TMS320F2812在电机调速系统中应用.docx
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TMS320F2812在电机调速系统中应用
目录
第1章绪论6
1.1概述6
1.2目的及意义6
1.3电机控制系统实现所包括的内容：
7
第2章系统总体设计7
2.1系统的组成7
2.2DSP芯片的选择8
2.3TMS320F2812DSP控制器介绍8
2.4硬件方面的选取10
2.4.1测速传感器的选择10
2.4.2功率驱动单元10
2.4.3键盘显示方案10
2.4.4PWM实现方案10
第3章系统硬件设计11
3.1电源电路的设计11
3.2功率驱动单元的设计11
3.2.1PWM调速原理12
3.2.2电机驱动电路13
3.3速度检测单元的设计14
3.3.1速度检测的方法14
3.3.2速度检测电路设计14
3.4按键控制单元的设计15
第4章系统软件设计16
4.1主程序的设计17
4.2.PWM波发生程序17
4.3PID控制算法19
4.3.1PID控制原理19
4.3.2系统PID控制20
第5章系统总体调试21
5.1调试准备21
5.2系统调试21
结论23
第六章参考文献24
第1章绪论
1.1概述
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。
1.2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。
1.3电机控制系统实现所包括的内容：
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。
图2-1系统总体框图
2.2DSP芯片的选择
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；
（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TMS320F2812DSP作为直流电机控制系统的微处理器。
2.3TMS320F2812DSP控制器介绍
TMS320F2812DSP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]。
TMS320F2812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
TMS320F2812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。
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。
TMS320F2812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。
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1Mbps，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。
2.4硬件方面的选取
2.4.1测速传感器的选择
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）
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。
2.4.2功率驱动单元
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。
2.4.3键盘显示方案
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。
2.4.4PWM实现方案
基于DSP由软件来实现PWM（定频调宽法）。
在PWM调速系统中占空比
是一个重要参数。
在电源电压
不变的情况下，电枢两端电压的平均值取决于占空比
的大小，改变
的值可以改变电枢两端电压的平均值从而达到调速的目的。
改变占空比
的值有三种方法：
A、定宽调频法：
保持t1不变，只改变t2，这样使周期（或频率）也随之改变。
B、调宽调频法：
保持t2不变，只改变t1，这样使周期（或频率）也随之改变。
C、定频调宽法：
保持周期T（或频率）不变，同时改变t1和t2。
图2-2电枢电压占空比图
第3章系统硬件设计
3.1电源电路的设计
TMS320F2812采用高性能静态CMOS，供电电压为低电压+3.3V，而系统中还有其他一些TTL芯片，需要+5V电压，为此，系统为一个多电源的系统。
电源转换电路的功能是用来产生稳定可靠的3.3V直流电源，提供给TMS320F2812以及整个数字电路工作[10]。
电源插孔J1标识为内正外负，+5V稳压直流电源输入。
TPS7333电源转换芯片作为5V转3.3V的高性能稳压芯片。
并可提供上电复位信号,该信号接到DSP的复位引脚上。
7333输出后的10uF和0.1uF的电容起稳压作用，得到稳定的3.3V电压。
3.2功率驱动单元的设计
功率驱动单元是对来自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。
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。
随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PutsWidthModulation，简称PWM）控制方式已成为绝对主流。
PWM（PulseWidthModulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位[6]。
3.2.1PWM调速原理
直流电动机转速n的表达式为：
（3-1）
公式（3-1）中，U为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；Φ中为每极磁通量；K为电动机结构参数。
所以直流电动机的转速控制方法可分为两类：
对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。
其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。
现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。
绝大多数直流电机采用开关驱动方式。
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来控制电动机电枢电压，实现调速[2]。
图3-2PWM调速控制原理图和电压波形
图3-2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。
图中，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
。
t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。
t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
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中所示。
电动机的电枢绕组两端的电压平均值
为：
（3-2）
公式（3-2）中
为占空比，
=
。
占空比
表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。
如，一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：
1000，也就是说PWM的占空比就是1：
5。
占空比的变化范围为0
l。
由此式可知，当电源电压
不变的情况下，电枢的端电压的平均值
取决于占空比
的大小，改变
值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
3.2.2电机驱动电路
本设计的功率驱动电路采用的是基于双极型H桥型脉宽调制方式（PWM）的集成电路L298N[14]。
L298N是SGS公司的产品，内部包含二个H桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46伏、2安培以下的电机，工作温度范围从零下25°到130°。
表3-1是其使能引脚，输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系。
EnA是控制使能端，控制OUT1和OUT2之间电机的停转，IN1、IN2脚接入控制电平，控制OUT1和OUT2之间电机的转向。
当使能端EnA为高，IN1为高电平IN2为低电平时，电机正转；反之电机则反转。
当IN1和IN2电平相同时，电机停转。
表3-1L298N功能逻辑表
EnA
IN1
IN2
电机转向
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
同IN2
同IN1
停止
L
X
X
停止
图中的EnA（PWM）输入对应LF2407上的IOPA6引脚，IN1和IN2分别对应LF2407上的IOPF3和IOPF4引脚。
接口电路如图3-3所示。
图中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。
需要注意的是，三个引脚信号都应通过光电隔离的变换后再作用于L298N，目的是为了防止因电机启动停止瞬间产生的尖峰脉冲对主控制器的影响。
本设计中的光电隔离采用的是高速光耦6N137，信号经过6N137的隔离后不改变逻辑状态。
当电机要求正转时，IOPF3给出高电平信号，IOPF4给出低电平信号，此时IOPA6的逻辑信号就决定了电机正转的速度，也就是说DSP产生的PWM信号的占空比决定了电机两端电枢电压的大小，从而实现电机调速。
同样，当电机要求反转时，IOPF3给出低电平信号，IOPF4给出高电平信号。
图3-3L298N接口电路
3.3速度检测单元的设计
速度检测单元通过传感器采集电机转速信息，并传送给主控制器，同时与主控制器构成一个闭环回路[7]。
转速的测量主要是借助光电或磁电传感器来实现，其具体做法是：
与电机同轴连接一均匀分布的码盘或直接利用电机来带动码盘旋转，使该码盘与电机轴同步旋转。
光电或磁电传感器发出信号，经过光敏电阻后形成电脉冲，将脉冲送入计数器，通过计算即可得出电机的转速。
3.3.1速度检测的方法
根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有：
M法（测频法），T法（测周期法）和M/T法[7]。
本设计中采用M法来完成对电机转速的检测。
M法基本原理是，在一定的测量时间
内，测速脉冲发生器产生的脉冲数为
。
则电机转速应为：
（3-3）
公式（3-3）中
（r/min）为电机转速，
为电机转一周脉冲发生器产生的脉冲数，即码盘的齿轮数。
3.3.2速度检测电路设计
电机测速模型如图3-4，将栅格圆盘变化通过光电发射器和接收器以及外围转换电路的作用送给DSP通过数学运算得到电机的转速[11]。
图3-4电机测速模型
光电对管产生的脉冲在经过施密特触发器SN74LS14后送入LF2407的捕获单元，捕获单元可以记录在某个时间段内捕获到的脉冲数，从而计算出电机的转速。
具体的接口电路如图3-5所示。
图3-5速度检测电路
需要注意的是，光电对管出来的信号一般为+5V的方波信号，为此需要经过一个电平转换芯片SN74LVC245隔离才能与LF2407的CAP电路进行相连。
电路如图3-6所示。
图3-6电平转换电路
3.4按键控制单元的设计
键盘用于实现DSP应用系统中的数据和控制命令的输入，键盘输入也是单片机应用系统中使用最广泛的一种输入方式。
键盘可分为编码键盘和非编码键盘。
非编码键盘通常是键排列成行列矩阵，按键的作用只是相应的接触点接通或断开，通过软件编程产生按键的键码[15]。
本设计中的按键模块是电机控制的关键，通过按键的输入可以实现改变电机的正反转和调速功能。
DSP在每个周期内对键盘进行一次扫描，即定时扫描方式，若
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