DSP的直流電機控制設(shè)計

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

本文以直流電動機為被控對象,以TMS320C5402為處理器，設(shè)計了直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路，完成了調(diào)制程序的編寫。并且設(shè)計了顯示電路，完成了數(shù)據(jù)向主控制芯片的傳送，實現(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。并介紹了PWM原理及其在DSPTMS320關(guān)鍵詞

數(shù)字信號處理（DSP）控制器

PID算法直流電機目錄摘要 -1-第一章前言 -3-1.1工程設(shè)計內(nèi)容及要求 -3-1.2工程設(shè)計目的 -3-1.3工程設(shè)計設(shè)備環(huán)境 -3-第二章基礎(chǔ)知識介紹 -4-2.1直流電機的調(diào)速方法 -4-2.2數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的DSP實現(xiàn) -5-第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計 -10-3.1整體設(shè)計思想 -10-3.2基本硬件組成 -10-3.3TMS320C5402DSP芯片簡介 -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 -15-4.1程序設(shè)計思路 -15-4.2PID增量型控制算法的實現(xiàn) -15-4.2.1主程序設(shè)計 -15-4.2.2INT0中斷子程序設(shè)計 -16-4.2.3TINT0中斷子程序設(shè)計 -16-4.3PID算法的改進——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實驗前準備工作 -19-5.1.2實驗操作步驟 -19-5.2調(diào)試結(jié)果分析 -20-第六章工程設(shè)計總結(jié) -21-6.1心得體會 -21-參考文獻 -22-附錄1系統(tǒng)原理圖 -23-第一章前言1.1工程設(shè)計內(nèi)容及要求DSP教學實驗系統(tǒng)的研究與開發(fā)：直流電機控制。針對DSP教學實驗裝置，要求采用PID算法實現(xiàn)電機轉(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)計目的1、學習數(shù)字PID控制器的基本原理和設(shè)計方法。2、學習PWM控制理論。3、學習數(shù)字PID控制器在DSP上的實現(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匯編語言和標準C/C++語言進行程序設(shè)計。7、掌握數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計方法。1.3工程設(shè)計設(shè)備環(huán)境1、硬件環(huán)境：計算機，THRS-2型實驗箱，DSP仿真器，1號導線。2、軟件環(huán)境:CCS2.0版軟件。第二章基礎(chǔ)知識介紹2.1直流電機的調(diào)速方法直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。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)和計算機技術(shù)的發(fā)展及單片機的廣泛應用，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電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩(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)導通時間T對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)在晶閘管時代就已經(jīng)產(chǎn)生，但是最初為了使晶閘管通斷要付出很大的代價，因而難以得到廣泛應用。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)提供了強大的物質(zhì)基礎(chǔ)，推動這項技術(shù)的迅猛發(fā)展。對于直流電機，采用PWM控制技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng)，起停時對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。在PWM調(diào)速時，占空比是一個重要參數(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)展和廣泛的應用。它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期應用中已積累了豐富的經(jīng)驗。特別是在工業(yè)過程控制中，由于被控制對象的精確的數(shù)學模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運用控制理論分析綜合不僅要耗費很大代價，而且難以得到預期的控制效果。在應用計算機實現(xiàn)控制的系統(tǒng)中，PID很容易通過編制計算機語言實現(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。實現(xiàn)PID控制的計算機控制系統(tǒng)如圖2.1所示，其中數(shù)字PID控制器是由軟件編程在計算機內(nèi)部實現(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)，是積分時間常數(shù)，是微分時間常數(shù)。其相應傳遞函數(shù)為：式<2>圖2.1PID計算機控制系統(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)器對偏差是即時反應的，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，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)。比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但是，過大時，會使系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導致閉環(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。如果積分時間常數(shù)大，積分作用弱，反之為強。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對電動機進行控制時，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。由于計算機系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此，利用外接矩形法進行數(shù)值積分，一階后向差分進行數(shù)值微分，當采樣周期為T時，式<3>如果采樣周期足夠小，這種離散逼近相當準確。上式中為全量輸出，它對應于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)第i次采樣時刻應達到的位置，因此，上式稱為PID位置型控制算式。可以看出，按上式計算時，輸出值與過去所有狀態(tài)有關(guān)。當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對數(shù)值，而是其增量時，可導出下面的公式：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：(a)計算機只輸出控制增量，即執(zhí)行機構(gòu)位置的變化部分，因而誤動作影響小；(b)在i時刻的輸出，只需用到此時刻的偏差，以及前一時刻，前兩時刻的偏差、，和前一次的輸出值，這大大節(jié)約了內(nèi)存和計算時間；(c)在進行手動—自動切換時，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。控制過程的計算機要求有很強的實時性，用微型計算機作為數(shù)字控制器時，由于字長和運算速度的限制，必須采用必要的方法來加快計算速度。下面介紹簡化算式的方法。按照式<5>表示的遞推型PID算式，計算機每輸出一次，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。關(guān)于PID控制參數(shù)整定方法有很多。通常首先要對工業(yè)對象的動態(tài)特性作某種簡單假設(shè)。因此，由這些整定方法得到的參數(shù)值在使用時不一定是最佳的，往往只作為參考值。在實時控制中，還要在這些值附近探索，找出實用中有效的最佳值。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)運行情況、觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應的大致影響，反復湊試參數(shù)，以達到滿意的響應，從而確定PID控制器中的三個調(diào)節(jié)參數(shù)。在湊試時，對參數(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，并觀察相應的系統(tǒng)響應趨勢，直到得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍之內(nèi)，同時響應曲線已較令人滿意，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)計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時一般先置—個較大的積分時間系數(shù)，同時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％），然后減小積分時間系數(shù)使在保持系統(tǒng)較好的動態(tài)性能指標的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的靜差得到消除。在此過程中，可以根據(jù)響應曲線的變化趨勢反復地改變比例系數(shù)和積分時間系數(shù)從而實現(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，可先置微分時間系數(shù)為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大微分時間系數(shù)，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間系數(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三個參數(shù)可以互相補償，即某一個參數(shù)的減小可由其他參數(shù)增大或減小來補償。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，對無自平衡能力的對象，則不應包含積分環(huán)節(jié)，即只可用比例或比例微分控制器。在實時控制過程中，只要被控對象的主要性能指標達到了設(shè)計要求，就可以選定相應的控制器參數(shù)為最終參數(shù)。目前，工程上仍廣泛使用實驗方法和經(jīng)驗方法來整定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)點在于整定參數(shù)不必依賴被控對象的數(shù)學模型。簡易工程整定法是由經(jīng)典的頻率法簡化而來的，雖然粗糙一點，但是簡單易行，適于現(xiàn)場的實時控制應用。如擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法。3、PID控制算法的改進任何一種執(zhí)行機構(gòu)都存在一個線性工作區(qū)。在此線性區(qū)內(nèi)，它可以線性地跟蹤控制信號，而當控制信號過大，超過這個線性區(qū)，就進入飽和區(qū)或截止區(qū)，其特性將變成非線性特性。同時，執(zhí)行機構(gòu)還存在著一定的阻尼和慣性，對控制信號的響應速度受到了限制。因此，執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)特性也存在一個線性工作區(qū)?？刂菩盘柕淖兓蔬^大也會使執(zhí)行機構(gòu)進入非線性區(qū)。前述標準PID位置式算法中積分項控制作用過大將出現(xiàn)積分飽和，增量式算法中微分項和比例項控制作用過大將出現(xiàn)微分飽和，都會使執(zhí)行機構(gòu)進入非線性區(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)具有較好的動態(tài)指標，必須使PID控制器輸出的控制信號受到約束，即對標準的PID控制算法進行改進，并主要是對積分項和微分項的改進。（1）飽和作用的抑制無論采用何種計算方法，其控制輸出從數(shù)學上講可在范圍內(nèi)取值，但物理執(zhí)行元件的機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，同時其變化率也受限制，表示為。控制系統(tǒng)在開工、停工或者大幅度提降給定位等情況下，系統(tǒng)輸出會出現(xiàn)較大的偏差，這種較大偏差，不可能在短時間內(nèi)消除，經(jīng)過積分項累積后，可能會使控制量很大，甚至超過執(zhí)行機構(gòu)的極限。另外，當負誤差的絕對值較大時，也會出現(xiàn)的另一種極端情況。顯然，當控制量超過執(zhí)行機構(gòu)極限時，控制作用必然不如應有的計算值理想，從而影響控制效果。這類現(xiàn)象在給定值突變時容易發(fā)生，而且在起動時特別明顯，故稱“起動效應”。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。在進入正常調(diào)節(jié)后，由于輸出已接近輸入，的值不會太大。所以相對而言，干擾值的引入對調(diào)節(jié)有較大的影響。對于干擾，除了采用抗干擾措施，進行硬件和軟件濾波之外，還可以通過對PID控制算法進行改進，進一步克服干擾的影響。如“四點中心差分法”、“不完全微分PID算法”等等。第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1整體設(shè)計思想本實驗通過霍爾片的輸出端HROUT接入DSP的外部中斷1來檢測直流電機的轉(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的MOT-端，從而控制直流電機的轉(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)計是在EL-DSP-EXPII實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行設(shè)計。該系統(tǒng)的功能框圖如圖3.2。圖3.2EL-DSP-EXPII實驗系統(tǒng)功能框圖針對課題要求，在設(shè)計中主要用到的系統(tǒng)中的模塊有：1、直流電動機單元：該單元由電壓調(diào)整、驅(qū)動電路、速度檢測反饋電路組成。由系統(tǒng)板送來的電壓信號與可調(diào)節(jié)的基準電壓經(jīng)加法運算后，輸出驅(qū)動直流電機運行；速度檢測、反饋電路由于電機同軸轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上的強力磁鋼、霍爾磁感應放大器、單周期速度信號采集器組成，當與電機同軸運行的轉(zhuǎn)盤上的磁鋼與霍爾片正對時，霍爾片輸出負電壓，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)換時間85ns。本實驗系統(tǒng)中，DAC08采用對稱偏移二進制輸出方式，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)，且電機單元中的轉(zhuǎn)速反饋信號直接接到了CPU2的INT0引腳，所以本次設(shè)計中采用的是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芯片簡介TMS320C54X的基本結(jié)構(gòu)TMS32C54X（簡稱C54X）是TI公司為實現(xiàn)低功耗、高速實時信號處理而專門設(shè)計的16位定點數(shù)字信號處理器，采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有高度的操作靈活性和運行速度，適用于遠程通信等實時嵌入式應用的需要，現(xiàn)已廣泛應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)存儲器RAM、程序存儲器ROM、I/O接口擴展功能、串行口、主機通信接口HPI、定時器、中斷系統(tǒng)等10個部分組成，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步驟：(1)接收中斷請求(2)響應中斷(3)執(zhí)行中斷服務(wù)程序圖3.4TMS32C54X內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1、中斷標志寄存器IFR中斷標志寄存器IFR是一個存儲器映象寄存器，當一個中斷出現(xiàn)時，IFR中的相應的中斷標志位置1，直到CPU識別該中斷為止。TMS320C5402中斷標志寄存器IFR的結(jié)構(gòu)如下表3.1所示：表3.1中斷標志寄存器IFR14~15131211109876543210保留DMAC5DMAC4BXINT1BRINT1HPINTINT3TINT1DMAC0BXINT0BRINT0TINT0INT2INT1INT0若有掛起的中斷，在IFR中該標志位為1，通過寫IFR的當前內(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中斷，應在相應的中斷服務(wù)程序清除IFR位。2、中斷屏蔽寄存器IMR中斷屏蔽寄存器IMR也是一個存儲器映像的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，就能開放相應的中斷。由于和都不包含在IMR中，因此IMR對這兩個中斷不能進行屏蔽。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中斷傳送給CPU，CPU會按照如下方式進行操作。中斷響應過程如圖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必須有應答硬件信號通知外部中斷源，當中斷處理完成后，取消中斷申請。(2)邊沿觸發(fā)方式在這種方式下，外部中斷申請觸發(fā)器能鎖存外部中斷輸入線上的負跳變。即使CPU不能及時響應中斷，中斷申請標志也不丟失。但是輸入脈沖寬度至少保持3個時鐘周期，才能被CPU采樣到。外部中斷的邊沿觸發(fā)方式適用于以負脈沖方式輸入的外部請求源。第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1程序設(shè)計思路硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件則是系統(tǒng)的靈魂。本直流電機單閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案為：程序采用前、后臺工作方式，前臺程序，即主程序，為一個死循環(huán)，等待中斷；后臺程序則為兩個中斷服務(wù)程序，一個中斷服務(wù)程序?qū)﹄姍C轉(zhuǎn)速進行檢測；另一個中斷服務(wù)程序進行PID運算得出控制量。在前臺的循環(huán)中根據(jù)PID運算得出的控制量進行輸出，來控制電機轉(zhuǎn)速。4.2PID增量型控制算法的實現(xiàn)主程序設(shè)計主程序中，首先調(diào)用DSP初始化函數(shù)cpu-init()對DSP進行初始化設(shè)置，包括對DSP的時鐘方式寄存器、狀態(tài)寄存器、處理器工作方式狀態(tài)寄存器和中斷進行設(shè)置，并使能外部中斷INT0和定時器中斷TINT0。在DSP初始化之后則對各個變量進行初始化，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運算程序直接調(diào)用。寫一個死循環(huán)，在死循環(huán)中對D/A轉(zhuǎn)換器進行輸出操作。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INT0中斷服務(wù)程序主要是對轉(zhuǎn)速進行累積計數(shù)。在電機檢測單元中，電機每轉(zhuǎn)一圈與電機同軸的轉(zhuǎn)盤上的強力磁鋼將與霍爾片正對一次，從而使霍爾片輸出一次負電壓，經(jīng)整形、放大后作為DSP的一個外部硬件中斷信號，即INT0。所以電機每轉(zhuǎn)一圈就產(chǎn)生一個中斷INT0，在INT0的中斷服務(wù)子程序中設(shè)兩個變量count1和count2，自加1次來記錄電機轉(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TINT0中斷服務(wù)子程序主要用來對轉(zhuǎn)速偏差進行PID運算，得到PWM的占空比。程序中的控制量與PWM是一個比例關(guān)系，因此在程序中先用PID算法將控制量算出，然后再乘一個比例系數(shù)就可得到PWM電路的占空比。TINT0程序為一個定時中斷服務(wù)程序，定時周期為0.01s。在中斷服務(wù)程序中設(shè)置了兩個變量TIMER1和TIMER2，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序它們自加1次，當TIMER1=10時對應的時間為0.1s；當TIMER2=100時，對應的時間為1s。程序中每0.1s進行一次PID運算；每過1s對count2的值存儲一次，此時的count2的值即為電機的轉(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——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、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分累積，致使算得的控制量超過執(zhí)行機構(gòu)可能最大動作范圍對應的極限控制量，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。具體實現(xiàn)過程如下：根據(jù)實際情況，人為設(shè)定一個閾值>0。當|e(k)|>時，也即偏差值|e(k)|較大時，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。當|e(k)|時，也即偏差值|e(k)|較小時，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)試步驟實驗前準備工作1、正確完成計算機、DSP仿真器和實驗箱的連接后，系統(tǒng)上電；2、用1號線把直流電機單元的MOT+，MOT-，HROUT三點分別與驅(qū)動單元的+12V，A'，INT1三點連接好；3、用1號線將驅(qū)動單元的A點與D/A轉(zhuǎn)換單元的D/AOUT點連接好。實驗操作步驟1、打開PC機界面下的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。先點擊全編譯圖標，完全編譯通過后，再點擊運行程序圖標，運行程序；2、然后通過設(shè)置參數(shù)，打開一個內(nèi)部觀察窗口，觀看直流電機在低速下的轉(zhuǎn)速曲線（注：觀察窗口中曲線不是實時自動更新的，因此只能顯示打開瞬間的電機轉(zhuǎn)速曲線）；3、在程序運行過程中，控制基本穩(wěn)定后點擊“Halt”停止運行，重新設(shè)定rc的值，如rc=4，然后再點擊全編譯圖標，完全編譯通過后，再點擊運行程序圖標，運行程序。此時可通過設(shè)置參數(shù)，打開一個內(nèi)部觀察窗口，觀看直流電機在高速下的轉(zhuǎn)速曲線；4、以上是增量型PID控制下電機運行的調(diào)試。停止程序運行，在參考程序基礎(chǔ)上作修改，加入數(shù)碼管顯示程序。在程序運行過程中，控制基本穩(wěn)定后，數(shù)碼管會顯示出調(diào)節(jié)后相應的運轉(zhuǎn)（r/min)。因為是閉環(huán)PID調(diào)節(jié)，所以在程序運行過程中電機轉(zhuǎn)速會自動調(diào)節(jié)。用障礙物使之突然停止，然后移開障礙物，觀察電機自動調(diào)節(jié)過程，同時觀察數(shù)碼管上顯示的相應變化。5、為改善控制性能，將程序做相應改動，將增量型PID控制改為積分分離的PID控制，并重復步驟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、改進后的積分分離PID控制下的電機轉(zhuǎn)速曲線，由于時間比較緊，而且曲線不是實時改變的，所以沒有