基于DSP的直流电机控制系统设计本科毕业论文.docx
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基于DSP的直流电机控制系统设计
本科毕业论文
基于DSP的直流电机控制系统设计
基于DSP的直流电机控制系统设计
摘要：
直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，可以独立控制，因此具备良好的调速性能，出力大、调速范围宽和易于控制，广泛应用于电力拖动系统中。
而随着对电机控制要求的不断提高，普通的单片机越来越不能满足对电机控制的要求，DSP技术的发展正好为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持。
本设计采用美国TI公司专门为电机数字化控制设计的16位定点DSP控制器TMS320LF2407作为微控制器。
该芯片集DSP信号高速处理能力及适用于电机控制优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制技术提供可靠高效的信号处理与控制硬件。
电机的控制系统是由检测装置、主控制器、功率驱动器以及上位机组成，其中DSP控制器是电机控制系统的关键部分，负责对电机的反馈信号进行处理并输出控制信号来控制电机的转动。
关键词：
直流电机；DSP；PID控制器；PWM
基于DSP的直流电机控制系统设计
TheDesignofDCMotorControlSystemBasedonDSP
Abstract：
TheDCmotorarmaturemagneticfieldandtheexcitationcompletelydecoupled,itcanbeindependentlycontrolled,soithasagoodspeedperformance,contributetoalargepower,widelyspeedrange,andeasytocontrol,soitiswidelyusedinelectricdrivesystems.Withthemotorcontrolrequired forcontinuousimprovement,commonsingleMCUcan'tmeetrequirementsofthemotorcontrolwell,DSPtechnologyjustfortheadvancedcontroltheoryandcomplexcontrolalgorithmimplementation
providesastrongsupport.
ThisdesignusestheAmericanTIcompanyspeciallyformotorcontroldesignofdigital16fixed-pointDSPcontrollerTMS320LF2407asthecontroller.ThechipsetDSPsignalthehighprocessingcapacityandusedinmotorcontroloptimizationtheperipheryofthecircuitinabody,highperformancedrivingcontroltechnologytoprovidereliableandefficientsignalprocessingandcontrolhardware.Motorcontrolsystemiscomposedofdetectiondevices,themaincontroller,powerdriverandPCcomponen ts,whichDSPcontrollerisakeypartofthemotorcontrolsystem,responsibleforthemotorfeedbacksignalprocessingandoutputcontrolsignaltocontroltherotationofthemotor.
Keywords：
DCmotor,DSP,PIDcontroller,PWM
基于DSP的直流电机控制系统设计
目 录
第1章 绪论 1
1.1课题概述 1
1.1.1课题研究的背景 1
1.1.2课题研究的目的及意义 2
1.2课题研究的现状 2
1.3课题研究的内容 5
第2章 系统总体设计 6
2.1 系统的组成 6
2.2 DSP芯片选择 6
2.3TMS320LF2407DSP控制器介绍 7
2.4硬件方案论证 10
2.4.1测速传感器的选择 10
2.4.2功率驱动单元方案论证 11
2.4.3键盘显示方案论证 11
2.4.4PWM实现方案论证 12
2.5本章小节 12
第3章 系统硬件设计 13
3.1电源电路的设计 13
3.2功率驱动单元的设计 13
3.2.1PWM调速原理 14
3.2.2电机驱动电路 15
3.3速度检测单元的设计 16
3.3.1速度检测的方法 16
3.3.2速度检测电路设计 17
3.4按键控制单元的设计 18
3.5显示单元的设计 20
基于DSP的直流电机控制系统设计
3.5.1 1602液晶介绍 20
3.5.2 显示单元接口电路设计 20
3.6通信单元的设计 21
3.7本章小节 22
第4章 系统软件设计 23
4.1主程序的设计 23
4.1.1主程序 23
4.1.2初始化子程序 24
4.1.3显示程序 24
4.2中断服务程序的设计 24
4.2.1PWM波发生程序 25
4.2.2捕获中断程序 27
4.3PID控制算法 28
4.3.1PID控制原理 29
4.3.2系统PID控制 29
4.4本章小节 31
第5章 系统总体调试 32
5.1调试准备 32
5.2系统调试 32
结论 34
致谢 35
参考文献 36
附录 错误！
未定义书签。
第1章 绪论
1.1课题概述
1.1.1课题研究的背景
电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统。
根据电动机的不同，工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类。
纵观电气传动的发展过程，交流与直流两大电气传动并存于各个时期的各大工业领域内，虽然它们所处的地位和作用不同，但它们始终随着工业技术而发展的。
特别是随着电力电子技术和微电子学的发展，在相互竞争中完善着自身，发生着变更。
由于直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，因此在工业场合应用广泛。
近代，随着生产技术的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速能力、静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求，所以计算机控制电力拖动控制系统已成为计算机应用的一个重要内容。
直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用。
随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展，两者的有机结合使电力拖动控制技术产生了新的变化。
电力电子技术、计算机技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉，具有广泛的应用前景。
有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究。
直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程。
随着数字信号处理器DSP的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。
将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中，在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法，为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作。
用计算机技术实现直流调速控制系统，计算机的选型很多。
经过选择，选取DSP芯片作为控制器。
直流调速系统的内容十分丰富，有开环控制系统，有闭环控制系统；有单闭环控制系统，有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统，有不可逆调速系统等[9]。
开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；研究的目的是利用计算机硬
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件和软件发展的最新成果，对控制系统升级进行研究；研究工作是在对控制对象全面回顾总结的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件环境的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。
目前，对于控制对象的研究和讨论很多，有比较成熟的理论，但实现控制的方法和手段随着技术的发展，特别是计算机技术的发展，不断地进行技术升级。
这个过程经历了从分立元件控制，集成电路控制和单片计算机控制等过程。
每一次的技术升级都是控制系统的性能有较大地提高和改进。
随着新的控制芯片的出现，给技术升级提供了新的可能。
电机控制是DSP应用的主要领域，随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高，DSP将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用。
1.1.2课题研究的目的及意义
长期以来，直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高质高效的平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其它电动机的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍无其它电动机可比。
在控制系统的构成上，本课题对硬件电路进行了设计，而这个硬件系统具有一
定的通用性，也即可以将它作为一个硬件平台，在其它过程控制中应用。
另外，由DSP的特点量身订做，可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计，进而来构成硬件系统，这样既便于设计思想的物化，又使得设计系统更加紧凑，不浪费资源。
本直流电机控制系统采用经典的数字增量式PID控制算法，在本文中对数字增量式PID控制的理论、设计和实现进行了较为详细的论述。
1.2课题研究的现状
近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。
除了人们己经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等。
另一方面，由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高，如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子[1]。
在实际中，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到
对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。
例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。
这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是“运动控制”。
运动控制使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。
因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展[5]。
电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。
由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。
所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想，因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。
数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。
随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加用户也不断提高对电机控制技术的要求[5]。
总是希望能在驱动系统中集成更多的功能，达到更高的性能。
许多设备试图使用8位或是准16位的微处理器实现电机的闭环控制，然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现。
例如，在很多领域（如工业、家电和汽车），用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机。
这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现。
但是这可能超出上述微处理器的计算能力。
使用高性能的数字信号处理器（DSP）来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前较为普遍的做法。
将一系列外围设备如模数转换器（A/D）、脉宽调制发生器（PWM）和数字信号处理器（DSP）集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的DSP芯片。
近年来，各种集成化的一单片DSP的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好，价格却大幅度降低。
低端产品的价格已接近单片机的价格水平，但却比单片机具有更高的性能价格比。
越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机己成熟[13]。
首先，与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。
DSP具有更快的CPU,更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器，提供高速、同步串口和标
准异步串口。
有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。
更为不同的是，DSP器件为精简指令器件，大多数指令都能在一个周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令周期内可完成多条指令。
同时DSP采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。
又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线，使DSP器件具有高速的数据计算能力。
而单片机为复杂指令系统计算机（CISC），多数指令要2-3个指令周期来完成。
单片机采用冯.诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令和数据、ALU只能做加法，乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指令周期，也就是说速度比较慢。
所以，结构上的差异使DSP器件比准16位单片机单指令执行时间快8-10倍，完成一次乘法运算快16-30倍。
DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提供了FFT快速傅立叶变换和滤波器的运算。
此外，DSP器件提供了JTAG（JointTestActionGroup）接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便。
其次，基于DSP芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求。
通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利技术的保密。
现在各大DSP生产厂家都推出自己的内嵌式DSP电机控制专用集成电路。
如占DSP市场份额45%的美国德州仪器公司，凭借自己的实力，推出了电机控制器专用DSP--TMS320C24x。
新的TMS320C24xDSP采用TI公司TMS320C2xLP16位定
点DSP核，并集成了一个电机事件管理器，后者的特点是可以最佳方式实现对电机的控制。
该器件利用TI的可重用DSP核心技术，显示出TI的特殊能力一通过在单一芯片上集成一个DSP和混合信号外设件，制造出面向各种应用的DSP方案。
TMS320C24x作为第一个数字电机控制器的专用DSP系列，可支持用于电机控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等功能。
集成的DSP核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式A/D设计等诸多功能块加在一起，就可以提供一个单芯片式数字电机控制方案。
系列中的TMS320LF2407包括一个30MIPSDSP核、两个事件管理器、32位的中央算术逻辑单元、多达16通道的IO位A/D转换器、64K的I/0空间和一个32K字的闪速存储器，它利用TMS320的定点DSP软件开发工具和JTAG仿真支持，可使电机控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机使用。
第三，DSP运算速度快，控制策略中可以使用先进的实时算法，如自适应控制、卡尔曼滤波、状态预估等，大大提高控制系统的品质。
而且DSP控制软件可用C
语言或汇编语言编写或者二者嵌套使用。
因此采用DSP芯片制造的电机控制器便于用户的调试和应用。
最后，在越来越多的场合，如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等，他们往往是规模比较大，时序、组合逻辑都很复杂的情况，这时如果同时运用DSP芯片和一些其它的可编程逻辑器件可以大大减小系统的体积、提高系统运算能力，实现复杂的实时控制。
1.3课题研究的内容
本文主要研究基于DSP的直流电机控制系统，通过控制算法和调速方法的分析，利用电机调速、DSP芯片控制、上位机通信、按键模块等的基本原理及相关知识，实现对电机的速度控制。
整个系统的基本思想就是利用DSP内部资源产生可控制的脉冲控制整流电压，改变串入主回路中的直流电动机的电磁转矩，实现电动机的转速调节。
研究内容包括如下：
（1）电机控制系统功能实现的分析；
（2）控制算法与调速方法的分析与设计；
（3）电机驱动、电源模块、按键模块、测速、显示模块的硬件设计与实现；
（4）系统主程序、按键扫描、控制算法、测速、电机速度控制等程序的分析、设计与实现；
（5）电机控制系统整机测试与实现；
第2章 系统总体设计
2.1 系统的组成
由图2-1可知，该设计包含DSP控制单元、功率驱动单元、检测单元、显示单元、通信单元五个部分。
DSP控制单元：
对来自上位机的给定信号和来自传感器的反馈信号按一定的算法进行处理，输出相应的PWM波，经过光电隔离部分，送给功率驱动单元；
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。
2.2 DSP芯片选择
图2-1系统总体框图
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；
（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。
2.3TMS320LF2407DSP控制器介绍
TMS320LF2407DSP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C2XXCPU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
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90°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
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
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