毕业设计（论文）基于DSP电机控制方法研究.doc

1、 毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目： 基于 DSP 电机控制方法研究 信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 基于 DSP 的控制伺服电机 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。II信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业毕 业 设 计 论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 基于 DSP 电机控制方法研究 2、专题 二、课题来源及选题依据2

2、0 世纪 60 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，有力的推动和促进了 DSP 技术的飞速发展。在过去 20 年间 DSP 技术在电机的控制和通讯等领域得到了飞速的发展。DSP 数字信号处理时利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行分析，采集，合成，变换，滤波，估算，压缩，识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输和应用。与模拟信号相比，数字信号处理具有精确，灵活，抗干扰能力强，可靠性高，体积小，易于大规模集成等特点。在现代社会机械加工对精度的要求日益提高的情况下，DSP 利于实现电机的精确控制来实现。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：1.熟悉 DSP 的发展历程；

3、 2.熟练掌握 DSP 的原理以及硬件结构； 3.熟练掌握 DSP 根据设计要求设计相应的外围电路； 4.掌握 DSP 集成开发环境 CCS； 5.能够熟练使用 C 语言进行编程； III6.熟练使用 CCS 开发软件。 四、接受任务学生：五、开始及完成日期：六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师 签名签名签名教 研 室 主 任学科组组长研究所所长 签名系主任 签名摘要随着 DSP 技术的发展，DSP 的应用范围越来越广，并且伴随着数字化的发展，对电机的控制的精度要求越来越高，DSP 数字化处理能力也得到了质的飞跃。所以学会应用DSP 时非常重要的。本文详细讨论了无刷直流伺服电机，并推述星形

4、接法的数学模型，并设计了数字控制无刷直流伺服电机总体方案，本文采用 PID 控制方法来控制电机，详细介绍了 PID 控制算法。对 DSP 种类进行了简单的介绍，并选择以 TMS320F2812 为基准构建硬件平台，设计了 DSP 供电电源设计，驱动电路的设计，PWM 光电耦合隔离电路的设计，电流的采样电路的设计，对 DSP 进行保护电路的保护电路的设计等。在 CCS 环境下，对程序进行编辑，编写 PID 控制算法程序，对系统的初始化，编码器模块初始化，捕捉模块的初始化，SCI 模块的初始化，以及对数字滤波进行编程。关键词：DSP；CCS；PWM；无刷直流伺服电机IVAbstractWith t

5、he development of DSP technology, DSP application scope is more and more wide. With the development of digital control is higher and higher, The ability of digital handle has own a qualitative leap.So learn to apply DSP is very important.This paper discusses the brushless DC servo motor in detail .T

6、he paper describes the mathematical model of the star connection. I designed the general planning of digital control the brushless DC servo motor, this paper adopts the PID control method to control the motor and introduces the PID control in detail.First the article introduces the DSP types simply

7、and select the hardware platform what is based on TMS320F2812 .I designed the DSP power supply. I designed the drive circuit and the PWM photoelectric coupling isolation circuit.I also designed the sampling circuit and the current of protection .At last I designed the protection circuit.In the CCS e

8、nvironment, I edited the program and written in PID control algorithm.I also completed the initialization of system,the initialization of encoder module , the initialization of capture module ,the initialization of SCI module , and programming of the digital filter.Keywords: DSP; CCS; PWM; brushless

9、 DC servo motorV目 录摘要 .IIIAbstractIV目 录 .V1 绪论 .11.1 本课题的研究内容和意义 11.2 国内外的发展概况 11.3 本课题应达到的要求 22 电机的选择及其结构 .32.1 步进电机 32.3 选择电机 52.4 本章小结 53 无刷直流电机的工作原理及数学模型 .63.1 无刷直流电动机的结构 63.2 无刷直流伺服电动机的位置检测装置 63.2.1 霍尔传感器 .73.2.2 定子绕组连接方式 .73.2.3 开关管控制方法 .93.3 无刷直流电机的暂态数学模型 103.4 本章小结 114 控制方案的总体设计 .124.1 控制方案的

10、框图简介 124.2 无刷直流伺服电动机实现控制的方法 124.2.1 数字 PID 控制算法 .134.2.2 数字控制器设计的方法 .144.2.3 工程设计调节器的步骤 .144.3 PWM 信号产生技术 .144.4 编码器 154.5 电机相电流检测技术 174.6 本章小结 175 DSP 的选择及相应的硬件设计 185.1 DSP 芯片 TMS320F2812 的特点 .185.2 控制硬件的设计 195.3 DSP 外围电路的设计 .195.3.1 电源的设计 .195.3.2 DSP 的晶体振荡器接口电路 205.3.3 时钟电路的设计 .20VI5.3.4 JTAG 电路的

11、设计 215.3.5 异步串行接口（SCI）硬件的设计 .215.3.6 CAN 总线接口硬件设计 .225.4 功率驱动逆变电路的设计 225.4.1 IR2130 芯片具有以下一些特点 .225.4.2 IR2130 结构原理图 .235.5 电机驱动的设计 245.5.1 自举电容的选择和计算 .255.5.2 PWM 驱动信号隔离电路 255.6 霍尔传感器信号电路 275.7 正交编码脉冲信号电路 285.8 控制器保护电路设计 285.9 本章小结 306 控制系统的设计 .316.1 控制系统设计的基本原则 316.2 软件的设计 316.3 DSP 集成开发环境 CCS.316

12、.4 主程序的设计 326.4.1 系统初始化模块 .376.4.2 事件管理器模块 .386.4.3 捕捉模块（cap） 396.4.4 QEP 正交编码器脉冲电路 406.4.5 ADC 模数转换模块 .416.4.6 SCI 模块 .426.4.7 PID 算法流程图如所示 .446.4.8 电流采样数字滤波 .456.5 本章小结 467 结论与展望 .477.1 结论 477.2 不足之处及未来展望 .47致 谢 .48参考文献 .49基于 DSP 电机控制方法研究11 绪论1.1 本课题的研究内容和意义随着科学技术的不断进步，现代机电系统的运动状态越来越复杂，系统控制的要求也越来越

13、高。电动机控制越来越多的应用电动机控制技术，电动机计算机控制具有数值运算，逻辑判断及信号处理功能。DSP 有为实现某一具体特定功能设计的不可编程 DSP，如 FFT 变换器；还有可以通过实现编程实现不同的信号处理功能，具有通用性和灵活性的可编程 DSP。可编程 DSP 作为面向信号处理任务和计算型任务器件，既可以单独应用，又可以和其他的处理器或多个 DSP 一起，构成多处理器系统，使用灵活，适应性强。DSP 系统设计结构简单。DSP 控制电机有以下优点：灵活性好，实时性好，存储能力强，逻辑运算能力强，精度高，稳定性好，可靠性高，具有自诊断能力，抗干扰性强，功能多。DSP 控制无刷直流伺服电动机

14、。随着电子技术的发展，微型处理器的发展，其运算速度及信息量的处理及可靠性和稳定性有了很大的提高，单片机以数字控制能力强为特点，但只能处理简单的系统。DSP 以运算速度快为显著特点。如今电机控制对控制器要求有强大的 I/O 控制功能，又要求控制器有高效的数字信号处理能力以实现实时控制的目的。如今 DSP 价格不断降低且开发工具不断的简化，易于开发者使用。使得如今在实现控制高要求的同时，其使用成本也不断降低。1.2 国内外的发展概况DSP 芯片诞生于 20 世纪 70 年代末，至今已经得到了突飞猛进的发展，目前经历了三个发展阶段。第一阶段，DSP 的产生阶段（20 世纪） 。DSP 芯片出现之前，

15、数字信号的处理是依靠通用微处理器（MPU）来完成。由于通用微处理器的处理速度较低，难以满足实时高速处理的要求。由于具有内部单周期的乘法器，使得芯片的运算速度与数据处理能力及运算精度受到了很大的限制。TI 公司的第一代 DSP 芯片 TNS32010，它通过改进哈佛结构，允许程序存储空间与数据存储空间之间的数据相互传输，大大提高了运算速度和编程的灵活性。第二阶段，DSP 的成熟阶段（20 世纪 90 年代） ，这个时期，国际上许多著名集成电路公司都相继推出了自己的产品。如 TI 公司的 TMS320C20，30，40 系列,AT对称最佳.基于 DSP 电机控制方法研究154.2.3 工程设计调节

16、器的步骤(1)选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态要求，在选择调节器结构式，要是系统成为少量典型系统之一。(2)计算调节器的参数，以满足动态性能要求。4.3 PWM信号产生技术霍尔传感器位置如图所示图 4.3 霍尔传感器的位置图根据无刷直流电机的工作原理，位置信号可以通过检测三个霍尔传感器得到。每一个霍尔传感器都会产生一个 180 脉宽的输出信号，三个霍尔传感器的有 120 相位差。每个机械转动一周有 6 个上升或下降沿，正对应 6 个换相时刻。通过将 DSP 设置为双边沿触发捕捉中断功能，就有 6 中方式。 表 4-1 顺时针通断情况序号 换相控制器 各开关管的通断情况 相电

17、流HAL1 HAL2 HAL3 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 A B CH1 上升 1 0 1 PWM ON 进 出 OFFH3 上升 1 0 0 PWM ON 进 OFF 出H2 上升 1 1 0 ON PWM OFF 进 出H1 下降 0 1 0 PWM ON 出 进 0FFH3 下降 0 1 1 ON PWM 出 OFF 进H2 下降 0 0 1 PWM ON 进 OFF 出表 4-2 逆时针通断情况序号 换相控制器 各开关管的通断情况 相电流HAL1 HAL2 HAL3 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 A B CH1 上升 1 0 1 PWM ON 出 进 OFFH3 上升

18、1 0 0 ON PWM 出 OFF 进H2 上升 1 1 0 PWM ON OFF 出 进H1 下降 0 1 0 PWM ON 进 出 0FFH3 下降 0 1 1 PWM ON 进 OFF 出无锡太湖学院学士学位论文16H2 下降 0 0 1 ON PWM OFF 进 出从上表可以看出电机转子旋转一周需要 6 次换相，换相时隔 60 度。只要按顺序切换通断开关管电机就能旋转起来。根据两次换相时间 ，粗略估计当前转速t0/ (4.8)有时候需要电机停留在固定位置，并且需要一定的转矩。我们可以通过开关管保持现有状况，并通过一定大小的电流，产生转矩。电流大小可以通过改变 PWM 占空比来实现。4

19、.4 编码器编码器的工作原理及作用：它是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。表 4-3 编码器的性能参数参数 数值旋转一周脉冲数 500通道数 3最高工作频率 100续表 4-3参数 数值电源 5V10%相位移动 90e逻辑状态宽度 最小45e信号上升和下降时间 180ns 40ns零位脉冲宽度 90e运行的温度 0-70e最大加速度 250000rad/s通道的最大输出和最小输出电流 20mA 和-20mA基于 DSP 电机控制方法研究17图 4.4 编码器的工作原理图从上图可得知，A,B

20、 两个波形相差 90。根据 A,B 两个相位差可以判断出编码器的转向。I 是编码器旋转一周所输出的脉冲。因为 DSP 内部有自动集成四倍频电路，将外部编码器的输出信号进行倍频处理，这样可以提高精确性。由于是 DSP 自带四倍频功能，不需要外部搭建四倍频电路所以这无疑提高了系统的稳定性及可靠性。利用编码器在周期所产生的脉冲数出，可以计算出电动机的转速，可以根据 KA 和 KB 之间相差的角度，来确定电动机的正反转。 QEP 计算方法：脉冲间隔法和脉冲积分法。脉冲间隔法：在两个码盘脉冲间隔 内插入已知频率的高频脉冲，计算高频脉冲的WT个数，从而计算出转速 。MNfcn/60其中：插入的高频脉冲的频

21、率。M 为脉冲每转个数。 N 为 内高频脉冲的个数。WT特点：假设高频脉冲频率一定时，高于那个转速编码器无法测量。脉冲积分法：在一定的采样周期 内，将来自编码器的脉冲串用计数器累计，然后ST计算电机转速 。smn/60其中 为采样间隔时间，m 为在采样时间内的脉冲数， M 码盘每圈的脉冲数。ST特点：假设 周期内只有一个脉冲，则 n 计算出的就是能够检测到的最小转速。两者互补，数字控制有 M/T。将两者方法结合。既能测高速又能测低速。4.5 电机相电流检测技术利用电阻分压技术来检测电机相电流。由于采用三角形连接，每次通电只有两相通电，故将电阻 R 放置在接地端，以便来实现电流的反馈。每个 PW

22、M 周期内对电流进行一次检测。当 PWM 处于 OFF 时，那个常开的开关管与二极管形成回路，并不经过检测电阻故不能进行电流的反馈。当 PWM 处于 ON 周期内，由于电流上升不稳定，可能会导致检测不稳定。所以采样的时间选择在 PWM 周期的 ON期间的中部。可以利用 DSP 的定时器采用连续增减技术方式时周期匹配事件启动 ADC 转换实现。无锡太湖学院学士学位论文18图 4.5 电流采样图4.6 本章小结本章大概对 DSP 控制电机做了简单的描述，并在控制电机的算法上做了详细的表达，本文采用了 PID 控制算法，实现对电机一种调节。然后分别介绍了霍尔传感器在电机中的位置及其相应的作用，还介绍

23、了编码器的工作原理及其计算转速的方法，最后对电流的检测进行了详细的解释。5 DSP 的选择及相应的硬件设计从 80 年代 DSP 推出以来，迅速发展，产品种类最多，工作速度越来越快。在中国使用最普遍的是美国 TI 公司的 TMS320 系列。 TMS320 系列包含 C2000，C5000 系列，C6000 系列。C2000 系列，主要用于数字控制；C5000 系列，主要用于功耗低，便于携带的通讯设备；C6000 系列，主要用于高性能复杂的通讯系统；TMS320F2812 是目前最好的定点处理芯片。5.1 DSP芯片TMS320F2812的特点(1)高性能的 CMOS 技术，150MHz 时钟

24、频率，低功耗设计（核心电压 1.8V，I/O 端口电压 3.3V） ；基于 DSP 电机控制方法研究19(2)高性能 CPU,16 16，和 32 位的乘法累加运算器，增强型的哈佛总线结构；(3)片上存储器，128K 16 位 Flash 存储器，1K 16 位 OPT 型只读 存储器，两个 4K16 位的单机随即存储器，一块 8K 16 位 SARAM，两块 1K 16 位 SARAM；(4)外部中断扩展模块，可支持 45 个外部中断；(5)三个 32 位 CPU 定时器；(6)两个事件管理器 EVA,EVB；(7)串行接口外设，串行外设接口 SPI；(8)12 位 ADC，2 个 8 通道

25、的输入多路转换器，两个采样保持器，单/ 双路同步采样；(9)最多可以有 56 个可编程通用输入输出引脚；(10)高级仿真性能，设置和分析断点功能，实时硬件调试功能 3。5.2 控制硬件的设计D S P位置调节速度调节电流调节P W M输出S C I模块中断模块A D C 转换模块Q E P模块可逆变计数器编码器捕捉换相逻辑霍尔元件无刷直流电动机电流采样三相全桥逆变电路驱动电路电源模块保护电路上位机图 5.1 控制原理图DSP 控制部分，电机驱动装置，通信设备，检测装置。整个系统硬件电路主要有四部分组成：DSP 控制部分、电机驱动部分，电机和上位计算机部分。(1)DSP 控制部分主要完成 PID

26、 算法的运算、对反馈信号进行处理以及产生控制信号的成；(2)电机驱动部分主要根据 DSP 发出的控制信号完成对电机的控制。同时，还包括反馈信号的处理电路和电机保护电路；无锡太湖学院学士学位论文20(3)上位机部分：通过 SCI 接口实现 DSP 与上位机的数据通信。两者互相传送数据；(4)电机部分：实现系统的要求，并向 DSP 发出霍尔传感器的信号 4。5.3 DSP外围电路的设计5.3.1 电源的设计所有的地最终都要连在一起，原则是要在远端共地，而且只能单点共地。共地时可以通过一个磁珠（就是电感） ，也可以不用。但是一定记住，单点共地，远端共地（一般在电路板的电源入口附近） 。应用板仅有一个

27、外部 5V 电源供电。由于 TMS320F2812 DSP 芯片的供电电压只能是3.3V，核心 CPU 电压为 2.5V 和 1.8V，所以在设计应用板时，需将 5V 电压变换为3.3V,2.5V 和 1.8V 给 CPU 供电，因此使用了电压转换元件 TPS76D318 作为转换芯片 5。图 5.2 供电电源电路的设计5.3.2 DSP 的晶体振荡器接口电路TMS320F2812DSP 应用板应用了一个 20MHZ 晶体振荡器，如下图所示，但是晶体振荡器产生的电平是 3.3V，而 TMS320F2812DSP 芯片的时钟使用的电平是 1.8V，所以必须对输出时钟进行电压的变化才能将两者相连，

28、如下图所示采用 SN74LVC1G14 芯片进行变换。DSPTMS320F2812 具有锁相环的功能，它把一个较低频率的外部时钟转变为片内的较高的时钟。锁相环的倍频可以通过编程来实现（对 PLLCR 寄存器进行编程） 。在使用50MHz 的外部时钟，如果锁相环得到的倍频为 3，即可获得 X1/CLKIN*3=150MHz 的CPU 时钟。基于 DSP 电机控制方法研究21图 5.3 晶体振荡电路的设计5.3.3 时钟电路的设计F28X 提供了两种产生时钟的方案：其一;利用电路板上内部晶体振荡器或利用外部时钟。由于 DSP 要求的时钟信号质量比较高，所以采用了 30MHz 的有源晶振 TXC D

29、EL0430MHz，它的供电范围宽，由于 DSP 要求时钟输入信号电平为 1.8V，所以我们选择 1.8V 的有源晶振。通过 PLL 的倍频功能，将 DSP 配置在 150MHz。图 5.4 时钟电路的设计5.3.4 JTAG 电路的设计TMS320F2812DSP 应用板有一个 14 引脚的接口 P5，该接口是标准的 JTAG 仿真接口，用来调试 DSP 硬件和软件。 JTAG 接口电路硬件如图所示。无锡太湖学院学士学位论文22图 5.5 JATG 电路的设计5.3.5 异步串行接口（SCI）硬件的设计TMS320F2812 DSP 有两个片上的异步串行接口，该串行可以外接 MAX232 串

30、行接收芯片，以便与外部串行接口信号相连。标准的引脚功能如下表所示：表5-1 标准异步串行接口引脚功能引脚号 PC（公插头） TMS320F2812应用板2 Rx，input Tx,output3 Tx,output Rx，input4 DTR,output Reset/CTS,input5 CTD GND8 CTD,input RTS,outputDSP 芯片自身带有两个标准的串行通信接口，但是电平为 CMOS 电平，与 RS 一 232总线电平不匹配，不能直接与 PC 串口连接。为了解决这个问题，本文采用 TI 公司生产的 MAX232 专用电平转换芯片。如图使用一个 8 通道的总线接口芯片SN74AHC245DW。图5.6 SCI电路的设计5.3.6 CAN 总线接口硬件设计CAN 接口器件与 TMS320F2812 DSP 的硬件连接电路如下图所示。使用一片SN65HVD232 接受器来实现与 TMS320F2812 DSP 之间的通信。在电路中，使用一个 4 引脚的插头 P6。