程序則是采用中斷實(shí)現(xiàn)。CAN通信子程序 在CAN通信子程序內(nèi)采用一問一答的方式，即當(dāng)上位機(jī)發(fā)出命令后，DSP通過中斷方式接受到這個(gè)命令，然后對(duì)命令內(nèi)容進(jìn)行分析，得到各種指令分別執(zhí)行，并把執(zhí)行結(jié)果打包通過CAN發(fā)送給上位機(jī)。系統(tǒng)設(shè)定CAN波特率為250KHz.，具體工作流程如圖所示：圖4 CAN通信子程序工作流程閉環(huán)監(jiān)控子程序?qū)τ诔洹⒎烹婋妷?、電流?shù)據(jù)采樣和閉環(huán)控制以及開關(guān)機(jī)控制間的閉環(huán)監(jiān)控子程式放在了優(yōu)先級(jí)較高的INT2中。DSP不僅監(jiān)控電池充電電壓、充電電流和環(huán)境溫度是否滿足安全要求，還實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制算法，系統(tǒng)設(shè)置最高采樣頻率為24KHz，能實(shí)現(xiàn)充電器的實(shí)時(shí)控制。具體流程如圖5所示?；缮a(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化成生產(chǎn)線作為整個(gè)生產(chǎn)線的一個(gè)重要組成部分，采用了三層分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分別為車間級(jí)、監(jiān)控級(jí)和設(shè)備級(jí)三個(gè)層次。 車間級(jí)：中央控制室由化成管理計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成； 監(jiān)