自动化工程训练基于DSP的直流电机控制文档格式.docx
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3.3.1TMS320C54X的基本结构………………………………………………
3.3.2TMS320C54XDSP的中断系统………………………………………
第四章系统的软件设计…………………………………………………
4.1程序设计思路……………………………………………………………
4.2PID增量型控制算法的实现………………………………………………
4.2.1主程序设计……………………………………………………………
4.2.2INT0中断子程序设计…………………………………………………
4.2.3TINT0中断子程序设计………………………………………………
4.3PID算法的改进——积分分离……………………………………………
第五章系统调试步骤及调试结果分析…………………………………
5.1系统调试步骤………………………………………………………………
5.1.1实验前准备工作………………………………………………………
5.1.2实验操作步骤…………………………………………………………
5.2调试结果分析………………………………………………………………
第六章工程训练总结………………………………………………………
6.1心得体会……………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………………
附录1系统原理图………………………………………………………………
第一章前言
1.1工程训练内容及要求
DSP教学实验系统的研究与开发：
直流电机控制。
针对DSP教学实验装置，要求采用PID算法实现电机转速的单闭环控制，绘出系统原理图，完成软件编程和系统调试。
1.2工程训练目的
1、学习数字PID控制器的基本原理和设计方法。
2、学习PWM控制理论。
3、学习数字PID控制器在DSP上的实现方法。
4、了解TMS320C54X的硬件结构和芯片各种资源。
5、掌握TMS320C54的指令系统，能熟练使用CCS2.0软件。
6、熟练使用DSP汇编语言和标准C/C++语言进行程序设计。
7、掌握数字控制器的模拟化设计方法。
1.3工程训练设备环境
1、硬件环境：
计算机，THRS-2型实验箱，DSP仿真器，1号导线。
2、软件环境：
CCS2.0版软件。
第二章基础知识介绍
2.1直流电机的调速方法
直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。
直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;
而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。
所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。
调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。
但这种传统的调压调速方法效率低。
最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展，同时也发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM（脉宽调制）是常用的一种调速方法。
其基本原理是用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度。
在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；
电机断电时，其速度减低。
只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。
PWM控制就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间T对脉冲的宽度进行调制的技术。
PWM控制技术在晶闸管时代就已经产生，但是最初为了使晶闸管通断要付出很大的代价，因而难以得到广泛应用。
以IGBT、功率MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善，给PWM控制技术提供了强大的物质基础，推动这项技术的迅猛发展。
对于直流电机，采用PWM控制技术构成的无级调速系统，起停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。
在PWM调速时，占空比是一个重要参数，定宽调频法、调宽调频法和定频调宽法三种方法都可改变占空比的值。
2.2数字PID调节器的DSP实现
PID控制器自30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。
它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。
特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。
在应用计算机实现控制的系统中，PID很容易通过编制计算机语言实现。
由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适用性。
实现PID控制的计算机控制系统如图2.1所示，其中数字PID控制器是由软件编程在计算机内部实现的。
1、PID控制规律的离散化
PID控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统的给定值r与实际输出值y构成的控制偏差
的比例（P）、积分（I）、微分（D），通过线性组合构成控制量，所以简称PID控制器。
连续控制系统中的模拟PID控制规律为：
式<
1>
式中
是控制器的输出，
是系统给定量与输出量的偏差，
是比例系数，
是积分时间常数，
是微分时间常数。
其相应传递函数为：
2>
图2.1PID计算机控制系统图
比例调节器、积分调节器和微分调节器的作用：
（1）比例调节器：
比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数
。
比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。
加大比例系数
可以减小静差，但是，
过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。
（2）比例积分调节器：
为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。
积分调节具有累积成分，只要偏差
不为零，它将通过累积作用影响控制量
，从而减小偏差，直到偏差为零。
如果积分时间常数
大，积分作用弱，反之为强。
增大
将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。
引入积分词节的代价是降低系统的快速性。
（3）比例积分微分调节器：
为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。
微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。
采用DSP对电动机进行控制时，使用的是数字PID调节器，而不是模拟PID调节器，即用程序取代PID模拟电路，用软件取代硬件。
由于计算机系统是一种采样控制系统，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分，当采样周期为T时，
3>
如果采样周期足够小，这种离散逼近相当准确。
上式中
为全量输出，它对应于被控对象的执行机构第i次采样时刻应达到的位置，因此，上式称为PID位置型控制算式。
可以看出，按上式计算
时，输出值与过去所有状态有关。
当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，可导出下面的公式：
4>
或
5>
式<
称为增量型PID控制算式；
称为递推型PID控制算式；
增量型控制算式具有以下优点：
（a）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小；
（b）在i时刻的输出
，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差
、
，和前一次的输出值
，这大大节约了内存和计算时间；
（c）在进行手动—自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。
控制过程的计算机要求有很强的实时性，用微型计算机作为数字控制器时，由于字长和运算速度的限制，必须采用必要的方法来加快计算速度。
下面介绍简化算式的方法。
按照式<
表示的递推型PID算式，计算机每输出一次
，要作四次加法，两次减法，四次乘法和两次除法。
若将该式稍加合并整理写成如下形式：
6>
式中系数
可以离散算出，从而加快了算法程序的运算速度。
按式<
编制的数字控制器的程序框图如下图2.2所示：
图2.2数字控制器的程序框图
2、数字PID控制器的参数整定
在实际控制系统中，控制算式一旦确定，比例、积分和微分参数的整定就成为重要的工作。
控制效果的好坏在很大程度上取决于这些参数选择得是否得当。
关于PID控制参数整定方法有很多。
通常首先要对工业对象的动态特性作某种简单假设。
因此，由这些整定方法得到的参数值在使用时不一定是最佳的，往往只作为参考值。
在实时控制中，还要在这些值附近探索，找出实用中有效的最佳值。
下面介绍PID参数的工程整定法中常用的凑试法：
凑试法是通过模拟或实际的闭环运行情况、观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID控制器中的三个调节参数。
在凑试时，对参数的调整步骤为先比例，后积分，再微分的整定步骤，即：
（1）先整定比例部分：
将比例系数
由小调大，并观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、超调小的响应曲线。
如果系统没有静差或静差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那么只须用比例调节器即可，最优比例系数也由此确定。
（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。
整定时一般先置—个较大的积分时间系数
，同时将第一步整定得到的比例系数
缩小一些（比如取原来的80％），然后减小积分时间系数使在保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的静差得到消除。
在此过程中，可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数
和积分时间系数
从而实现满意的控制过程和整定参数。
（3）如果使用比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不尽满意，则可以加入微分环节，构成PID控制器。
在整定时，可先置微分时间系数
为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数
，同时相应地改变比例系数
，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。
值得一提的是，PID三个参数可以互相补偿，即某一个参数的减小可由其他参数增大或减小来补偿。
因此用不同的整定参数完全可以得到相同的控制效果，这也决定了PID控制器参数选取的非唯一性。
另外，对无自平衡能力的对象，则不应包含积分环节，即只可用比例或比例微分控制器。
在实时控制过程中，只要被控对象的主要性能指标达到了设计要求，就可以选定相应的控制器参数为最终参数。
目前，工程上仍广泛使用实验方法和经验方法来整定PID的调整参数，称为PID参数的工程整定方法。
这种方法的最大优点在于整定参数不必依赖被控对象的数学模型。
简易工程整定法是由经典的频率法简化而来的，虽然粗糙一点，但是简单易行，适于现场的实时控制应用。
如扩充临界比例度法、扩充响应曲线法。
3、PID控制算法的改进
任何一种执行机构都存在一个线性工作区。
在此线性区内，它可以线性地跟踪控制信号，而当控制信号过大，超过这个线性区，就进入饱和区或截止区，其特性将变成非线性特性。
同时，执行机构还存在着一定的阻尼和惯性，对控制信号的响应速度受到了限制。
因此，执行机构的动态特性也存在一个线性工作区。
控制信号的变化率过大也会使执行机构进入非线性区。
前述标准PID位置式算法中积分项控制作用过大将出现积分饱和，增量式算法中微分项和比例项控制作用过大将出现微分饱和，都会使执行机构进入非线性区，从而使系统出现过大的超调和持续振荡，动态品质变坏。
为了克服以上两种饱和现象，避免系统的过大超调，使系统具有较好的动态指标，必须使PID控制器输出的控制信号受到约束，即对标准的PID控制算法进行改进，并主要是对积分项和微分项的改进。
（1）饱和作用的抑制
无论采用何种计算方法，其控制输出从数学上讲可在
范围内取值，但物理执行元件的机械和物理性能是有约束的，即输入
的取值是在有限范围内，表示为
，同时其变化率也受限制，表示为
控制系统在开工、停工或者大幅度提降给定位等情况下，系统输出会出现较大的偏差，这种较大偏差，不可能在短时间内消除，经过积分项累积后，可能会使控制量
很大，甚至超过执行机构的极限
另外，当负误差的绝对值较大时，也会出现
的另一种极端情况。
显然，当控制量超过执行机构极限时，控制作用必然不如应有的计算值理想，从而影响控制效果。
这类现象在给定值突变时容易发生，而且在起动时特别明显，故称“起动效应”。
为了克服积分饱和作用，已有许多有效的修正算法，较常用的有“积分分离法”。
（2）干扰的抑制
PID控制算法的输入量是误差
在进入正常调节后，由于输出
已接近输入
，
的值不会太大。
所以相对而言，干扰值的引入对调节有较大的影响。
对于干扰，除了采用抗干扰措施，进行硬件和软件滤波之外，还可以通过对PID控制算法进行改进，进一步克服干扰的影响。
如“四点中心差分法”、“不完全微分PID算法”等等。
第三章系统的硬件设计
3.1整体设计思想
本实验通过霍尔片的输出端HROUT接入DSP的外部中断1来检测直流电机的转速，与程序中的给定量相比较，通过PID调节输出一路PWM波作为反馈输出到直流电机的MOT-端，从而控制直流电机的转速。
硬件接线原理图如图3.1。
图3.1硬件接线原理图
3.2基本硬件组成
本次设计是在EL-DSP-EXPII实验系统的基础上进行设计。
该系统的功能框图如图3.2。
图3.2EL-DSP-EXPII实验系统功能框图
针对课题要求，在设计中主要用到的系统中的模块有：
1、直流电动机单元：
该单元由电压调整、驱动电路、速度检测反馈电路组成。
由系统板送来的电压信号与可调节的基准电压经加法运算后，输出驱动直流电机运行；
速度检测、反馈电路由于电机同轴转的转盘上的强力磁钢、霍尔磁感应放大器、单周期速度信号采集器组成，当与电机同轴运行的转盘上的磁钢与霍尔片正对时，霍尔片输出负电压，经整形、放大，供系统采集。
2、D/A转换单元：
数模转换采用DAC08芯片，分辨率8位，精度1LSB，转换时间85ns。
本实验系统中，DAC08采用对称偏移二进制输出方式，输出电压范围-5V—+5V。
底板DAC08参考电压Vref=+5V；
输入00h，输出电压-5V；
输入ffh，输出电压+5V。
D/A单元原理框图如图3.3。
3、CPU单元：
CPU单元包括CPU1、CPU2两块可以更换的CPU板。
由于CPU2与D/A单元之间为并行联结，且电机单元中的转速反馈信号直接接到了CPU2的INT0引脚，所以本次设计中采用的是CPU2。
CPU芯片采用的是TI公司的TMS320C5402DSP芯片。
图3.3D/A单元原理框图
3.3TMS320C5402DSP芯片简介
3.3.1TMS320C54X的基本结构
TMS32C54X（简称C54X）是TI公司为实现低功耗、高速实时信号处理而专门设计的16位定点数字信号处理器，采用改进的哈佛结构，具有高度的操作灵活性和运行速度，适用于远程通信等实时嵌入式应用的需要，现已广泛应用于无线电通信系统中。
TMS32C54X系列DSP芯片种类很多，但结构基本相同，主要由中央处理器CPU、内部总线控制、特殊功能寄存器、数据存储器RAM、程序存储器ROM、I/O接口扩展功能、串行口、主机通信接口HPI、定时器、中断系统等10个部分组成，其内部结构如图3.4。
3.3.2TMS320C54XDSP的中断系统
硬件和软件驱动都可以使C54X产生中断。
软件中断是指由程序指令引起的中断，这类指令有：
INTR，TRAP，RESET。
硬件中断可由外部硬件引发，或由片内外设内部引发。
无论软件中断还是硬件中断都可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。
C54X处理中断按以下三个步骤：
（1）接收中断请求
（2）响应中断
（3）执行中断服务程序
图3.4TMS32C54X内部结构图
1、中断标志寄存器IFR
中断标志寄存器IFR是一个存储器映象寄存器，当一个中断出现时，IFR中的相应的中断标志位置1，直到CPU识别该中断为止。
TMS320C5402中断标志寄存器IFR的结构如下表3.1所示：
表3.1中断标志寄存器IFR
14~15
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
保
留
DM
AC5
AC4
BXI
NT1
BRI
HP
INT
IN
T3
TI
AC0
NT0
T2
T1
T0
若有挂起的中断，在IFR中该标志位为1，通过写IFR的当前内容，就可清除所有正被挂起的中断；
为了避免来自串口的重复中断，应在相应的中断服务程序清除IFR位。
2、中断屏蔽寄存器IMR
中断屏蔽寄存器IMR也是一个存储器映像的CPU寄存器，主要用于屏蔽外部中断和内部的硬件中断。
如果状态寄存器ST1中的INTM=0，IMR寄存器中的某位置1，就能开放相应的中断。
由于
和
都不包含在IMR中，因此IMR对这两个中断不能进行屏蔽。
中断屏蔽寄存器IMR结构如下表3.2所示：
表3.2中断屏蔽寄存器IMR
3、中断操作流程
一旦将一个中断传送给CPU，CPU会按照如下方式进行操作。
中断响应过程如图3.5所示。
图3.5中断操作流程
4、外部中断触发
外部中断触发触发方式有两种，分别是电平触发和边沿触发。
（1）电平触发方式
电平触发方式是指外部的硬件中断源产生中断，用电平表示。
在这种触发方式下，CPU必须有应答硬件信号通知外部中断源，当中断处理完成后，取消中断申请。
（2）边沿触发方式
在这种方式下，外部中断申请触发器能锁存外部中断输入线上的负跳变。
即使CPU不能及时响应中断，中断申请标志也不丢失。
但是输入脉冲宽度至少保持3个时钟周期，才能被CPU采样到。
外部中断的边沿触发方式适用于以负脉冲方式输入的外部请求源。
第四章系统的软件设计
4.1程序设计思路
硬件是系统的基础，软件则是系统的灵魂。
本直流电机单闭环转速控制系统的总体设计方案为：
程序采用前、后台工作方式，前台程序，即主程序，为一个死循环，等待中断；
后台程序则为两个中断服务程序，一个中断服务程序对电机转速进行检测；
另一个中断服务程序进行PID运算得出控制量。
在前台的循环中根据PID运算得出的控制量进行输出，来控制电机转速。
4.2
升级会员 