基于DSP的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-本科畢業(yè)論文

基于DSP的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_本科畢業(yè)論文基于DSP的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：直流電機(jī)由于勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)完全解耦，可以獨(dú)立控制，因此具備良好的調(diào)速性能，出力大、調(diào)速范圍寬和易于控制，廣泛應(yīng)用于電力拖動(dòng)系統(tǒng)中。而隨著對(duì)電機(jī)控制要求的不斷提高，普通的單片機(jī)越來(lái)越不能滿足對(duì)電機(jī)控制的要求，DSP技術(shù)的發(fā)展正好為先進(jìn)控制理論以及復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了有力的支持。本設(shè)計(jì)采用美國(guó)TI公司專門(mén)為電機(jī)數(shù)字化控制設(shè)計(jì)的16位定點(diǎn)DSP控制器TMS320LF2407作為微控制器。該芯片集DSP信號(hào)高速處理能力及適用于電機(jī)控制優(yōu)化的外圍電路于一體，可以為高性能傳動(dòng)控制技術(shù)提供可靠高效的信號(hào)處理與控制硬件。電機(jī)的控制系統(tǒng)是由檢測(cè)裝置、主控制器、功率驅(qū)動(dòng)器以及上位機(jī)組成，其中DSP控制器是電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)的反饋信號(hào)進(jìn)行處理并輸出控制信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；DSP；PID控制器；PWMTheDesignofDCMotorControlSystemBasedonDSPAbstract：TheDCmotorarmaturemagneticfieldandtheexcitationcompletelydecoupled,itcanbeindependentlycontrolled,soithasagoodspeedperformance,contributetoalargepower,widelyspeedrange,andeasytocontrol,soitiswidelyusedinelectricdrivesystems.Withthemotorcontrolrequiredforcontinuousimprovement,commonsingleMCUcan'tmeetrequirementsofthemotorcontrolwell,DSPtechnologyjustfortheadvancedcontroltheoryandcomplexcontrolalgorithmimplementationprovidesastrongsupport.ThisdesignusestheAmericanTIcompanyspeciallyformotorcontroldesignofdigital16fixed-pointDSPcontrollerTMS320LF2407asthecontroller.ThechipsetDSPsignalthehighprocessingcapacityandusedinmotorcontroloptimizationtheperipheryofthecircuitinabody,highperformancedrivingcontroltechnologytoprovidereliableandefficientsignalprocessingandcontrolhardware.Motorcontrolsystemiscomposedofdetectiondevices,themaincontroller,powerdriverandPCcomponents,whichDSPcontrollerisakeypartofthemotorcontrolsystem,responsibleforthemotorfeedbacksignalprocessingandoutputcontrolsignaltocontroltherotationofthemotor.Keywords：DCmotorDSP,PIDcontroller,PWM目錄第1章緒論 11.1課題概述 1課題研究的背景 1課題研究的目的及意義 21.2課題研究的現(xiàn)狀 21.3課題研究的內(nèi)容 5第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 62.1系統(tǒng)的組成 62.2DSP芯片選擇 62.3TMS320LF2407DSP控制器介紹 72.4硬件方案論證 10測(cè)速傳感器的選擇 10功率驅(qū)動(dòng)單元方案論證 11鍵盤(pán)顯示方案論證 11PWM實(shí)現(xiàn)方案論證 122.5本章小節(jié) 12第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 133.1電源電路的設(shè)計(jì) 133.2功率驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì) 13PWM調(diào)速原理 14電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 153.3速度檢測(cè)單元的設(shè)計(jì) 16速度檢測(cè)的方法 16速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 173.4按鍵控制單元的設(shè)計(jì) 183.5顯示單元的設(shè)計(jì) 201602液晶介紹 20顯示單元接口電路設(shè)計(jì) 203.6通信單元的設(shè)計(jì) 213.7本章小節(jié) 22第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 234.1主程序的設(shè)計(jì) 23主程序 23初始化子程序 24顯示程序 244.2中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì) 24PWM波發(fā)生程序 25捕獲中斷程序 274.3PID控制算法 28PID控制原理 29系統(tǒng)PID控制 294.4本章小節(jié) 31第5章系統(tǒng)總體調(diào)試 325.1調(diào)試準(zhǔn)備 325.2系統(tǒng)調(diào)試 32結(jié)論 34致謝 35參考文獻(xiàn) 36附錄 37

第1章緒論1.1課題概述課題研究的背景電氣傳動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象，按生產(chǎn)機(jī)械工藝要求進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的不同，工程上通常把電氣傳動(dòng)分為直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)兩大類?？v觀電氣傳動(dòng)的發(fā)展過(guò)程，交流與直流兩大電氣傳動(dòng)并存于各個(gè)時(shí)期的各大工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，雖然它們所處的地位和作用不同，但它們始終隨著工業(yè)技術(shù)而發(fā)展的。特別是隨著電力電子技術(shù)和微電子學(xué)的發(fā)展，在相互競(jìng)爭(zhēng)中完善著自身，發(fā)生著變更。由于直流電機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，因此在工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。近代，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速能力、靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面都提出了更高的要求，所以計(jì)算機(jī)控制電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要內(nèi)容。直流調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著更為廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，兩者的有機(jī)結(jié)合使電力拖動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn) 生了新的變化。電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和直流拖動(dòng)技術(shù)的組合是技術(shù)領(lǐng)域的交叉，具有廣泛的應(yīng)用前景。有不少的研究者己經(jīng)在用DSP作為控制器進(jìn)行研究。直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制方法經(jīng)歷了機(jī)械式的、雙機(jī)組式的、分立元件電路式的、集成電路式的、單片機(jī)式的發(fā)展過(guò)程。隨著數(shù)字信號(hào)處理器DSP的出現(xiàn)，給直流調(diào)速控制提供了新的手段和方法。將計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展成果運(yùn)用在直流調(diào)速系統(tǒng)中，在經(jīng)典控制的基礎(chǔ)之上探討一種新的控制方法，為計(jì)算機(jī)技術(shù)在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做些研究性的工作。用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的選型很多。經(jīng)過(guò)選擇，選取DSP芯片作為控制器。直流調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容十分豐富，有開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，有閉環(huán)控制系統(tǒng)；有單閉環(huán)控制系統(tǒng)，有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng)；有可逆調(diào)速系統(tǒng)，有不可逆調(diào)速系統(tǒng)等[9]。開(kāi)展本課題研究的控制對(duì)象是閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；研究的目的是利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，對(duì)控制系統(tǒng)升級(jí)進(jìn)行研究；研究工作是在對(duì)控制對(duì)象全面回顧總結(jié)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)控制部分展開(kāi)研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件環(huán)境的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。目前，對(duì)于控制對(duì)象的研究和討論很多，有比較成熟的理論，但實(shí)現(xiàn)控制的方法和手段隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不斷地進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。這個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片計(jì)算機(jī)控制等過(guò)程。每一次的技術(shù)升級(jí)都是控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進(jìn)。隨著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級(jí)提供了新的可能。電機(jī)控制是DSP應(yīng)用的主要領(lǐng)域，隨著社會(huì)的發(fā)展以及對(duì)電機(jī)控制要求的日益提高，DSP將在電機(jī)控制領(lǐng)域中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。課題研究的目的及意義長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)一直占據(jù)著速度控制和位置控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高質(zhì)高效的平滑運(yùn)轉(zhuǎn)的特性，盡管近年來(lái)不斷受到其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但到目前為止，就其性能來(lái)說(shuō)仍無(wú)其它電動(dòng)機(jī)可比。在控制系統(tǒng)的構(gòu)成上，本課題對(duì)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，而這個(gè)硬件系統(tǒng)具有一定的通用性，也即可以將它作為一個(gè)硬件平臺(tái)，在其它過(guò)程控制中應(yīng)用。另外，由DSP的特點(diǎn)量身訂做，可以在其它的控制系統(tǒng)中根據(jù)不同的要求進(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而來(lái)構(gòu)成硬件系統(tǒng)，這樣既便于設(shè)計(jì)思想的物化，又使得設(shè)計(jì)系統(tǒng)更加緊湊，不浪費(fèi)資源。本直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用經(jīng)典的數(shù)字增量式PID控制算法，在本文中對(duì)數(shù)字增量式PID控制的理論、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述。1.2課題研究的現(xiàn)狀近些年來(lái)，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。除了人們己經(jīng)熟悉的普通電機(jī)外，許多不同用途的特種電機(jī)也不斷問(wèn)世，如廣泛應(yīng)用于辦公設(shè)備的無(wú)刷直流電機(jī)和高精度的步進(jìn)電機(jī)、用于照相機(jī)的超聲波電機(jī)、用于心臟血液循環(huán)系統(tǒng)的微型電機(jī)等等。另一方面，由于應(yīng)用了電力電子技術(shù)，電機(jī)的控制技術(shù)變得更加靈活，效率也更高，如變頻器控制的異步電機(jī)及伺服系統(tǒng)即是典型的例子[1]。在實(shí)際中，電機(jī)應(yīng)用已由過(guò)去簡(jiǎn)單的起?？刂?、提供動(dòng)力為目的應(yīng)用，上升到對(duì)其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確的控制，使被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)符合預(yù)想的要求。例如在工業(yè)自動(dòng)化、辦公室自動(dòng)化和家庭住宅自動(dòng)化方面使用大量的電機(jī)，幾乎都采用功率器件進(jìn)行控制，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這種新型控制技術(shù)己經(jīng)不是傳統(tǒng)的“電機(jī)控制”或“電氣傳動(dòng)”而是“運(yùn)動(dòng)控制”。運(yùn)動(dòng)控制使被控機(jī)械實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機(jī)械量的綜合控制。因此現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)離不開(kāi)功率器件和電機(jī)控制器的發(fā)展[5]。電機(jī)的控制器經(jīng)歷了從模擬控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展。由于模擬器件的一些參數(shù)受外界因素影響較大，并且它的精度也差。所有這些都使得模擬控制器的可重復(fù)性比較差，控制效果不理想，因此調(diào)速電機(jī)的控制器逐漸朝數(shù)字化方向發(fā)展。數(shù)字控制器與模擬控制器相比較，具有可靠性高、參數(shù)調(diào)整方便、更改控制策略靈活、控制精度高、對(duì)環(huán)境因素不敏感等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)有的工業(yè)電氣傳動(dòng)、自動(dòng)控制和家電領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)控制產(chǎn)品需求的增加用戶也不斷提高對(duì)電機(jī)控制技術(shù)的要求[5]?？偸窍Ｍ茉隍?qū)動(dòng)系統(tǒng)中集成更多的功能，達(dá)到更高的性能。許多設(shè)備試圖使用8位或是準(zhǔn)16位的微處理器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制，然而它們的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算功能都阻礙了這一要求的實(shí)現(xiàn)。例如，在很多領(lǐng)域（如工業(yè)、家電和汽車），用戶希望使用效率高且去掉霍爾效應(yīng)傳感器的電機(jī)。這種電機(jī)的控制可以通過(guò)使用先進(jìn)的電機(jī)控制理論、采用高效的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是這可能超出上述微處理器的計(jì)算能力。使用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)解決電機(jī)控制器不斷增加的計(jì)算量和速度需求是目前較為普遍的做法。將一系列外圍設(shè)備如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、脈寬調(diào)制發(fā)生器（PWM）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）集成在一起，就獲得一個(gè)既功能強(qiáng)大又非常經(jīng)濟(jì)的電機(jī)控制專用的DSP芯片。近年來(lái)，各種集成化的一單片DSP的性能得到很大的改善，軟件和開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越多，越來(lái)越好，價(jià)格卻大幅度降低。低端產(chǎn)品的價(jià)格已接近單片機(jī)的價(jià)格水平，但卻比單片機(jī)具有更高的性能價(jià)格比。越來(lái)越多的單片機(jī)用戶開(kāi)始選用DSP器件來(lái)提高產(chǎn)品性能，DSP器件取代高檔單片機(jī)的時(shí)機(jī)己成熟[13]。首先，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、同步串口和標(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。更為不同的是，DSP器件為精簡(jiǎn)指令器件，大多數(shù)指令都能在一個(gè)周期內(nèi)完成，并且通過(guò)并行處理技術(shù)，使一個(gè)指令周期內(nèi)可完成多條指令。同時(shí)DSP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)。又配有內(nèi)置高速硬件乘法器、多級(jí)流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)計(jì)算能力。而單片機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC），多數(shù)指令要2-3個(gè)指令周期來(lái)完成。單片機(jī)采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存取，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)、ALU只能做加法，乘法需要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此占用較多的指令周期，也就是說(shuō)速度比較慢。所以，結(jié)構(gòu)上的差異使DSP器件比準(zhǔn)16位單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快8-10倍，完成一次乘法運(yùn)算快16-30倍。DSP器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提供了FFT快速傅立葉變換和濾波器的運(yùn)算。此外，DSP器件提供了JTAG（JointTestActionGroup）接口，具有更先進(jìn)的開(kāi)發(fā)手段，批量生產(chǎn)測(cè)試更方便。其次，基于DSP芯片制造的電機(jī)控制器可以降低對(duì)傳感器等外圍器件的要求。通過(guò)復(fù)雜的算法達(dá)到同樣的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于專利技術(shù)的保密。現(xiàn)在各大DSP生產(chǎn)廠家都推出自己的內(nèi)嵌式DSP電機(jī)控制專用集成電路。如占DSP市場(chǎng)份額45%的美國(guó)德州儀器公司，憑借自己的實(shí)力，推出了電機(jī)控制器專用DSP--TMS320C24x。新的TMS320C24xDSP采用TI公司TMS320C2xLP16位定點(diǎn)DSP核，并集成了一個(gè)電機(jī)事件管理器，后者的特點(diǎn)是可以最佳方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。該器件利用TI的可重用DSP核心技術(shù)，顯示出TI的特殊能力一通過(guò)在單一芯片上集成一個(gè)DSP和混合信號(hào)外設(shè)件，制造出面向各種應(yīng)用的DSP方案。TMS320C24x作為第一個(gè)數(shù)字電機(jī)控制器的專用DSP系列，可支持用于電機(jī)控制的指令產(chǎn)生、控制算法處理、數(shù)據(jù)交流和系統(tǒng)監(jiān)控等功能。集成的DSP核、最佳化電機(jī)控制器事件管理器和單片式A/D設(shè)計(jì)等諸多功能塊加在一起，就可以提供一個(gè)單芯片式數(shù)字電機(jī)控制方案。系列中的TMS320LF2407包括一個(gè)30MIPSDSP核、兩個(gè)事件管理器、32位的中央算術(shù)邏輯單元、多達(dá)16通道的IO位A/D轉(zhuǎn)換器、64K的I/0空間和一個(gè)32K字的閃速存儲(chǔ)器，它利用TMS320的定點(diǎn)DSP軟件開(kāi)發(fā)工具和JTAG仿真支持，可使電機(jī)控制領(lǐng)域的研發(fā)人員方便地調(diào)試控制器和脫機(jī)使用。第三，DSP運(yùn)算速度快，控制策略中可以使用先進(jìn)的實(shí)時(shí)算法，如自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波、狀態(tài)預(yù)估等，大大提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)。而且DSP控制軟件可用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)或者二者嵌套使用。因此采用DSP芯片制造的電機(jī)控制器便于用戶的調(diào)試和應(yīng)用。最后，在越來(lái)越多的場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車、紡織行業(yè)、水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)等，他們往往是規(guī)模比較大，時(shí)序、組合邏輯都很復(fù)雜的情況，這時(shí)如果同時(shí)運(yùn)用DSP芯片和一些其它的可編程邏輯器件可以大大減小系統(tǒng)的體積、提高系統(tǒng)運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制。1.3課題研究的內(nèi)容本文主要研究基于DSP的直流電機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)控制算法和調(diào)速方法的分析，利用電機(jī)調(diào)速、DSP芯片控制、上位機(jī)通信、按鍵模塊等的基本原理及相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度控制。整個(gè)系統(tǒng)的基本思想就是利用內(nèi)部資源產(chǎn)生可控制的脈沖控制整流電壓，改變串入主回路中的直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的組成由圖2-1可知，該設(shè)計(jì)包含DSP控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、顯示單元、通信單元五個(gè)部分。DSP控制單元：對(duì)來(lái)自上位機(jī)的給定信號(hào)和來(lái)自傳感器的反饋信號(hào)按一定的算法進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)的PWM波，經(jīng)過(guò)光電隔離部分，送給功率驅(qū)動(dòng)單元；功率驅(qū)動(dòng)單元：對(duì)來(lái)自DSP控制器的PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大后送給直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載；速度檢測(cè)單元：采集電機(jī)的速度信息，并送給主控制器；顯示單元：將采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速信息予以顯示；通信單元：負(fù)責(zé)主控制器與上位機(jī)及外設(shè)的信息交換。圖2-1系統(tǒng)總體框圖2.2DSP芯片選擇直流電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)一般采用電機(jī)專用微處理器，其種類主要包括復(fù)雜指令集CISC處理器如工NTEL196MX系列單片微控制器，精簡(jiǎn)指令集RISC如日立公司SH704x系列單片微控制器，哈佛結(jié)構(gòu)DSP處理器如TI公司T145320F24X系列DSP。一般用于直流電機(jī)控制的徽處理器性能要滿足以下幾個(gè)方面：（1）指令執(zhí)行速度；（2）片上程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量及程序存儲(chǔ)器的類型；（3）乘除法、積和運(yùn)算和坐標(biāo)變換、向量計(jì)算等控制計(jì)算功能；（4）中斷功能和中斷通道的數(shù)目；（5）用于PWM生成硬件單元和可實(shí)現(xiàn)的調(diào)制范圍以及死區(qū)調(diào)節(jié)單元；（6）用于輸入模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器；（7）價(jià)格及開(kāi)發(fā)環(huán)境。DSP一般采用哈佛或者改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，程序空間和數(shù)據(jù)空間分離，程序的數(shù)據(jù)總線和地址總線分離，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線和地址總線分離。這種結(jié)構(gòu)允許同時(shí)訪問(wèn)程序指令和數(shù)據(jù)，在同一機(jī)器周期里完成讀和寫(xiě)，并行支持在單機(jī)器時(shí)鐘內(nèi)同時(shí)執(zhí)行算術(shù)、邏輯和位處理操作，極大地提高了執(zhí)行速度，并且電機(jī)控制專用DSP具備豐富的設(shè)備和接口資源。TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影響、最為成功的數(shù)字信號(hào)處理器，其產(chǎn)品銷量一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位，是公認(rèn)的世界DSP霸主。本論文選擇了TI公司的TMS320LF2407DSP作為直流電機(jī)控制系統(tǒng)的微處理器。2.3TMS320LF2407DSP控制器介紹TMS320LF2407DSP是專為數(shù)字電機(jī)控制和其它控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。是當(dāng)前集成度最高、性能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制芯片。不但有高性能的C2XXCPU內(nèi)核，配置有高速數(shù)字信號(hào)處理的結(jié)構(gòu)，且有控制電機(jī)的外設(shè)。它將數(shù)字信號(hào)處理的高速運(yùn)算功能，與面向電機(jī)的強(qiáng)大控制功能結(jié)合在一起，成為傳統(tǒng)的多微處理器單元和多片系統(tǒng)的理想替代品[12]。TMS320LF2407的片內(nèi)外設(shè)模塊包括：事件管理模塊（EV）、數(shù)字輸入/輸出模塊（I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、串行外設(shè)模塊（SPI）、串行通信模塊（SCI）、局域網(wǎng)控制器模塊（CAN）。（1）事件管理器EVA和EVBTMS320LF2407提供兩個(gè)事件管理器EVA和EVB模塊，每個(gè)模塊包含兩個(gè)通用（GP）定時(shí)器、3個(gè)全比較/PWM單元、3個(gè)捕獲單元和一個(gè)正交編碼脈沖電路。事件管理器位用戶提供了眾多的功能和特點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制中特別有用。通用定時(shí)器：LF2407共有4個(gè)通用定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器包括：一個(gè)16位的定時(shí)器增/減計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器TxCNT；一個(gè)16位的定時(shí)器比較寄存器TxCMPR；一個(gè)16位的定時(shí)器周期寄存器TxPR；一個(gè)16位的定時(shí)器控制寄存器TxCON；可選擇的內(nèi)部或外部輸入時(shí)鐘。各個(gè)GP定時(shí)器之間可以彼此獨(dú)立工作或相互同步工作。與其有關(guān)的比較寄存器可用作比較功能或PWM波形發(fā)生。每個(gè)GP定時(shí)器的內(nèi)部或外部的輸入時(shí)鐘都可進(jìn)行可編程的預(yù)定標(biāo)，它還向事件管理器的子模塊提供時(shí)畢。每個(gè)通用定時(shí)器有4種可選擇的操作模式：停止/保持模式、連續(xù)增計(jì)數(shù)模式、定向增/減計(jì)數(shù)模式、逢續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式。當(dāng)計(jì)數(shù)器值和比較寄存器值相等時(shí)，比較匹配發(fā)生，從而在定時(shí)器的PWM輸出引腳TxPWM/TxCMP上產(chǎn)生CMP/PWM脈沖，可設(shè)置控制寄存器GPTCON中的相應(yīng)位，選擇下溢、比較匹配或周期匹配時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器。比較單元：LF2407有6個(gè)比較單元，每個(gè)EV模塊有3個(gè)。每個(gè)比較單元又有兩個(gè)相關(guān)的PWM輸出，比較單元的時(shí)基由通用定時(shí)器1（EVA模塊）和通用定時(shí)器3（EVB模塊）提供。每個(gè)比較單元和通用定時(shí)器1或通用定時(shí)器3，死區(qū)單元

及輸出邏輯可在兩個(gè)特定的器件引腳上產(chǎn)生一對(duì)具有可編程死區(qū)以及輸出極性可控的PWM輸出。在每個(gè)EV模塊中有6個(gè)這種與比較單元相關(guān)的PWM輸出引腳，這6個(gè)特定的PWM輸出引腳可用于控制三相交流感應(yīng)電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)。由比較方式控制寄存器所控制的多種輸出方式能輕易地控制應(yīng)用廣泛的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。捕獲單元：捕獲單元被用于高速I(mǎi)/O的自動(dòng)管理器，它監(jiān)視輸入引腳上信號(hào)的變化，記錄輸入事件發(fā)生時(shí)的計(jì)數(shù)器值，即記錄下所發(fā)生事件的時(shí)刻。該部件的工作由內(nèi)部定時(shí)器同步，不用CPU干預(yù)。LF2407共有6個(gè)捕獲單元，CAP1，CAP2，CAP3可選擇通用定時(shí)器1或2作為它們的時(shí)基，但CAP1和CAP2一定要選擇相同的定時(shí)器作為它們的時(shí)基。CAP4，CAP5，CAP6可選擇通用定時(shí)器3或4作為它們的時(shí)基，同樣CAP4和CAP5也一定要選擇相同的定時(shí)器作為它們的時(shí)基。每個(gè)單元各有一個(gè)兩級(jí)的FIFO緩沖堆棧。當(dāng)捕獲發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志被置位，并向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求；若中斷標(biāo)志己被置位，捕獲單元還將啟動(dòng)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器。正交編碼脈沖（QEP）單元：常用的位置反饋檢測(cè)元件為光電編碼器或光柵尺，它直接將電機(jī)角度和位移的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其輸出一般有相位差為90°的A、B兩路信號(hào)和同步脈沖信號(hào)C。A、B兩路脈沖可直接作為L(zhǎng)F2407的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引腳的輸入。正交編碼脈沖電路的時(shí)基由通用定時(shí)器2或通用定時(shí)器4提供，但通用定時(shí)器必須設(shè)置成定向增/減計(jì)數(shù)模式，并以正交編碼脈沖電路作為時(shí)鐘源。（2）數(shù)字輸入/輸出模塊（I/O）DSP器件的數(shù)子輸入/輸出引腳均為功能復(fù)用引腳。即這些引腳既可作為通用I/O功能（雙向數(shù)據(jù)輸入/輸出）引腳，也可作特殊功能（PWM輸出、捕獲輸入、串行輸入輸出等）引腳。數(shù)子I/O模塊負(fù)責(zé)對(duì)這些引腳進(jìn)行控制和設(shè)置。兩種功能的選擇由I/O復(fù)用控制寄存器（MCRx，xA，B，C）來(lái)控制。當(dāng)引腳作為通用I/O時(shí)，由數(shù)據(jù)和方向控制寄存器（PxDATDIR，xA，B，C，D，E，F(xiàn)）指出各I/O引腳的數(shù)據(jù)方向（輸入還是輸出）和當(dāng)前引腳對(duì)應(yīng)的電平（高或低）。讀通用I/O引腳的電平或向引腳輸出電平，實(shí)際上是對(duì)相應(yīng)的寄存器（PxDATDIR）進(jìn)行讀寫(xiě)操作。（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控制或被檢測(cè)的對(duì)象，如溫度、壓力、流量、速度等都是連續(xù)變化的物理量，通過(guò)適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎ㄈ鐪囟葌鞲衅?、壓力傳感器、光電傳感器等）將他們轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電壓或電流（即模擬量）。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC就是用來(lái)講這些模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字量的模塊。TMS320LF2407期間內(nèi)部有一個(gè)10為的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。該模塊能夠?qū)?6個(gè)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換，通道的轉(zhuǎn)換順序可以編程選擇。（4）串行通信接口（SCI）模塊2407器件的串行通信接口（SCI）模塊是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信異步接收/發(fā)送（UART）可編程串行通信接口。SCI支持CPU與其他異步串口采用標(biāo)準(zhǔn)不返回零（NRZ）模塊進(jìn)行異步串行數(shù)字通信。SCI有空閑線和地址位兩種多處理器通信方式；兩個(gè)輸入/輸出引腳：SCIRXD（SCI接收數(shù)據(jù)引腳）和SCITXD（SCI發(fā)送數(shù)據(jù)引腳）；SCI通過(guò)一個(gè)16位的波特率選擇寄存器，可編程選擇64K種不同速率的波特率。SCI支持半雙工和全雙工操作，發(fā)送器和接收器的操作可以通過(guò)中斷或轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志來(lái)完成。（5）串行外設(shè)接口（SPI）模塊串行外設(shè)接口（SPI）模塊是一個(gè)高速同步串行輸入/輸出（I/O）口，它能使可編程長(zhǎng)度（1―16位）的串行位流以可編程的位傳輸速率輸入或輸出器件。SPI可作為一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)，以同步方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備之間的信息交換，即兩個(gè)設(shè)備在同一時(shí)鐘下工作。SPI通常用于DSP控制器與外部設(shè)備或其他控制器之間的通信，用SPI可以構(gòu)成多機(jī)通信系統(tǒng)，SPI還可以作為移位寄存器、顯示驅(qū)動(dòng)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC等器件的外設(shè)擴(kuò)展口。（6）CAN控制器模塊LF24xx系列DSP控制器作為第一個(gè)具有片上CAN控制模塊的DSP芯片，給用戶提供一個(gè)設(shè)計(jì)分布式或網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的無(wú)限可能。CAN總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbps，通信距離可達(dá)10km。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。由于CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。2407的CAN控制器模塊是一個(gè)16位的外設(shè)模塊，支持CAN2.0B協(xié)議。CAN模塊有6個(gè)郵箱（MBOX0―MBOX5）；有用于0，1,2和3號(hào)的郵箱的本地屏蔽寄存器和15個(gè)控制/狀態(tài)寄存器。CAN模塊既有可編程的位速率、中斷方式和CAN總線喚醒功能；自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請(qǐng)求；自動(dòng)再發(fā)送功能（在發(fā)送時(shí)出錯(cuò)或仲裁是丟失數(shù)據(jù)的情況下）；總線出錯(cuò)診斷和自測(cè)模式。2.4硬件方案論證測(cè)速傳感器的選擇方案一：使用測(cè)速發(fā)電機(jī)，輸出電動(dòng)勢(shì)E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，即Ekn，其中k是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變。方案二：采用霍爾傳感器，霍爾元件是磁敏元件，在被測(cè)的旋轉(zhuǎn)體上裝一磁體，旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)磁體經(jīng)過(guò)霍爾元件，霍爾元件就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，經(jīng)放大整形得到脈沖信號(hào)，送運(yùn)算NE555，SG3525NE555作為控制電路的核心，用于產(chǎn)生控制信號(hào)。NE555產(chǎn)生的信號(hào)要通過(guò)功率放大才能驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路。NE555、SG3525構(gòu)成的控制電路較為復(fù)雜，且智能化、自動(dòng)化水平較低，在工業(yè)生產(chǎn)中不利于推廣和應(yīng)用。方案二：基于DSP由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM。在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比是一個(gè)重要參數(shù)。在電源電壓不變的情況下，電樞兩端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變的值可以改變電樞兩端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。改變占空比的值有三種方法：A、定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變t2，這樣使周期或頻率也隨之改變。B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t2不變，只改變t1，這樣使周期或頻率也隨之改變。C、定頻調(diào)寬法：保持周期T或頻率不變，同時(shí)改變t1和t2。圖2-2電樞電壓占空比圖前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期或頻率，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起震蕩，因此這兩種方法用得很少。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。所以選擇方案二，采用定頻調(diào)寬法。2.5本章小節(jié)本章對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)模塊和各大系統(tǒng)方案的選擇做了簡(jiǎn)要的闡述，確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案；同時(shí)，對(duì)主控制器芯片的硬件資源和外設(shè)電路做了較為詳細(xì)的介紹，明確了各大功能模塊和主控制器之間的邏輯關(guān)系，為各大模塊的功能實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的支持。

第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1電源電路的設(shè)計(jì)TMS320LF2407采用高性能靜態(tài)CMOS，供電電壓為低電壓+3.3V，而系統(tǒng)中還有其他一些TTL芯片，需要+5V電壓，為此，系統(tǒng)為一個(gè)多電源的系統(tǒng)。電源轉(zhuǎn)換電路的功能是用來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的3.3V直流電源，提供給TMS320LF2407以及整個(gè)數(shù)字電路工作[10]。圖7333電源轉(zhuǎn)換芯片作為5V轉(zhuǎn)3.3V的高性能穩(wěn)壓芯片。并可提供上電復(fù)位信號(hào),該信號(hào)接到DSP的復(fù)位引腳上。7333輸出后的10uF和0.1uF的電容起穩(wěn)壓作用，得到穩(wěn)定的3.3V電壓。3.2功率驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)單元是對(duì)來(lái)自DSP控制器的PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大后送給直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載。直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。近年來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制（PutsWidthModulation，簡(jiǎn)稱PWM）控制方式已成為絕對(duì)主流。PWM（PulseWidthModulation）控制――脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。（3-1）公式（3-1）中，U為電樞端電壓；I為電樞電流；R為電樞電路總電阻；Φ中為每極磁通量；K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。所以直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制法。其中勵(lì)磁控制法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞控制法。絕大多數(shù)直流電機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速[2]。圖。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。這樣，對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖中所示。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值為：（3-2）公式（3-2）中為占空比，。占空比表示了在一個(gè)周期T里，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。如，一個(gè)PWM的頻率是1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是200us，那么低電平的時(shí)間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說(shuō)PWM的占空比就是1：5。l。由此式可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動(dòng)電路采用的是基于雙極型H橋型脈寬調(diào)制方式（PWM）的集成電路L298N是SGS公司的產(chǎn)品內(nèi)部包含二個(gè)H橋的高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46伏、2安培以下的電機(jī)，工作溫度范圍從25°到130°。表1是其使能引腳，輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關(guān)系。EA是控制使能端，控制OUT和OUT2之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)，IN1、IN2腳接入控制電平，控制OUT和OUT2之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)使能端EA為高，IN1為電平IN2為電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1和IN2電平相同時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。IN1和IN2產(chǎn)生的尖峰脈沖對(duì)主控制器的影響。內(nèi)，測(cè)速脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)為。則電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)為：（3-3）公式（3-3）中（r/min）為電機(jī)轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即碼盤(pán)的齒輪數(shù)。速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電機(jī)測(cè)速模型如圖3-4，將柵格圓盤(pán)變化通過(guò)光電發(fā)射器和接收器以及外圍轉(zhuǎn)換電路的作用送給DSP通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速[11]。圖3-4電機(jī)測(cè)速模型光電對(duì)管產(chǎn)生的脈沖在經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器SN74LS14后送入LF2407的捕獲單元，捕獲單元可以記錄在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)捕獲到的脈沖數(shù)，從而計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的接口電路如圖3-5所示。圖3-5速度檢測(cè)電路需要注意的是，光電對(duì)管出來(lái)的信號(hào)一般為+5V的方波信號(hào)，為此需要經(jīng)過(guò)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC245隔離才能與LF2407的CAP電路進(jìn)行相連。電路如圖3-6所示。圖3-6電平轉(zhuǎn)換電路3.4按鍵控制單元的設(shè)計(jì)鍵盤(pán)用于實(shí)現(xiàn)DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和控制命令的輸入，鍵盤(pán)輸入也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最廣泛的一種輸入方式。鍵盤(pán)可分為編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。非編碼鍵盤(pán)通常是鍵排列成行列矩陣，按鍵的作用只是相應(yīng)的接觸點(diǎn)接通或斷開(kāi)，通過(guò)軟件編程產(chǎn)生按鍵的鍵碼[15]。本設(shè)計(jì)中的按鍵模塊是電機(jī)控制的關(guān)鍵，通過(guò)按鍵的輸入可以實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速功能。DSP在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行一次掃描，即定時(shí)掃描方式，若有按鍵引起的中斷，則程序執(zhí)行相應(yīng)的指令。鍵盤(pán)模塊由三個(gè)按鍵組成。按鍵K1控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)谝淮伟聪掳存IK1，系統(tǒng)進(jìn)入正轉(zhuǎn)模式；再次按下按鍵K1，系統(tǒng)正轉(zhuǎn)加速；第三次按下按鍵K1，系統(tǒng)正轉(zhuǎn)減速。按鍵K3控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)谝淮伟聪掳存IK3，系統(tǒng)進(jìn)入反轉(zhuǎn)模式；再次按下按鍵K3，系統(tǒng)反轉(zhuǎn)加速；第三次按下按鍵K3，系統(tǒng)反轉(zhuǎn)減速。按鍵K2控制電機(jī)停止，無(wú)論電機(jī)處于任何模式下工作，只要按下按鍵K2，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按鍵接口電路如圖3-7所示。圖3-7按鍵電路控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是直接通過(guò)按鍵中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)加減速則是通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)的，按鍵的具體功能模塊如表3-2所示。表3-2按鍵功能圖按鍵次數(shù) 1 2 3 按鍵K1 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn)加速 正轉(zhuǎn)減速 按鍵K2 停止 按鍵K3 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)加速 反轉(zhuǎn)減速 按鍵電路同樣需要注意，給出的電平信號(hào)不能直接與LF2407相連，也需要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片才能與主控制器相連。接口電路如圖3-8所示。圖3-8按鍵電平轉(zhuǎn)換電路3.5顯示單元的設(shè)計(jì)顯示單元要求將采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速信息予以顯示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。1602液晶介紹設(shè)計(jì)中采用工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來(lái)的2條線是背光電源線VCC（15腳和地線GND16腳，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，1602引腳功能圖引腳 符號(hào) 功能說(shuō)明 1 VSS 接地 2 VDD 接電源（+5V） 3 V0 液晶顯示器對(duì)比度 4 RS 寄存器選擇 5 R/W 讀寫(xiě)信號(hào)線 6 E 使能端 7-14 DB0-DB7 數(shù)據(jù)線 15 BLA 背光電源正極 16 BLK 背光電源負(fù)極 顯示單元接口電路設(shè)計(jì)1602的V0口外接一個(gè)10K的電位器接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器圖3-10通信單元接口電路3.7本章小節(jié)本章從硬件出發(fā)，針對(duì)直流電機(jī)控制系統(tǒng)的要求，對(duì)系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)電路、速度檢測(cè)電路、按鍵電路、顯示電路以及通信電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，對(duì)硬件電路展開(kāi)了細(xì)致的討論。由于涉及各種電路之間的密切配合，所以本章中各種電路的設(shè)計(jì)都是從工程實(shí)際出發(fā)，作了較細(xì)致的考慮。實(shí)踐證明，系統(tǒng)的硬件可靠性較高。

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的控制器在采用TMS320LF2407芯片作為其核心控制單元后，簡(jiǎn)化了控制電路，增大了控制策略的靈活性，能夠在線計(jì)算出各種控制參數(shù)，提高控制精度，便于實(shí)現(xiàn)控制器的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。而且許多功能的實(shí)現(xiàn)以及將來(lái)一些功能的擴(kuò)展可以在硬件電路完全不動(dòng)的情況下，編制出相應(yīng)的軟件就能得以實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，與DSP系統(tǒng)硬件相結(jié)合的控制軟件的編制是控制器中很重要的一環(huán)。直流電機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想[2]，主要包括主程序和中斷服務(wù)程序兩大模塊。其中主程序包括初始化子程序、啟動(dòng)和軟啟動(dòng)子程序和顯示程序等；中斷服務(wù)程序包括PWM波生成子程序、捕獲中斷子程序、通信子程序等。4.1主程序的設(shè)計(jì)主程序主程序主要完成系統(tǒng)和各子程序的初始化，并啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器，進(jìn)入循環(huán)體，并定時(shí)進(jìn)行按鍵中斷掃描和調(diào)用顯示子程序[16]。主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖初始化子程序該模塊的功能主要是設(shè)置各個(gè)寄存器，使系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)要求正常工作，并對(duì)各種變量進(jìn)行初始化[4]。（1）時(shí)鐘、看門(mén)狗設(shè)置:根據(jù)芯片運(yùn)行頻率及時(shí)鐘信號(hào)頻率，設(shè)定時(shí)鐘鎖相環(huán)的倍頻數(shù)，以及硬件看門(mén)狗的計(jì)數(shù)頻率，啟動(dòng)看門(mén)狗功能；（2）外部設(shè)備等待狀態(tài)設(shè)置:匹配DSP與外部設(shè)備之間的時(shí)序不一致；（3）定義I/O口的引腳功能:芯片的I/O引腳均設(shè)計(jì)為功能復(fù)用，所以必須設(shè)置為完成相應(yīng)功能，并定義實(shí)際I/O引腳的輸入輸出；（4）串行通信接口（SCI）設(shè)置:通過(guò)RS-232接口可與其它設(shè)備通信；（5）通用定時(shí)器設(shè)置：T1作為PWM輸出的時(shí)鐘基準(zhǔn)，T3用來(lái)完成CAP電路計(jì)數(shù)。顯示程序顯示程序?qū)崟r(shí)顯示CAP模塊捕捉到的電機(jī)速度信息，程序中的速度顯示是在一定的時(shí)間段內(nèi)記錄捕獲到的脈沖數(shù)，然后再經(jīng)過(guò)一定的算法處理得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。顯示程序每秒鐘刷新一次，這樣才能實(shí)時(shí)記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速的信息。具體程序如下：time_count++； iftime_count100 time_count0； f_countcount； count0； time_count為定時(shí)器周期計(jì)數(shù)，定時(shí)器周期為10ms，100個(gè)周期就得到想要的一秒。count為捕獲中斷在一秒內(nèi)捕獲到的上升沿脈沖數(shù)，最后在賦值給f_count將轉(zhuǎn)速信息通過(guò)一定的算法處理后在1602液晶上顯示出來(lái)。4.2中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)為了響應(yīng)系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序，必須建立一個(gè)中斷向量表。它是一個(gè)典型的匯編文件。按照內(nèi)存區(qū)的規(guī)定，利用無(wú)條件跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句使程序在復(fù)位或發(fā)生中斷之后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序入口地址。由于入口地址為C語(yǔ)言函數(shù)起始地址，所以要在相應(yīng)函數(shù)名前加“_”，并用.global聲明為外部變量[16]。如果需要特別適用某個(gè)中斷，則需定義響應(yīng)的向量表。如“INT4 B _cap4int”則是通過(guò)四號(hào)中斷開(kāi)啟捕獲功能。PWM波發(fā)生程序本系統(tǒng)中，PWM的設(shè)計(jì)應(yīng)以盡量少的占用CPU資源，同時(shí)減少功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，并滿足電流控制的要求為最終目的。PWM信號(hào)由DSP事件管理器A的全比較單元產(chǎn)生。與PWM波形發(fā)生相聯(lián)系的外設(shè)控制寄存器有COMCONA,ACTRA,T1PR,DBTCONA,CMPR1等組成。通用定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)器不斷與比較寄存器的值相比較，當(dāng)兩個(gè)值發(fā)生匹配時(shí)，比較單元的兩個(gè)輸出將根據(jù)方式控制寄存器ACTRA中的位進(jìn)行跳變。ACTRA寄存器中的位可以分別確定在比較匹配時(shí)輸出為高有效觸發(fā)或低有效觸發(fā)。當(dāng)兩個(gè)值之間的第二個(gè)匹配產(chǎn)生或一個(gè)定時(shí)器周期結(jié)束時(shí)，相應(yīng)的輸出上會(huì)產(chǎn)生又一個(gè)轉(zhuǎn)換（由低到高或由高到低）。通過(guò)這種方式，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開(kāi)關(guān)時(shí)間就會(huì)與比較寄存器的值成比例。在每個(gè)定時(shí)器周期中，這個(gè)過(guò)程都會(huì)出現(xiàn)，但是每次比較寄存器中的調(diào)制值是不同的，這樣在相應(yīng)的輸出引腳上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)占空比不同的PWM信號(hào)輸出[13]。整個(gè)PWM單元的初始化步驟如下：（1）設(shè)置比較方式控制寄存器ACTRA，確定輸出方式；（2）設(shè)置和裝載定時(shí)器周期寄存器T1PR，確定PWM波周期；（3）初始化比較寄存器CMPR1，確定PWM占空比；（4）設(shè)置COMCONA，使能PWM模式，禁止比較模式；（5）設(shè)置和裝載T1CON，用來(lái)設(shè)置計(jì)數(shù)模式和啟動(dòng)比較操作；（6）更新CMPR1寄存器值，以改變PWM的占空比。PWM結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示。圖4-2PWM結(jié)構(gòu)框圖該部分的程序如下所示[16]：MCRAMCRA|0x00C0； //PA6為PWM口；EVAIFRA0xFFFF； //清除中斷標(biāo)志；ACTRA0x0006；//PWM1高有效；DBTCONA0x0530； //使能死區(qū)定時(shí)器1；T1PR25000； //定時(shí)器1周期值,定時(shí)0.4us*2500010ms；CMPR1XPWM；//比較值；COMCONA0xA600；//比較控制寄存器；T1CNT0； ））圖4-5PID控制算法框圖實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合，如：比例（P）控制器：（4-1）比例＋積分（PI）控制器：（4-2）比例+積分+微分（PID）控制器：（4-3）公式中，Kp為比例運(yùn)算放大系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間。系統(tǒng)PID控制任何電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)都以轉(zhuǎn)速為定量，并使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨給定值進(jìn)行控制。為了使系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，通常要構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)[12]。本設(shè)計(jì)是一個(gè)對(duì)電機(jī)進(jìn)行PID的控制系統(tǒng)，采用經(jīng)典的數(shù)字增量式PID控制算法。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對(duì)數(shù)值時(shí)，可以使用增量式PID控制算法進(jìn)行控制。增量式PID控制算法可以式推導(dǎo)出得到控制器的第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為：（4-5）其中由可以看出，如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定AB、C，只要使用前后三次測(cè)量的偏差值，就可以由（）求出控制量。增量式PID控制算法與位置式PID算法相比，計(jì)算量小得多，因此在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。

第5章系統(tǒng)總體調(diào)試5.1調(diào)試準(zhǔn)備在進(jìn)行DSP系統(tǒng)的調(diào)試之前需要做一系列的準(zhǔn)備工作，包括硬件準(zhǔn)備和軟件準(zhǔn)備工作。硬件主要包括DSP-2407開(kāi)發(fā)板、DSP仿真器和一臺(tái)調(diào)試仿真用的PC機(jī)。開(kāi)發(fā)板使用的是明偉公司提供的TMS320LF2407，當(dāng)然需要外設(shè)的一些顯示電路、捕獲電路等；仿真器是TDS510Ver3.1DSP仿真器。外設(shè)電路通過(guò)自己一段時(shí)間的精心研究，基本搭建完畢，在大多是情況下滿足了各大模塊的硬件設(shè)計(jì)。軟件調(diào)試使用的CCS2.2forC2000的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境[17]。CCS是TI公司DSP軟件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，在Windows下工作，類似于VC++的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境；采用圖形接口界面，有編輯工具和工程管理工具；它將匯編器、鏈接器、C/C++編譯器、建庫(kù)工具等集成在一個(gè)統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)平臺(tái)中；CCS所集成的代碼調(diào)試工具具有各種調(diào)試功能，能對(duì)TMS320系列DSP進(jìn)行指令級(jí)的仿真和可視化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析；同事具有豐富的輸入/出庫(kù)函數(shù)和信號(hào)處理庫(kù)函數(shù)。C2000在安裝成功之后，還需要進(jìn)行一系列的配置。這就需要按照芯片的類型和仿真器的種類進(jìn)行相應(yīng)的選擇。5.2系統(tǒng)調(diào)試在硬件和軟件都準(zhǔn)備充足的前提下，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的總體調(diào)試了。首先按照自己事先設(shè)計(jì)好的電路圖進(jìn)行連接，由于該系統(tǒng)較為復(fù)雜，模塊部分較多，排線的連接應(yīng)格外小心，對(duì)于每根排線的接頭我都是用絕緣的橡膠層包裹起來(lái)。線路連接好之后，將DSP與PC機(jī)通過(guò)仿真器連接起來(lái)，然后再給芯片上電。將已經(jīng)寫(xiě)好的程序在CCS2.2開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯，編譯成功之后系統(tǒng)會(huì)生成一個(gè)out文件，該文件就相當(dāng)于單片機(jī)仿真的hex文件，只需要將此文件導(dǎo)入芯片中，程序就可以在DSP上運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)了。在導(dǎo)入文件之前必須確保DSP與PC機(jī)的連接已經(jīng)被系統(tǒng)識(shí)別，這就需要準(zhǔn)確無(wú)誤的將TDS510Ver3.1DSP仿真器的驅(qū)動(dòng)軟件安裝成功。我在最初進(jìn)行硬件調(diào)試的時(shí)候就是把仿真器的驅(qū)動(dòng)軟件安裝錯(cuò)誤，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行調(diào)試仿真，最后在老師的指導(dǎo)下才解決了這個(gè)問(wèn)題。所以對(duì)于驅(qū)動(dòng)軟件的安裝是系統(tǒng)進(jìn)行硬件調(diào)試的前提。將out文件成功導(dǎo)入DSP后，運(yùn)行系統(tǒng)。此時(shí)，觀察到的唯一現(xiàn)象是LED1不斷閃爍。我在進(jìn)行調(diào)試的時(shí)候?yàn)榱吮阌谟^察程序是否跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，特別在中服里面加了一個(gè)LED燈閃爍功能，這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明系統(tǒng)的定時(shí)器中斷、中斷服務(wù)程序完全符合設(shè)計(jì)要求。隨后我要進(jìn)行的操作就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)了，當(dāng)按下K1開(kāi)關(guān)后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，正轉(zhuǎn)模式指示燈亮，同時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息也在第一時(shí)間反饋到1602液晶顯示屏上；當(dāng)再次按下K1開(kāi)關(guān)，電機(jī)開(kāi)始加速，然后逐漸趨于穩(wěn)定，液晶顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速加快；第三次按下K1開(kāi)關(guān)，電機(jī)開(kāi)始減速，然后逐漸趨于穩(wěn)定，液晶顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢。如果按下的是K3開(kāi)關(guān)，則電機(jī)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)指示燈亮，其現(xiàn)象和正轉(zhuǎn)模式?jīng)]有區(qū)別。如果在電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)之后，無(wú)論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，只要按下K2開(kāi)關(guān)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)。其實(shí)開(kāi)關(guān)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的原理很簡(jiǎn)單，每次跳轉(zhuǎn)僅僅是改變了全比較寄存器CMPR1中的值，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)模式則還要使IN1和IN2置位。電機(jī)的轉(zhuǎn)速出了使用按鍵中斷控制外，還可以用上位機(jī)界面控制，上位機(jī)界面的控制原理也是改變?nèi)容^寄存器的值。相對(duì)于按鍵調(diào)速，上位機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，使電機(jī)可以在額定電壓內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速狀態(tài)下工作。系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)如表5-1所示。表5-1系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)按鍵 次數(shù) 占空比 理想電壓（V） 實(shí)測(cè)電壓（V） 轉(zhuǎn)速r/s K1 1 0.25 3 3.5 110 2 0.4 4.8 5.1 156 3 0.17 2.04 2