基于dsp的直流电动机调速系统设计与实现.doc

唐 山 学 院 毕毕 业业 设设 计计 设计题目：设计题目：基于 DSP 的直流电动机调速系统设计与实现 系系 别：别： 信息工程系 班班 级：级： 06 电气工程及其自动化（1）班 姓姓 名：名： 兰恒波 指指 导导 教教 师：师： 吕宏丽 2 0 1 0 年6 月10 日 基于DSP的直流电动机调速系统 设计与实现 摘 要 随着现代工业的不断发展，直流调速系统在许多领域获得了广泛的应用。由 于数字控制具有较好的控制性能和较强的抗干扰性，所以成为直流电机的主流控 制方式。为了进一步提高直流电机控制的现代化程度，电机的控制方法也由原来 的单机独立模拟式控制转变为集中式数字式控制。 本文进行了基于DSP的直流电机调速系统控制器设计的研究与实现。针对目前 现有的条件和要求，建立了以DSP控制器为核心的直流电机调速系统，给出了系统 的整体方案；系统根据调速原理，采用TI公司的TMS320LF2407A DSP芯片为控制 芯片，利用H型电路进行对直流电机的调速控制，通过光电传感器对直流电动机的 转速进行测定。 硬件方面，在分析了系统控制对象的基础上，以TMS320LF2407A为控制核心， 设计了整个系统的硬件平台。主要包括电源电路的设计、直流电动机驱动电路的 设计、直流电动机测速电路的设计、DSP最小系统、键盘控制电路以及LCD显示电 路的设计。 软件方面，在DSP的集成开发环境CCS下，利用C语言，进行了软件的设计与 调试，实现了硬件的配置和整个控制器平台的所有功能，能用按键控制直流电动 机的启动、停止、加速、减速、正转、反转功能，并将工作状态通过LCD显示出 来，通过DSP定时器的配合使用，实现了软件脉冲触发功能，从而实现了直流电动 机的测速功能。 通过对研制的DSP调速控制器的实验以及测试，该控制平台运行稳定，设计思 路正确，实现了预期的功能，能够实现测速调速功能和显示功能，有着一定的实 用价值。 关键词关键词：直流电动机 DSP 调速 The Design and Realization of Speed Regulation System for DC Motor Based on DSP Abstract Direct-current speed regulation system has gained broad application in a lot of fields with rapidly development of modem industrializationThe Digital Control will become the mainstream of DC timing system by good performances and stable ability to resist the disturbanceIn order to improve modernization，the control methods of DC timing system have changed from single control to network control This paper studied and realization the design of controller in speed regulation system based on DSP, after aimed at the status of laboratory at present. To build a Direct- current speed regulation system using by DSP as core controller and made overall scheme. Using the TMS320LF2407A DSP of TI company, according to speed regulation principle. To controlled the timing of DC Motor using the H model circuit, and measured the rotary speed through photoelectric sensor for DC Motor. In hardware, the whole platform is designed by TMS320LF2407A as core controller, based on analyzing the controlled object. It is include of the electrical source circuit, the driving circuit for DC Motor, the circuit measurable revs for DC Motor, the DSP smallest system module, the circuit of control by keypad and the showing circuit by LED. The software achieves all the functions of system and accomplish with hardware configure, which is debugged in the CCS IDE and using C languageThe system make the function of start, stop, forward, backward, acceleration, deceleration through keypad, and show the state by LED. Measuring revs for DC Motor and realization the function pulse spring by software cooperate in DSP timer. The running stability of system, the correctness of designing and all the intending functions were demonstrated by experiment and testing for the device of DSP controllerIt could control the speed of DC motor and monitoring controller by LED. This platform has a good promotion value. Keywords:DC Motor;DSP;Speed Regulation 目 录 1 引言.1 1.1 课题研究综述.1 1.1.1 国内外研究动态1 1.1.2 发展趋势2 1.2 课题完成的内容及选题意义.3 1.2.1 完成内容3 1.2.2 选题意义3 1.3 课题研究的主要内容及章节安排.4 2 直流调速原理.5 2.1 调速方法.5 2.1.1 直流电动机调速方法5 2.1.2 PWM 调速控制原理 6 2.2 测速方法.11 2.3 本章小结.12 3 DSP 控制器介绍13 3.1 DSP 芯片发展及结构 .13 3.1.1 DSP 芯片发展.13 3.1.2 DSP 芯片结构原理.13 3.2 控制器 TMS320LF2407A 介绍.15 3.2.1 控制器 TMS320LF2407A 特点15 3.2.2 设计用到的模块16 3.3 DSP 开发 .18 3.3.1 DSP 开发所需硬件资源.18 3.3.2 DSP 软件开发.18 3.4 本章小结.19 4 硬件设计.20 4.1 系统总体方案.20 4.2 DSP 供电电源设计 .21 4.3 JTAG 接口电路设计.21 4.4 键盘控制电路设计.23 4.5 LCD 液晶显示控制电路设计.23 4.6 直流电动机 PWM 调速测速电路设计.25 4.6.1 直流电动机 PWM 调速电路设计 25 4.6.2 转速采集电路设计26 4.7 本章小结.27 5 软件设计.28 5.1 CCS 简介.28 5.1.1 安装过程28 5.1.2 CCS 软件简介 29 5.2 程序设计.31 5.2.1 主程序流程图31 5.2.2 主要模块程序流程图32 5.3 本章小结.36 6 结论.38 6.1 调试结果.38 6.2 总结.39 谢辞.40 参考文献.41 附录.42 1 开发板外形图42 2 设计的总电路图43 3 设计的总程序44 外文资料.60 1 1 引言 1.1 课题研究综述 一个多世纪以来，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍 及国民经济的各个领域和人们的日常生活。过去电动机的调速控制不太灵敏，随 着计算机、微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的 控制策略发生了深刻的变化。传统的模拟控制方法正逐渐被以微控制器为核心的 数字控制所取代1。 1.1.1 国内外研究动态 早期直流传动的控制器由模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点， 如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精 度及可靠性较低。20世纪70年代以来，利用单片机作为控制器开始在电机控制系 统中被广泛使用，如Intel8031/8051、AT89C51、AT89C522等。在单片机控制系统 中，单片机作为系统控制的核心，主要用来完成一些算法，同时还要处理一些输 入，输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。 然而，受单片机本身结构的限制，以之为核心的单片机控制系统仍需要较多的元 器件，于是许多工程师认识到了单片机和电动机专用芯片各自的优势和缺点，设 计了以单片机和专用芯片为核心的电动机控制系统。在这些系统中，利用单片机 的可编程特点，主要用来执行一些检测、控制算法。并输出相应的控制信号给专 用芯片；利用专用芯片内部具有的电动机专用硬件控制机制，用来快速产生用于 电动机功率电子电路的控制信号。这些系统将单片机和专用芯片优势互补，使得 系统即可以满足实时性的要求，又具有用户可编程的灵活性。从而迅速成为主流 的电动机控制系统设计方法。但是，这些系统仍存在单片机系统固有的缺点，即 系统组成元件多、处理能力有限等，从而使最终系统的可靠性较低、成本提高， 也难适应要求较高的场合。 为了使电机控制系统即能适应与一般的应用场合，又能满足一些高精度、高 性能的控制要求。许多公司推出了面向运动控制系统、电动机控制的控制器。例 如：TI公司的TMS320x24xx系列DSP控制器，它把一个16位定点DSP核和用于控制 的外设、大容量的片上存储器集成在单一芯片上，为电动机控制系统注入了新活 力。此系列DSP控制器的内部DSP核具有用于控制的片上外设，使得它们从硬件机 制上可以较好地满足任意电动机控制系统的要求。 可以看到，基于DSP控制器构成的电动机控制系统具有传统单片机控制系统和 专用芯片电动机控制系统的优势，即专用的电动机控制机制、用户可编程、控制 2 能力强、功能强大；同时又克服了它们各自的缺点，如外设和存储器集成在芯片 内，可节省印制电路板面积、减少系统中元件的个数、提高了CPU的处理能力、 提高了系统的可靠性等。另外随着电子制造技术的不断提高，DSP控制器芯片的成 本不断下降，到目前为止，单片x24xx系列DSP控制器的价格与普通单片机的价格 已不相上下。这些都使得最终DSP控制系统的成本得到了降低。另外随着系统规模 的扩大和复杂性的提高，单机的控制系统越来越少，取而代之的是大规模的多机 协同工作的高度自动化的复杂系统。利用以DSP为控制核心的控制系统可以很好的 完成此任务，另外借助于数字和网络技术，智能控制已经深入到控制系统的各个 方面，例如：模糊控制，神经网络控制，解耦控制等，各种观测器和辨识技术应 用于控制系统中，大大地改善了控制系统的性能，为自动控制系统走向复杂的多 层的网络控制提供了可能，随着电力电子技术，微电子技术，以及现代控制理论 的发展，控制系统将朝着更高的水平迈进3。 1.1.2 发展趋势 电动机的数字控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技 术、自动控制技术；特别是微控制器技术，现代控制技术是以微控制器为核心的 技术，由此构成的控制系统成为当今工业控制的主流系统。这种系统已取代常规 的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作的人工职能，使受控 对象的动态过程按规定方式和技术运行，以完成各种控制、操作管理等任务4。近 几年来，嵌入式系统在通信、工业、仪器等领域的广泛应用，现代控制技术已深 入各行业的诸多领域。进入90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控 技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源 开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通 用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。 正是这些技术的进步使电动机控制技术在近20年内发生了很大的变化。其中， 电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、 FPGA/CPLD、通用计算机、DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅 速发展。应用先进控制算法，开发全数字化的智能控制运动控制系统将成为新一 代控制系统设计方向。 电动机的数字控制系统的发展趋势可以表现在以下几个方面。 (1)性能上高速、高精、高效化。速度、精度和效率是工业制造技术的关键性 能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率 绝对式检测元件的数字伺服系统，同时采取了改善电机动态、静态特性等有效措 施，电机的高速高精高效化已大大提高。 3 (2)控制实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用 是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型 实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合， 人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智 能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。 (3)系统集成化、模块化、网络化。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模 可编程集成电路FPGA、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集 成度和软硬件运行速度；硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化；电机 联网可进行远程控制和无人化操作；利用计算机组成总线式、模块化、开放式、 嵌入式结构。 1.2 课题完成的内容及选题意义 1.2.1 完成内容 本课题主要完成以下五方面工作。 1.硬件设计，设计硬件电路，实现键盘输入命令控制，使直流电动机停止和以 不同速度前进或后退，并将实时速度和正反状态显示在 LCD 上； 2.软件设计，编写程序，实现硬件功能； 3.绘制电路原理图； 4.制作样机； 5.系统各功能模块设计结束以后，将系统进行调试，实现不了功能的地方进行 修改以便完成系统的综合效果。 1.2.2 选题意义 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，一直在现代化生产和生活 中发挥着十分重要的作用。无论是工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医 疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各 样的电机。据资料统计，现在有 90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电 能大约有 60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分5。 电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。其中，直流 电动机在八十年代以前一直处于调速传动领域的主导地位，这主要源于其完美的 转矩控制特性，即通过调节电枢电压和励磁电流就可以任意调节其转速和转矩。 本毕业设计制作了一个小型的直流电动机调速装置，虽然实际应用中较难用 到这么小的直流电动机调速装置，但万变不离其宗，实际应用中的直流电动机调 速装置大致原理与本设计相差无几，因此，本设计有着很强的理论和指导意义。 4 设计的主线是“控制”2 字，与本人所学专业密不可分，通过完成此次毕业设计 的工作，能够加深对本专业精髓的理解，同样能够增强自学能力、实践能力和钻 研精神，而且设计过程中理论充分地联系了实际，对以后工作也有很大的帮助。 本毕业设计基于 TI 公司的 TMS320LF2407 控制器，对直流电动机进行调速测 速的控制系统，进行了设计研究。 1.3 课题研究的主要内容及章节安排 在研究了全数字直流电动机控制系统基础上，提出一种以 DSP 为控制器的直 流电动机智能控制系统。系统选用 TI 公司的 TMS320LF2407 高性能数字处理器， 设计出基于 DSP 的数字直流电机控制系统。论文共分为七大章节，内容如下综述。 第l章为引言，介绍数字控制的特点，本论文研究意义及工作内容； 第2章为直流调速原理分析，针对本文用到的调压调速原理以及特点进行说明； 第3章为介绍DSP控制器发展以及其芯片结构原理，着重说明了本文所用到的 TI公司的DSP(TMS320LF2407A)芯片的主要特征； 第4章为系统硬件结构整体设计方案，给出了系统整体设计框图，在此基础上 介绍了本系统实现的主要功能；设计了以TMS320LF2407A为核心的硬件系统，包 括电源电路的设计、脉冲触发驱动电路的设计、电机信号采集电路的设计、DSP最 小系统、DSP驱动独立按键键盘控制电路以及DSP驱动12864F显示电路的设计； 第5章为系统软件的设计，主要根据硬件设计所要实现的功能进行了系统整体 设计，依据软件的整体功能设计了各个功能模块程序； 第6章为结论，在完成系统软硬件的基础上，对整个系统进行联机调试，并进 行了分析，最后总结全文并对此系统设计进行展望。 5 2 直流调速原理 在现代化工业生产中，生产机械都不停地运转着，几乎无处不使用电力传动 装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样，对传动装置性能的要求也不一 样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能 实现转速调节与相应的自动化控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来 越高。本章分析了直流调速系统原理，通过分析可以明确硬件总体设计以及软件 实现的功能。 2.1 调速方法 2.1.1 直流电动机调速方法 由电机学基本理论可知，直流电动机转速特性方程式如下6 7。 (2-1)( / min) e UIR nr C 式2-1中，各变量如下。 电枢端电压(V)；U 电枢电流(A)；I 电枢电路总电阻()；R 每极磁通量(Wb)； 与电机有关的常数。 e C 从上式可以看出，直流电机转速n的控制方法有三种。 (1)改变电枢电路电阻值R，在电动机电枢外串电阻进行调速。这种方法只能进 行有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低； (2)改变电机主磁通。这种方法只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变 速，属恒功率调速方法，动态响应较馒，虽能无级平滑调速，但调速范围小； (3)调节电枢电压U，从而改变转速。属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于 要求大范围无级平滑调速的系统。 在这几种方法中，改变电阻只能有级调速，而且缺点很多，目前很少采用； 减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速 (额定转速)以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压 调速为主。改变电枢电压主要有三种方式：旋转变流机组、静止变流装置(晶闸管 6 变流装置)、PWM(脉宽调制)变换器(或称直流斩波器)。 (1)旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压， 简称G.M系统。G.M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运 行有噪音、维护不方便。 (2)采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，通过改变晶闸管 触发控制角a，进而改变整流电压Ud的大小，达到调节直流电动机转速的目的。V- M系统在调速性能、可靠性、经济性上具有一定的优越性，但操作不是太方便，所 以现在使用更多的是下面介绍的PWM(脉宽调制)。 (3)PWM(脉宽调制)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控 制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦 称DC-DC变换器。PWM(脉宽调制)变换器不仅在调速性能、可靠性、经济性上都 具有优越性，而且控制起来非常方便，实用性很强，因此成为直流调速系统的主 要形式。 本次设计主要就是通过DSP芯片TMS320LF2407A中的PWM口，对其编写程序 产生PWM波来输出控制电机的平均电压来对电机进行调速，需要对直流电动机搭 建H型电桥驱动电路才能实现PWM调速，下面将详细介绍直流电动机PWM调速原 理。 2.1.2 PWM调速控制原理 PWM(脉宽调制)即为开关驱动方式，开关驱动方式是使半导体功率器件工作 在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机的电枢电压，实现调速8。 图2.1是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压 波形。在图2-1(a)中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流 电动机电枢绕组两端有电压。时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电 1 t 动机电枢两端电压为零。时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重 2 t 复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压 波形如图2-1(b)所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值如下。 a U (2-2) 11 12 0 s ass t Ut UUaU ttT (2-3) 1 t a T 公式中，为占空比。a 7 i U s U 直流电动机 V1 D1 (a)原理图 i U 0 0 s U o U t t T t1t2 (b)输入/输出电压波形 图2-1 PWM调速控制原理和电压波形图 8 占空比表示了在同一个周期T里，开关导通的时间长短与周期的比值。的aa 变化范围为。由公式(2-2)可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端01a s U 电压的平均值取决于占空比的大小，改变值就可以改变电压的平均值，从 a Uaa 而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。 在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的a 值。 (1)定宽调频法。 这种方法是保持不变，只改变，这样使周期T(或频率f) 1 t 2 t 也随之改变。 (2)调宽调频法。 这种方法是保持不变，只改变，这样使周期T(或频率f) 2 t 1 t 也随之改变。 (3)定频调宽法。 这种方法是使周期T(或频率f)保持不变，而同时改变和。 1 t 2 t 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期T(或频率f)，当控制脉冲的频 率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用的很少。目前， 在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 TMS320LF240x系列电动机专用DSP集成了PWM控制信号发生器，它可以通 过调整事件管理器的定时器控制寄存器来设定PWM工作方式和频率；通过调整比 较值来调整PWM的占空比；通过调整死区控制寄存器来设定死区时间；通过专用 的PWM输出口输出占空比可调的带有死区的PWM控制信号，从而省去了其他控制 器所用的外围PWM波发生电路和时间延迟(死区)电路。 电动机专用DSP的高速运算功能可以实现直流电动机的实时控制，通过软件实 现名副其实的全数字控制，从而省去了外围的PID调节电路和比较电路。因此，使 用DSP控制直流电动机可以获得高性能和低成本。 直流电动机通常要求工作在正反转的场合，这时需要使用可逆PWM系统。可 逆PWM系统分为单极性驱动和双极性驱动。单极性驱动是指在一个PWM周期里， 电动机电枢的电压极性呈单一性(或者正、或者负)变化。双极性驱动是指在一个 PWM周期里，电动机电枢极性呈正负变化。 我们常说的“H”型电路是直流电动机PWM系统中的一种，上面已经介绍了直 流电动机PWM系统分为单极性驱动和双极性驱动，不论是单极性驱动还是双极性 驱动，都有“T”型和“H”型2种。 T型电路由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆系统的组合， 由于形状像横放着的“T”字，所以称为T型。 单极性驱动电路中的T型单极性驱动由于电流不能反向，并且两个开关管切换 (正反转切换)的工作条件是电枢电流等于零，因此动态性能较差，很少采用。双极 9 性驱动电路中的T型电路双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，因此只能 用在低压小功率直流电动机驱动。所以无论是单极性驱动还是双极性驱动，T型电 路的应用都较少。 H型电路，顾名思义，其形状像“H”字，也称桥式电路，无论是单极性驱动还 是双极性驱动，H型电路的应用都较多。 而本次设计用到的便是“H”型单极性可逆PWM驱动电路，所以接下来对直流 电动机H型单极性可逆PWM驱动电路进行详细介绍。 图2-2 H型单极性可逆PWM驱动系统 如图2-2所示。其为一单极性可逆PWM驱动系统。它由4个开关管和4个续流二 极管组成，单电源供电。当直流电动机正转时，V1开关管根据PWM控制信号同步 导通或关断，而V2开关管则受PWM反相控制信号控制，V3保持常闭，V4保持常 开。当直流电动机反转时,V3开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V4开 关管则受PWM反相控制信号控制，V1保持常闭，V2保持常开。 单极性驱动系统的PWM占空比仍用式(2-3)来计算。 当要求直流电动机在较大负载情况下正转工作时，平均电压大于感应电动 a U 势。在每个PWM周期的0 区间，V1导通，V2截止，电流经V1、V4从A到B a E 1 t a I 流过电枢绕组，在每个PWM周期的区间，V2导通，V1截止，电源断开，在 1 t 2 t 自感电动势的作用下，经二极管D2和开关管V4进行续流，使电枢中仍然有电流流 过，方向是从A到B，这时由于二极管D2的箝位作用，V2实际不能导通。 当直流电动机在进行制动时，平均电压小于感应电动势。在每个PWM a U a E Us V1V3 V2V4 D1D3 D2D4 AB 10 周期的0 区间，在感应电动势和自感电动势共同作用下，电流经二极管D4、D1 1 t 流向电源，方向是从B到A，直流电动机处在再生制动状态。在每个PWM周期的 区间，V2导通，V1截止，在感应电动势的作用下，电流经D4、V2仍然是从 1 t 2 t B到A流过绕组，直流电动机处在耗能制动状态。 当直流电动机轻载或空载运行时，平均电压与感应电动势几乎相等。在 a U a E 每个PWM周期的0 区间，V2截止，当减小到零后，V1导通接通电源，电流改变 1 t 方向。在每个PWM周期的区间，V1截止，电流先是续流，当续流电流减小 1 t 2 t 到零后，V2导通，在感应电动势的作用下，电流改变方向。因此，在一个PWM周 期中，电流交替呈现再生制动、电动、续流电动、耗能制动4种状态，电流围绕着 横轴上下波动。 由此可见，单极性可逆PWM驱动的电流波动较小，可以实现4个象限运行，是 一种应用非常广泛的驱动方式，使用时要注意加“死区”，避免同一桥臂的开关管发 生直通短路。 H型双极性可逆PWM系统的DSP控制与单极性可逆PWM系统的DSP控制基本 相同，双极性可逆PWM系统的占空比除了决定直流电动机的转速外，还决定了直 流电动机的的转向，因此，在电流PI调节控制中，必须根据转向标志DIRECTION 来决定输出极限。 下面也简要介绍一下H型双极性可逆PWM系统，其电路图与H型单极性可逆 PWM系统很相似，如图2.2，系统中4个开关管分为两组，V1、V4为一组， V2、V3为另一组。同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关 断正好相反。 在每个PWM周期里，当控制信号高电平时，开关管V1、V4导通，此时 1 i U 为低电平，因此V2、V3截止，电枢绕组承受从A到B的正向电压；当控制信号 2i U 低电平时，开关管V1、V4截止，此时为高电平，因此V2、V3导通，电枢绕 1 i U 2i U 组承受从B到A的反向电压，这就是所谓的“双极”。 由于在一个PWM周期里电枢电压经历了正反两次变化，因此其平均电压可 a U 用下式决定。 (2-4) 111 2 ()(1)(21) asss tTtt UUUaU TTT 由式(2-4)可见，双极性可逆PWM驱动时，电枢绕组所受的平均电压取决于占 空比的大小。当=0时，=，直流电动机反转，且转速最大；当=1时，aa a U s Ua =，直流电动机正转，且转速也最大；=1/2时，=0,直流电动机不转。虽 a U s Ua a U 然此时直流电动机不转，但电枢绕组中让然有交变电流流动，使直流电动机产生 11 高频振荡，这种振荡有利于克服直流电动机负载的静摩擦，提高动态性能。 双极性驱动时。直流电动机可在4个象限上工作，低速时的高频振荡有利于消 除负载的静摩擦，低速平稳性好。但在工作的过程中，由于4个开关管都处在开关 状态，功率消耗较大，因此双极性驱动只用于中小功率直流电动机。使用时也要 加“死区”，防止开关管直通。 2.2 测速方法 转速的采集通常使用两种方法：脉冲发生器测量，测速发电机测量。使用脉 冲发生器测量转速的方法常有三种：M法测速，T法测速，M/T法测速9。 (1)M法测速 测取时间内旋转编码器输出的脉冲个数，用以计算这段时间内的平均转 c T 1 M 速，称作M法测速，M法测速只适用于高速段转速测量。电机的转速如下式。 (2-5) 1 60 / min c M nr ZT (2)T法测速 记录编码器两个相邻输出脉冲间的高频脉冲个数，为高频脉冲频率，T 2 M 0 f 法测速适用于低速段转速测量。电机转速如下式。 (2-6) 0 2 6060 / min t f nr ZTZM (3)M/T法测速 把M法和T法结合起来，既检测Tc时间内旋转编码器输出的脉冲个数，又 1 M 检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数，用来计算转速，称作M/T法测速。采 2 M 用M/T法测速时，应保证高频时钟脉冲计数器与旋转编码器输出脉冲计数器同时开 启与关闭以减小误差。电机转速如下式。 (2-7) 101 2 6060 / min t M fM nr ZTZM 与脉冲发生器不同，用测速发电机测出的转速不再是测量周期内的平均转速， 而是测量时刻的瞬时值。由于测量的是模拟量，所以必须经过A/D转换。在用测速 发电机检测转速时，采样周期T不再受测速装置的限制，主要由控制运算的需要来 决定。分辨率由A/D的位数决定10。 本次设计用到的测速仪器为光电传感器(又称光电开关)，如图2-3所示，其工 作原理就是捕获电机转动时产生的光信号转变为电压脉冲信号，故采用的测速方 法为脉冲发生器测量法中的M法，M法测速原理非常适用于光电传感器。 12 图2-3 光电传感器 2.3 本章小结 本章对调速原理进行了说明，特别是对PWM调速控制原理进行了较详细的介 绍，还详细的介绍了直流电动机的测速方法，这对第4章的硬件功能设计，以及配 合第5章实现系统软件各个功能有了理论前提，通过调速分析，对联机试验也有了 一定的指导作用。 13 3 DSP控制器介绍 为了满足电动机控制系统的发展需要，20世纪90年代末，美国德州仪器(TI)公 司推出TMS320x24x系列数字信号处理器(DSP)，该系列DSP芯片专为实现高精度、 高性能、功能多样化的电动机控制系统或运动控制系统设计。本章介绍了TI公司 的该系列DSP控制芯片及其发展过程以及开发需求。 3.1 DSP芯片发展及结构 TMS320LF240x系列DSP(Digital Signal Processor)是TMS320数字信号处理器 (DSP)家族中的一员，LF240x系列的DSP是为了满足大范围的数字电动机控制 (DMC)应用而设计的。LF240x系列中的LF2407A芯片，是一种定点DSP芯片。它同 时集成了A/D转换模块和CAN控制器模块，无需另外进行A/D转换和CAN总线通信 之间的电路设计，简化了系统的电路结构，提高了系统的可靠性。 3.1.1 DSP芯片发展 世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司推出的S2811，1979年美国Intel 公司推出的商用可编程器件2920是DSP芯片走向市场的真正开始。这两种芯片内部 都没有现有DSP芯片中都具备的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的 uPD7720时第一个具有乘法器的商用DSP芯片。在这之后，最成功的DSP芯片当之 无愧的应该是美国德州仪器公司(TI，Texas Instrument)推向市场的一系列产品。TI 公司在1982年成功推出第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品 TMS32011、TMS320ClO/C14，C15/C16/C17等之后，相继推出了第二代DSP芯片 TMS32020、TMS320c25/C26，C28，第三代TMS320c30，C31/C32，第四代 TMS320C40/44，第五代TMS320C5X/54X，第二代DSP芯片的改进型 TMS320C2XX，集成多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前 速度最快的第六代DSP芯片TMs320C62/C67x等。TI将常用的DSP芯片归纳为三大 系列：TMS320C2000系列(包括TMS320C2X/C2XX)、TMS320C5000系列(包括 TMS320C5X/C54X/C55X)、TMS320C6000系列(包括TMS320C62X/C67X)。如今， TI公司的一系列DSP产品已经成为世界上最有影响的DSP芯片。TI公司也成为世界 上最大的DSP芯片供应商，其市场份额占全世界份额近50%。 3.1.2 DSP芯片结构原理 DSP芯片之所以具有快速数字信号处理运算的能力，是因为DSP芯片普遍采用 了特殊的硬件和软件结构，以提高其数字信号处理的运算速度，并且多数DSP运算 操作可在一个指令周期内完成。DSP芯片的基本结构特征主要有如下几种。 (1)哈佛结构 14 哈佛结构是不同于冯.诺伊曼结构的并行体系结构。哈佛结构的主要特点是将 程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独 立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的系统中设 置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和数据存 储在两个分开的空间中，因此取址和执行能完全重叠。 (2)流水线操作11 流水线与哈佛结构有关。DSP芯片广泛采用流水线，以减少指令执行的时间， 从而增强了处理器的处理能力。指令流水线由发生于指令执行期间内的总操作序 列组成。F240x流水线具有5个独立的阶段：取指令、指令译码、取操作数以及指 令执行。由于5个阶段是独立的，所以这些操作数可以重叠。这样，在执行本条指 令的同时，还依次完成了后面3条指令的取操作数、译码和取指的任务，将指令周 期降到最小值。在任何给定的操作之内，14条指令可以被激活，每条指令处于不 同的阶段。如3-1表示适用于单字、单周期指令且无等待状态执行的4级流水线操作。 利用这种流水线结构，加上执行重复操作，保证了数字信号处理器中使用最多的 乘法累加器运算可以在单个指令周期内完成。 图3-1 指令操作时序 (3)特殊的DSP指令 为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在DSP指令系统中，设计了一些特 殊的DSP指令，以完成一些专门的运算。这些指令有专门的硬件支撑，在别的计算 机系统里要以打断程序才能完成的任务，在DSP里只需要一条指令就完成了。 (4)专用的硬件乘法器 乘法速度越快，DSP的性能越高。由于具有专用的应用乘法器，乘法可以在一 个指令周期内完成。 时钟 取指令 译码 取操作数 nn+1n+2 n-1nn+1 n-2n-1n 执行n-3 n+3 n+2 n+1 nn-1n-2 15 (5)片内外两级存储结构 随着微电子技术的提高以及对DSP芯片处理能力的要求不断增加，单靠片内存 储器(早期DSP芯片采用片内存储器)已难以满足要求。多数DSP芯片开始有片外存 储器的访问功能。 (6)快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路 的优化设计可使DSP芯片的指令周期在50ms以下，现在高档的DSP指令周期可以达 到5ns。LF2407A的指令周期为25ns。 3.2 控制器TMS320LF2407A介绍 3.2.1 控制器TMS320LF2407A特点 TMS320系列包括：定点、浮点、多处理器数字信号处理器和定点DSP控制器。 TMS320系列DSP的体系结构专为实时信号处理而设计，该系列DSP控制器将实时 处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方 案。目前TI公司主推的DSP有：定点系列TMS320C2000、TMS320C5000；浮点系 列TMS320C6000。其中TMS320C6000系列中也有部分为定点DSP。TMS320系列同 一产品系列中的器件具有相同的CPU结构，但片内存储器和外设的配置不同。派 生的器件集成了新的片内存储器和外设，以满足世界范围内电子市场的不同需求。 通过将存储器和外设集成到控制器内部，TMS320器件降低了系统成本，节省了电 路板空间，提高了系统的可靠性。在TMS320系列DSP基础上，TMS320LF2407A控 制器具有以下特点。 (1)中央处理单元 32位中央算数逻辑单元(CALU)。 32位累加器。 3个比例移位器。 16位*16位乘法器。 间接寻址用的8个16位辅助寄存器和辅助算数单元(ARAU)。 4级流水线操作。 8级硬件堆栈。 6个可屏蔽硬件中断。 (2)存储器 32K字片内FLASH程序存储器。 544字的片内外设DARAM和2K字的片内SARAM。 可用空间：程序存储空间64K，数据存储空间35.5K字，I/O空间64K字。 16 (3)指令集 单周期乘加指令。 具有FFT倒序位序交址寻址能力。 单周期指令执行时间为25ns(40MIPS)。 源代码与定点TMS320C2X、C2XX、C5X兼容。 (4)电源 3.3V静态CMOS工艺。 3种低功耗模式，且可以灵活开启和关闭具体外设的时钟。 LF2407A具有一些与单片机不同的硬件特点。 (1)时钟 通过对晶振倍频后，LF2407A的内部时钟是CPU时钟，最高可以高达40MHz。 但是很多外设并不能承受这么快的时钟。通过对CPU时钟分频，LF2407A所有外设 都可以单独设置外设时钟。 (2)中断 DSP的中断有其内核中断、事件管理模块的中断和系统模块中断组成。DSP内 核中断包括：由指令INTR，NMI和TRAP产生的软件中断和来自复位RS，非屏蔽 NMI和可屏蔽INTx(x=1，2，3，4，5，6)的硬件中断；事件管理模块的中断包括： 通用定时器的周期事件中断、通用定时器的比较事件中断、通用定时器的溢出事 件中断、单比较中断、全比较中断、捕获中断和电源驱动保护中断(PDPINT)；系 统模块中断包括：A/D转换中断、串行通信SCI的接收中断、串行通信SCI的发送中 断、串行外设接口SPI中断、外部引脚XINTx(x=l，2，3)产生的可屏蔽中断和外部 非屏蔽引脚NMI中断。 (3)存储器空间 LF2407A包含三个独立的存储空间，在调试过程中，对于片上的引脚，/MP MC 可以做出选择，将其置于高电平时，进入微处理器(Micro Processor)模式，寻址将 对外程序存储器。在程序调试阶段，常译码一个外部RAM存储器，通过CCS中的 file-load Program命令，下载编译好的程序到外部RAM中运行。 当把MP/MC引脚置位为低电平时，进入微控制器(Micro Controller)模式，寻址 内部FLASH程序存储器，等最后将程序调试完毕，再烧写到内部FLASH。同时 LF2407A还可以通过GEL语言来设置寄存器SCSR2的MP/MC位，从而决定程序存 储器映射于内部还是外部空间。 3.2.2 设计用到的模块 (1)通用I/O口12 17 F2407系列有多达41个通用、双向的数字量I/O(GPIO)引脚，其中大多数都是基 本功能和一般I/O复用引脚。F2407系列的大多数I/O引脚都可用来实现其他功能。 数字量I/O端口模块采用了一种灵活的方法，可实现控制专用I/O和复用I/O引脚的 功能。所有专有I/O和复用I/O的功能都可通过9个16位控制寄存器来设置。这些控 制器可分为两类。 I/O端口复用控制寄存器(MCRx)：用来控制选择I/O端口作为基本功能或一 般I/O引脚功能。 数据和方向控制寄存器(PxDATDIR)：当I/O端口用作一般I/O引脚功能时， 用数据和方向控制寄存器可控制数据和双向I/O引脚的数据方向。这些寄存器直接 与双向I/O引脚相连。 (2)事件管理器13 每个F240x器件都包括两个事件管理模块EVA和EVB。事件管理器模块包括通 用定时器(GP)、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。EVA和EVB的定时 器，比较单元以及捕获单元的功能都相同，只是名称不同。EVA模块使用 CAP1/QEP1、CAP2/QEP2和CAP3这3个引脚作为捕获或正交编码脉冲的输入脚， EVB模块使用CAP4/QEP3、CAP5/QEP4和CAP6这3个引脚作为捕获或正交编码脉 冲的输入脚。 事件管理器模块中的通用定时器可以编程为在外部或内部CPU时钟的基础上 运行。引脚TCLKINA提供了外部时钟输入，引脚TDIRA用于当通用定时器处于定 向增/减计数方式时，规定计数方向。 事件管理器模块中的所有输入都由内部CPU协调同步，一次跳变脉冲宽度必 须保持到两个CPU时钟的上升沿后，才被事件管理器模块所识别。也就是说，如 果CPU时钟已被选作CLKOUT输出的信号源，则跳变必须保持CLKOUT输出的两 个下降沿。因此，建议任何跳变脉冲宽度必须保持至少两个CPU时钟周期。 事件管理器的中断过程分为中断产生和中断处理，需设置相应的中断向量、 中断标志寄存器(EVxIFRx)和中断屏蔽寄存器(EVxIMRx)。 事件管理器EVA模块中有3个全比较单元(比较单元1、2和3)，EVB模块同样也 有3个全比较单元(比较单元4、5和6)。每个比较单元都有两个相关的PWM输出。 比较单元的时基由通用定时器1(EVA模块)和通用定时器3(EVB模块)提供。每个模 块的比较单元包括以下几部分。 3个16位的比较寄存器(EVA模块，为CMPR1、CMPR2和CMPR3；EVB模 块，为CMPR4、CMPR5和CMPR6)，它们各带一个可读/写的影子寄存器； 一个可读/写的比较控制寄存器(EVA模块为COMCONA，EVB模块为 CO