基于dsp的直流電機控制系統設計本科畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 數值就將存入FIFO隊列，CAPFIFO寄存器中相應的狀態位可自動調整以反映FIFO隊列的新標志[13]。本程序設定的捕獲中斷程序由捕獲的方波脈沖上升沿觸發，每觸發一次上升沿，程序中的全局變量count就加1，然后再通過算法計算，把一秒鐘內捕獲到的脈沖數轉化成當前電機的轉速值，最后予以顯示[16]。流程圖如圖44所示。圖44 捕獲中斷流程圖 PID控制算法在絕大多數工業控制中，例如過程控制、運動控制、速度伺服控制以及位置伺服控制，使用最多的控制方法一般是PID控制。雖然當前控制理論和控制技術在信急技術、集成電路制造技術高速發展的推動下有了很大的發展，例如自適應控制、神經網絡和模糊控制以及最優控制等很多現代控制方法都得到廣泛的應用，但是數字PID控制仍然是一種穩定的、可靠的、實現簡單的、使用廣泛的控制方法[9]。PID控制是技術最成熟的一種控制方法，特別是在控制對象的模型未知或難以建立時，常常采用PID控制方法。PID控制原理簡單、實現方便，并且適應性廣，其控制品質對被控對象特性的變化不是很敏感，因此在工業的各個領域中應用廣泛。 PID控制原理PID控制即比例（Proportional）、積分（Integrating）、微分（Differentiation）控制。在PID控制系統中，完成PID控制規律的部分稱為PID控制器[9]。它是一種線形控制器，用輸出y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時間函數e(t)=r(t)y(t)。PID控制器框圖如圖45所示。圖45 PID控制算法框圖實際應用中，可以根據受控對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： （41）比例＋積分（PI）控制器： （42）比例+積分+微分（PID）控制器： （43）公式中，Kp為比例運算放大系數，Ti為積分時間，Td為微分時間。 系統PID控制任何電動機的調速系統都以轉速為定量，并使電動機的轉速跟隨給定值進行控制。為了使系統具有良好的調速性能，通常要構建一個閉環系統[12]。本設計是一個對電機進行PID的控制系統，采用經典的數字增量式PID控制算法。所謂增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量。當執行機構需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對數值時，可以使用增量式PID控制算法進行控制。增量式PID控制算法可以由公式推導出，得到控制器的第k1個采樣時刻的輸出值為： （44）并由（44）得到增量式PID控制算法公式為： （45）其中由（45）可以看出，如果計算機控制系統采用恒定的采樣周期T，一旦確定A、B、C，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由（45）求出控制量。增量式PID控制算法與位置式PID算法相比，計算量小得多，因此在實際中得到廣泛的應用。本設計中基于L F2407的PID控制器的實現框圖如圖46所示。圖46 基于LF2407的PID控制器框圖從圖中可以看出被控電機的速度設定量由DSP給出，經過DSP計算出控制量u (k)，對信號進行D/ A轉換，產生模擬控制量u(t)，從而實現對被控電機速度的控制，而電機實際轉速c(t)通過A/ D轉換器送入DSP，使整個系統構成一個閉環系統。 本章小節本章針對控制系統設計方案與控制策略，以DSP的PID控制為核心進行了系統軟件設計。本章采用模塊化設計理念，構建了系統軟件的總體結構，并對主要模塊的軟件流程進行了詳盡的闡述，絕大部分功能都得到實現。第5章 系統總體調試 調試準備在進行DSP系統的調試之前需要做一系列的準備工作，包括硬件準備和軟件準備工作。硬件主要包括DSP2407 開發板、DSP 仿真器和一臺調試仿真用的PC機。開發板使用的是明偉公司提供的TMS320LF2407，當然需要外設的一些顯示電路、捕獲電路等；仿真器是TDS510 DSP仿真器 。外設電路通過自己一段時間的精心研究，基本搭建完畢，在大多是情況下滿足了各大模塊的硬件設計。 for C2000的軟件開發環境[17]。CCS是TI公司DSP軟件的集成開發環境，在Windows下工作，類似于VC++的集成開發環境；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、建庫工具等集成在一個統一的開發平臺中；CCS所集成的代碼調試工具具有各種調試功能，能對TMS320系列DSP進行指令級的仿真和可視化的實時數據分析；同事具有豐富的輸入/出庫函數和信號處理庫函數。C2000在安裝成功之后，還需要進行一系列的配置。這就需要按照芯片的類型和仿真器的種類進行相應的選擇。 系統調試在硬件和軟件都準備充足的前提下，就可以進行系統的總體調試了。首先按照自己事先設計好的電路圖進行連接，由于該系統較為復雜，模塊部分較多，排線的連接應格外小心，對于每根排線的接頭我都是用絕緣的橡膠層包裹起來。線路連接好之后，將DSP與PC機通過仿真器連接起來，然后再給芯片上電。，編譯成功之后系統會生成一個out文件，該文件就相當于單片機仿真的hex文件，只需要將此文件導入芯片中，程序就可以在DSP上運轉起來了。在導入文件之前必須確保DSP與PC機的連接已經被系統識別，這就需要準確無誤的將TDS510 DSP仿真器的驅動軟件安裝成功。我在最初進行硬件調試的時候就是把仿真器的驅動軟件安裝錯誤，導致系統無法進行調試仿真，最后在老師的指導下才解決了這個問題。所以對于驅動軟件的安裝是系統進行硬件調試的前提。將out文件成功導入DSP后，運行系統。此時，觀察到的唯一現象是LED1不斷閃爍。我在進行調試的時候為了便于觀察程序是否跳轉到中斷服務程序，特別在中服里面加了一個LED燈閃爍功能，這個現象說明系統的定時器中斷、中斷服務程序完全符合設計要求。隨后我要進行的操作就是控制電機的轉動了，當按下K1開關后，電機轉動起來，正轉模式指示燈亮，同時，電機的轉速信息也在第一時間反饋到1602液晶顯示屏上；當再次按下K1開關，電機開始加速，然后逐漸趨于穩定，液晶顯示電機轉速加快；第三次按下K1開關，電機開始減速，然后逐漸趨于穩定，液晶顯示電機轉速減慢。如果按下的是K3開關，則電機反轉，反轉指示燈亮，其現象和正轉模式沒有區別。如果在電機開始轉動之后，無論正轉還是反轉，只要按下K2開關，電機就停止轉動。其實開關控制電機轉速的原理很簡單，每次跳轉僅僅是改變了全比較寄存器CMPR1中的值，正轉和反轉模式則還要使IN1和IN2置位。電機的轉速出了使用按鍵中斷控制外，還可以用上位機界面控制，上位機界面的控制原理也是改變全比較寄存器的值。相對于按鍵調速，上位機界面可以實現電機的無級調速，使電機可以在額定電壓內的任何轉速狀態下工作。系統調試數據如表51所示。表51 系統調試數據按 鍵次 數占空比理想電壓（V）實測電壓（V）轉 速(r/s) K1131102156365K2N 0000K3131152162371雖然系統調試過程中會出現一定的誤差，且存在一些干擾現象，但這些都是在所難免的。經過最后的總體調試之后，本系統基本完成了課題研究的內容，達到了預期的目標。結論直流電機具有良好的機械特性，能在大范圍內實現平滑調速、制動、起動和正反轉等共呢，目前在各大領域中占據主要地位。隨著自動控制水平的不斷提高，采用新的控制方法，使得整個系統結構更加簡單，功能更加完善。與此同時，DSP技術的不斷發展為電機控制提供了一個良好的平臺。本文采用TI公司推出的TMS320LF2407芯片作為直流電機控制系統的控制核心，依據該芯片特點、PWM調壓調速原理，搭建了基于DSP的直流電機調速系統的實驗平臺，并在此基礎上完成了系統的軟、硬件設計，實現了電機測速、調速、顯示等功能。由于整個電機控制所需的各種功能都是由DSP來實現的，因此，大幅度地減小了目標系統的體積，減少了外部元器件的個數，使得整個系統結構更加簡單，功能更強，可靠性更高。本系統主要完成以下成果：（1）在DSP硬件平臺的基礎上，完成了電機控制電路、功率驅動電路、檢測電路和顯示電路的硬件設計。（2）完成了基于速度控制的閉環系統的方案設計。（3）在硬件設計的基礎上，充分考慮軟件的可靠性問題，完成了系統的軟件設計。（4）以C2000為基礎進行嵌入式的軟件開發，完成相關任務的軟件編程。通過一系列的軟硬件設計，最終實現了對電機轉速的成功控制。但由于時間和各方面條件的制約，本設計還存在一些不足之處，有待進一步的改進和完善。具體如下：（1）系統在對電機進行調速時，存在一定的干擾，程序容易跑飛。（2）電機的調速級別有限，只能滿足電機在設定的幾個檔位調速。（3）各種限制保護功能（如限流、過壓保護）需要做進一步的研究。隨著DSP在電機控制領域更加廣泛的應用，相信在未來的電子行業里，DSP控制技術將會取得飛速的發展。致謝自己寫喲！別偷懶……參考文獻[1]陳仕高，姜久春，[D].北京：北京交通大學，2005.[2][M].武漢：武漢理工大學出版社，2006.[3]王兆安，[M].北京：機械工業出版社，2000.[4][M].北京：清華大學出版社，2005.[5][M].武漢：武漢理工大學出版社，2002.[6]Shukla， dclink softswitching PWM feedback clamp circuit for motor drive applications[J].Proceedings—Electric，2006.[7]Larson. . Fullbridge DC motor driver for consumer apps[J].Portable Design，2005.[8] Paul Kettle, Aengus, Finbarr Control of DC Motor[J]. Analog Devices,Motion Control Group Wilmington，1996.[9][M].北京：機械工業出版社，2002.[10](模擬部分)[M].北京：高等教育出版社，1999.[11]黃勝利，李永，[M].北京：高等教育出版社，2005.[12]楊銀堂，馬峰，[M].北京：中國電力出版社，2007.[13]何蘇勤，[M].北京：電子工業出版社，2003.[14] DSP 的無刷直流電機控制系統[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2005.[15]汪安民，徐保根，[M].北京：人民郵電出版社，2006.[16]劉和平. TMS320LF240x DSP C語言開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.[17] DSP 集成化開發環境（CCS）使用手冊[M].北京：清華大學出版社，2005.[18]江思敏. TMS320LF240x DSP硬件開發教程[M]. 北京：機械工業出版社，2003.[19][M].北京：電子工業出版社，2009.[20]鄔可軍，朱銘鋯. DSP實時多任務操作系統設計與實現[M]. 北京：電子工業出版社，2005.附錄見 基于DSP的直流電機控制系統C程序（包括1602顯示，捕獲CAP、PWM波發生程序）.doc