工学]基于dsp的直流电机控制系统设计本科毕业论文

工学]基于dsp的直流电机控制系统设计本科毕业论文内容摘要：

功率驱动单元：对来自 DSP 控制器的 PWM 信号进行功率放大后送给直流电动机的电枢两端，驱动电机与负载； 速度 检测单元：采集电机的速度信息，并送给主控制器； 显示单元：将采集到的电机转速信息予以显示； 通信单元：负责主控制器与上位机及外设的信息交换。 图 21 系统总 体 框图 2. 2 DSP 芯片选择 直流电机的调速控制系 统一般采用电机专用微处理器，其种类主要包括复杂指令集 CISC 处理器如工 NTEL196MX 系列单片微控制器，精简指令集 RISC 如日立公司 SH704x 系列单片微控制器，哈佛结构 DSP 处理器如 TI 公司 T145320F24X 系列 DSP。 一般用于直流电机控制的徽处理器性能要满足以下几个方面： （ 1） 指令执行速度； 7 （ 2） 片上程序存储器、数据存储器的容量及程序存储器的类型； （ 3） 乘除法、积和运算和坐标变换、向量计算等控制计算功能； （ 4） 中断功能和中断通道的数目； （ 5） 用于 PWM 生成硬件单元和可实现的调制范围以及死 区调节单元 ； （ 6） 用于输入模拟信号的 A/D 转换器； （ 7） 价格及开发环境。 DSP 一般采用哈佛或者改进的哈佛结构，程序空间和数据空间分离，程序的数据总线和地址总线分离，数据的数据总线和地址总线分离。 这种结构允许同时访问程序指令和数据，在同一机器周期里完成读和写，并行支持在单机器时钟内同时执行算术、逻辑和位处理操作，极大地提高了执行速度，并且电机控制专用 DSP 具备丰富的设备和接口资源。 TI 公司的 TMS320 系列 DSP 芯片是目前最有影响、最为成功的数字信号处理器，其产品销量一直处于国际领先地位，是公认的世界 DSP 霸主。 本论文选择了TI 公司的 TMS320LF2407DSP 作为直流电机控制系统的微处理器。 TMS320LF2407 DSP 控制器介绍 TMS320LF2407 DSP 是专为数字电机控制和其它控制系统而设计的。 是当前集成度最高、性能最强的运动控制芯片。 不但有高性能的 C2XX CPU 内核，配置有高速数字信号处理的结构，且有控制电机的外设。 它将数字信号处理的高速运算功能，与面向电机的强大控制功能结合在一起，成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品 [12]。 TMS320LF2407 的片内 外设模块 包括： 事件管理模块（ EV）、 数字输入 /输出模块（ I/O）、模数转换模块（ ADC）、串行外设模块（ SPI）、串行通信模块（ SCI）、局域网控制器模块（ CAN）。 （ 1） 事件管理器 EVA 和 EVB TMS320LF2407 提供两个事件管理器 EVA 和 EVB 模块，每个模块包含两个通用（ GP）定时器、 3 个全比较 /PWM 单元、 3 个捕获单元和一个正交编码脉冲电路。 事件管理器位用户提供了众多的功能和特点，在运动控制和电机控制中特别有用。 通用定时器 ： LF2407 共有 4 个通用定时器，每个定时器包括：一个 16 位的定时器增 /减计数的计数器 TxCNT；一个 16 位的定时器比较寄存器 TxCMPR；一个 8 16 位的定时器周期寄存器 TxPR；一个 16 位的定时器控制寄存器 TxCON；可选择的内部或外部输入时钟。 各个 GP 定时器之间可以彼此独立工作或相互同步工作。 与其有关的比较寄存器可用作比较功能或 PWM 波形发生。 每个 GP 定时器的内部或外部的输入时钟都可进行可编程的预定标，它还向事件管理器的子模块提供时毕。 每个通用定时器有 4 种可选择的操作模式：停止 /保持模式、连续增计数模式、定向增 /减计数模式、逢续增 /减计数模式。 当计数器值和比较寄存器值相等时 ，比较匹配发生，从而在定时器的 PWM 输出引脚 TxPWM/TxCMP 上产生 CMP/PWM 脉冲，可设置控制寄存器 GPTCON 中的相应位，选择下溢、比较匹配或周期匹配时自动启动片内 A/D 转换器。 比较单元 ： LF2407 有 6 个比较单元，每个 EV 模块有 3 个。 每个比较单元又有两个相关的 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。 每个比较单元和通用定时器 1 或通用定时器 3，死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性可控的 PWM 输出。 在每个 EV 模块中有 6 个这种与比较单元相关的 PWM 输出引脚，这 6 个特定的 PWM 输出引脚可用于控制三相交流感应电机和直流无刷电机。 由比较方式控制寄存器所控制的多种输出方式能轻易地控制应用广泛的开关磁阻电机和同步磁阻电机。 捕获单元 ： 捕获单元被用于高速 I/O 的自动管理器，它监视输入引脚上信号的变化，记录输入事件发生时的计数器值，即记录下所发生事件的时刻。 该部件的工作由内部定时器同步，不用 CPU 干预。 LF2407 共有 6 个捕获单元， CAP1， CAP2，CAP3 可选择通用定时器 1 或 2 作为它们的时基，但 CAP1 和 CAP2 一定要选择 相同的定时器作为它们的时基。 CAP4， CAP5， CAP6 可选择通用定时器 3 或 4 作为它们的时基，同样 CAP4 和 CAP5 也一定要选择相同的定时器作为它们的时基。 每个单元各有一个两级的 FIFO 缓冲堆栈。 当捕获发生时，相应的中断标志被置位，并向 CPU 发中断请求；若中断标志己被置位，捕获单元还将启动片内 A/D 转换器。 正交编码脉冲（ QEP）单元 ： 常用的位置反馈检测元件为光电编码器或光栅尺，它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号，其输出一般有相位差为 90176。 的 A、 B 两路信号和同步脉冲信号 C。 A、 B 两路脉冲可直接作 为 LF2407 的CAP1/QEP1 和 CAP2/QEP2 引脚的输入。 正交编码脉冲电路的时基由通用定时器 2 9 或通用定时器 4 提供，但通用定时器必须设置成定向增 /减计数模式，并以正交编码脉冲电路作为时钟源。 （ 2） 数字输入 /输出模块（ I/O） DSP 器件的数子输入 /输出引脚均为功能复用引脚。 即这些引脚既可作为通用I/O 功能（双向数据输入 /输出）引脚，也可作特殊功能（ PWM 输出、捕获输入、串行输入输出等）引脚。 数子 I/O 模块负责对这些引脚进行控制和设置。 两种功能的选择由 I/O 复用控制寄存器（ MCRx， x=A， B， C）来 控制。 当引脚作为通用 I/O时，由数据和方向控制寄存器（ PxDATDIR， x=A， B， C， D， E， F）指出各 I/O引脚的数据方向（输入还是输出）和当前引脚对应的电平（高或低）。 读通用 I/O 引脚的电平或向引脚输出电平，实际上是对相应的寄存器（ PxDATDIR）进行读写操作。 （ 3） 模数转换器（ ADC）模块 在自动控制系统中，被控制或被检测的对象，如温度、压力、流量、速度等都是连续变化的物理量，通过适当的传感器（如温度传感器、压力传感器、光电传感器等）将他们转换为连续变化的电压或电流（即模拟量）。 模数转换器 ADC 就是用来讲这些模拟电压或电流转换成计算机能够识别的数字量的模块。 TMS320LF2407 期间内部有一个 10 为的模数转换器 ADC。 该模块能够对 16 个模拟输入信号进行采样 /保持和 A/D 转换，通道的转换顺序可以 编程 选择。 （ 4） 串行通信接口 （ SCI）模块 2407 器件的串行通信接口（ SCI）模块是一个标准的通信异步接收 /发送（ UART）可编程串行通信接口。 SCI 支持 CPU 与其他异步串口采用标准不返回零（ NRZ）模块进行异步串行数字通信。 SCI 有空闲线和地址位两种多处理器通信方式；两个输入 /输出引脚： SCIRXD（ SCI 接收数据引脚）和 SCITXD（ SCI 发送数据引脚）； SCI通过一个 16 位的波特率选择寄存器，可编程选择 64K 种不同速率的波特率。 SCI支持半双工和全双工操作，发送器和接收器的操作可以通过中断或转换状态标志来完成。 （ 5） 串行 外设 接口（ SPI）模块 串行外设接口（ SPI）模块是一个高速同步串行输入 /输出（ I/O）口，它能使可编程长度（ 1— 16 位）的串行位流以可编程的位传输速率输入或输出器件。 10 SPI 可作为一种串行总线标准，以同步方式实现两个设备之间的信息交换，即两个设备在同一时钟下工作。 SPI 通常用 于 DSP 控制器与外部设备或其他控制器之间的通信，用 SPI 可以构成多机通信系统， SPI 还可以作为移位寄存器、显示驱动器和模数转换器 ADC 等器件的外设扩展口。 （ 6） CAN 控制器模块 LF24xx 系列 DSP 控制器作为第一个具有片上 CAN 控制模块的 DSP 芯片，给用户提供一个设计分布式或网络化运动控制系统的无限可能。 CAN 总线是一种多主总线，通信介质可以是绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达 1 Mbps，通信距离可达 10km。 CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，使网 络内的节点个数在理论上不受限制。 由于 CAN 总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。 2407 的 CAN 控制器模块是一个 16 位的外设模块，支持 CAN2. 0B 协议。 CAN模块有 6 个邮箱（ MBOX0— MBOX5）；有用于 0， 1,2 和 3 号的邮箱的本地屏蔽寄存器和 15 个控制 /状态寄存器。 CAN 模块既有可编程的位速率、中断方式和 CAN总线唤醒功能；自动回复远程请求；自动再发送功能（在发送时出错或仲裁是丢失数据的情况下）；总线出错诊断和自测模式。 硬件方案论证 测速传感器的选择 方案一：使用测速发电机，输出电动势 E 和转速 n 成线性关系，即 E=kn，其中 k 是常数。 改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。 方案二：采用霍尔传感器， 霍尔元件是磁敏元件，在被测的旋转体上装一磁体，旋转时，每当磁体经过霍尔元件，霍尔元件就发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，送运算。 方案三：在电机的转轴上套一码盘，利用 光电对管测脉冲，每转一圈 OUT 端输出 若干个 脉冲。 （本设计中码盘每转一圈，输出 4 个脉冲） 经比较，方案一中的测速放电机安装不如方案二中霍尔元件安装方便，并且准确率也没方案 二的高，并且方案二不需 A/D 转换，直接可以被 DSP 接收。 但方案 11 二的霍尔传感器的采购不是很方便，故采用方案三，它具有方案二的几乎所有的优点。 方案三 中可以采用定时的方法：是通过定时器记录脉冲的周期 T，这样每分钟的转速： M=60/4T=15/T。 0 也可以 采用记数的方法： 具体是通过 DSP 记单位时间 S（秒）内的脉冲数 N，每分钟的转速： M=N/S 15。 比较两个计数方法，方法一所产生的误差主要是标准误差和硬件设计误差，因为此次测速所使用的码盘为自行制作，间隔不均匀，容易使脉冲之间产生时间差。 而方法二的误差主要是177。 1 误 差（量化误差），则可以有效地减少码盘制作给系统带来的误差。 由此明显看出，方法二在测量精度上优于方法一，所以采用方法二计数。 故选方案三。 功率 驱动 单元 方案论证 方案一：采用专用小型直流电机驱动芯片。 这个方案的优点是驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。 方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。 这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、 寿命较短、可靠性不高。 方案三：采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路。 用 DSP 控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。 这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高； H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。 通过比较和对市场因素的考虑，本设计采用方案一。 键盘显示方案论证 方案一：采用 3 4 键盘，可直接通过键盘输入设定值。 优点是电机转动级数多；缺点是功耗大，不符合智能化趋势而且不美观。 方案二：使 用 3 个按键，进行逐位设置。 一个按键控制正转，一个反转，一个停止。 优点是美观大方，一目了然；缺点是抗干扰能力较差。 由于方案一中电机转动级数设置可以通过软件实现，且方案二中干扰也可通过软件克服。 因此，本设计完全采用方案二。 12 PWM 实现方案论证 PWM 信号的产生通常有两种方法 ： 一种是软件的方法 ； 另一种是硬件的方法。 方案一：基于 NE555， SG3525 等一系列的脉宽调速系统。 此种方式采用 NE555作为控制电路的核心，用于产生控制信号。 NE555 产生的信号要通过功率放大才能驱动后级电路。 NE55 SG3525 构成的控制电路较为复杂，且智能化、自动化水平较低，在工业生产中不利于推广和应用。 方案二：基于 DSP 由软件来实现 PWM。 在 PWM 调速系统中占空比  是一个重要参数。 在电源电压 dU 不变。