基于DSP的直流电机控制系统设计.doc

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1、 摘 要近年来，电机控制技术、微电子技术和电力电子技术在快速发展，直流电机由于自身的高性能被大量应用。直流电机具有结构简单、运行可靠和维护便捷等优点，同时具有输出转矩大、运行效率高的优点，因此在运动控制领域取得广泛应用。尤其在高性能的运动控制系统中，对无刷直流电机性能的要求一直在提高。在电机本体优化设计、电力电子设备控制跟控制策略等方面对电机性能进行改善，会产生很大的经济效应。 在大量对无刷直流电机控制系统的发展应用文献调研为基础，本文采用TI公司的TMS320F2812芯片为控制核心，控制对象是直流电机，研究基于DSP的直流电机控制系统。本文对电机本体的基本结构和控制算法进行分析，研究如何使

2、电机平稳起动，提高系统的调速性能。其次，根据电机及DSP芯片的特性，得出无刷直流电机闭环控制系统设计方案，由此对硬件和软件进行设计。硬件部分主要电路包括电源电路、位置检测电路、驱动电路和保护电路；在软件部分根据控制策略，在开发软件CCS中用C语言编写主程序、初始化程序和中断服务程序等模块。最后给出实际电机控制系统运行时的实验测试情况，给出了转速的实验波形，设计的控制系统能稳定调速，结果比较理想。 关键词：直流电机；DSP;PIDThe Design Of DC Motor Control System Based On DSPABSTRACTIn recent years, with the

3、rapid development of control technology, microelectronics technology and power electronic technology,DC motor has been widely applied because of its high performance. DC motor has advantages of convenient maintenance, reliable operation and simple structure, but also has high torque, higher operatin

4、g efficiency advantages. So it has a wide range of applications in the field of motion control. Specially, in the high-performance motion control, the requirement of performance of DC motor has being improving. Based on researching vast literatures about the application research of DC motor control

5、system development, this document studies the sensor DC motor using DSP, which use the TMS320F2812 chip as a control core and the DC motor as the object. In this document, the basic structure of motor and control algorithm is studied in order to make the motor smooth starting and improve system perf

6、ormance. Besides, according to the characteristic of motor and DSP chip and systems requirements, the design scheme of DC motors control system has been completed. The hardware part includes power supply circuit, current detection circuit, protection circuit and drive circuit. The software part cont

7、ains main program, initialization program and interruption program. Finally, experimental research is made on the worktable, and got the rotate speed fluctuation. The control system designed is stable in this paper, and it has good speed adjusting performance and a wide speed range. Key words: DC mo

8、tor; DSP; PID 目 录1.1课题研究的意义51.2直流电机调速国内外研究现状51.2.1 改进调速方法61.2.2 提高系统性能的控制算法。61.3 课题研究的主要内容及章节安排62 无刷直流电机控制原理及相关技术82.1 直流调速系统PWM控制方式822 转速单反馈闭环调速系统92.2.1 转速单反馈闭环系统的静特性102.2.2 转速单反馈闭环系统的稳定性113 系统硬件设计1231 主电路设计1232 控制电路硬件设计123.2.1 控制芯片DSPTMS320F2812简介133.2.2 DSP电源设计133.2.3 电机驱动电路143.2.4 转速检测电路153.2.5 故

9、障保护电路173.2.6 DSP与JTAG接口设计173.2.7 DSP 串行接口设计184 系统软件设计194.1 DSP软件开发环境简介194.2 直流调速系统软件设计204.2.1 数字测速方法214.2.2 捕获中断234.2.3故障中断254.3 数字PID算法及其应用264.4小结285 系统调试与分析295.1 系统开发主框架295.2 系统调试29第六章 总结与展望336.1 系统设计总结336.2 进一步研究方向33致 谢35参考文献361 绪论1.1课题研究的意义在现代工业中,生产机械根据其工艺特点,对出现拖动的电动机提出各种不同的要求,有些要求能迅速起动、制动和反转;而有

10、的要求多台电动机之间的转速能按一定的比例协调运动;也有的需要电动机达到极慢的速度运动;有的要求电动机起、制动平稳,并且能准确的停在给定的位置。由此可见各种拖动系统都是通过控制转速使得控制转矩来实现的。1与交流电机相比,直流电动机由于具有调速性能好、稳定性好、静差率小以及具有良好的动态性能、运行效率高的优点,因此在很长的时期内,高性能调速系统几乎都采用直流调速系统。1.2直流电机调速国内外研究现状目前,我国直流调速控制主要在以下几个方面进行研究。1.提高调速的单机容量.我国现有的最大单机容量比国外单机容量小很多。2.提高电力电子元器件的生产水平,并增加品种。3.提高控制单元的水平.目前国内使用较

11、多的仍是小规模集成运放和组件组成的调速控制系统,触发装置有的仍是分立元件。目前,国外第四代产品以微处理器为基础,具有控制、保护、监视、诊断及复原等多种功能。近年来,各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究,利用监测定子电流、电压等易于测量的物理量进行速度估算,以取代速度传感器,这样的控制方式不需要监测硬件,也免去了传感器带来的环境适应性、维护和安装等麻烦,提高了系统的可靠性,降低成本,引起了国内外学者的广泛兴趣。目前,国外主要电气公司,例如德国西门子公司、日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等,都己开发出全数字直流调速装置,有成熟的标准化、系列化、模块化的应用产品供选用。随着现代控制理论的发展

12、,自适应控制、人工神经网络、模糊控制等各种智能控制策略不断涌现。在集散型计算机控制系统方面国外已有定型成套装置。对复杂的电气自动化系统实现在线实时控制,技术已过关,尤其使用了单片机使控制更方便、可靠,更易调节参数。目前发展方向是智能化和大型化。我国目前还很少有自主的系列化全数字控制直流调速装置实现商用。由于进口设备价格昂贵,于是给了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。本课题正是由于这样的需求而产生。此外,由于计算机控制技术的发展,实时运行的图形功能强,对控制过程的参数和状态就有了更直观的了解,便于对系统进行在线的监控管理。1.2.1 改进调速方法因为电机调速主要通过改变转子转矩来实现，所以直

13、流电动机的调速方法主要有三种： a调节电枢供电电压 U。改变电枢电压主要从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下调速，属恒转矩调速方法。对于要在一定范围内无级平滑调速的系统而言，这种方法最好。电枢电流变化遇到的时间常数小，能快速响应，但需要大容量可调直流电源。 b改变电动机主磁通 。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电机额定转速向上调速、属恒功率调速方法。电枢的电流变化时所遇到的时间常数要大很多，响应速度较慢但所需电源容量小。 c改变电枢回路电阻 R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没有什

14、么调速作用；在调速电阻上消耗大量电能。 改变电阻调速的缺点很多，目前很少采用仅在有些卷扬机、起重机以及电车等低速运转时间不长或调速性能要求不高的传动系统中采用。其弱磁调速范围不大，往往和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围升速。因此，自动控制的直流调速系统一般以调压调速为主，必要时把弱磁调速和调压调速两种方法配合起来使用。21.2.2 提高系统性能的控制算法。 根据自动控制理论，高质量控制系统必须为含负反馈的闭环系统。控制精度、抗干扰能力和稳定性是衡量系统整体性能高低的重要因素，要使系统有较高的控制精度和稳定性和较强的抗干扰能力，采用合适的控制方法至关重要。而随着直流电动机的不断发展，其性

15、能的不断提高，需要配合更加先进的控制算法构成高性能的控制系统。同时，传统的控制器已无法满足这种对控制精度日益提高的要求，34而近年来智能控制理论发展迅速，这些理论的共同特点在于无需对象精确的数学模型并具有较强的鲁棒性，所以很多学者都将智能控制方法(如模糊控制、专家系统、人工神经网络控制等)引入电动机控制系统，这也是将来一段时间内直流电机高性能的调速系统的主要研究方向。1.3 课题研究的主要内容及章节安排 在研究全数字无刷直流电机控制系统基础上,提出了一种以DSP为控制器的无刷直流电机智能控制系统。系统选用了TI公司的TMS320F2812高性能数字处理器,由此设计出基于DSP的数字直流电机的控

16、制(DC)系统。本论文共分为五大部分,内容如下综述:(l)介绍了无刷直流电机控制系统的发展、研究现状以及未来趋势,并且详细说明课题研究的现状和意义,在最后对论文的具体工作做出简要概括。(2)对直流调速系统的结构和原理做了概述,数学模型以及电机控制中应用的一些关键技术:如启动技术、PWM控制技术等,并对其进行概括研究。(3)首先根据系统的性能指标详细介绍电机控制系统的硬件平台,然后介绍数字信号处理器TMS320F2812。接着从硬件角度对DSP的控制子系统、电源电路、检测电路、驱动电路等进行详细介绍。(4)根据DSP直流电机控制系统的硬件基础,进行了软件程序代码的编写、调试,使用的是以CCS4集

17、成开发环境为软件开发工具。整个软件设计采用的是模块化设计思想,并且给出了部分的流程图。并且最后对软件和硬件构件部分进行了调试。(5)对本课题的研究结果进行分析和总结,对研究中存在的问题和不足之处进行了分析,并对下一步工作进行说明。2 无刷直流电机控制原理及相关技术2.1 直流调速系统PWM控制方式直流调速系统采用的是PWM控制方式，简要介绍一下基本原理： a原理图 b 波形图图2-2 PWM的原理图和电压波形在原理图2-2a中,VT表示电子开关器件,VD表示续流二极管。在VT导通时,直流电源电压Us加到电动机两端上;在VT关断时,直流电源与电机脱离,电动机电枢经VD续流,两端压降接近于零。如此

18、反复,电枢端电压波形如2-2b所示。这样,电动机得到的平均电压为:Ud= (2-1)上式中T为可控电子器件VT的开关周期;ton为导通时间; 为占空比; =ton/T=tonf; f为开关频率。5图2-3a为可逆脉宽调速系统的基本原理图,由VTIVT4共4个电力电子开关元器件构成桥式可逆脉冲宽度调制的变化器。VTI和VT4同时导通或关断,而VTZ和VT3同时通断,这样电动机M的电枢两端承受+Us或-Us. 在第一个PWM周期内,0tton时,Ug1和Ug4同时为高电平,开关VT1和VT4同时导通,此时,Ug3和Ug2同时为低电平,使开关管VT2和VT3都处于截止状态,这时直流电动机的电枢电流从

19、VT1经电机流过VT4,电枢电压为正。当tont0.5时，电机正转；当0,a10,a20,a30,a1a2-a0a30,对比式（2-9），可得解得其中，Kcr是系统稳定的临界开环放大倍数。根据劳斯判据，当KolKcr,该系统实际上不稳定，无法正常运行。为了使系统稳定，应该设法使临界开环放大倍数的值变大，即增大Kcr的值。6783 系统硬件设计31 主电路设计如图3-1所示是桥式直流脉宽调速系统主电路。PWM变换器需要的直流电源通常由交流电网通过不可控的二极管整流器产生,采用大电容C滤波,这样获得恒定的直流电压Us。由于一般电容容量较大,突加电源时相当于短路,会产生很大的充电电流,这样容易损坏整

20、流二极管。为了限制充电电流,一般在整流器和滤波电容之间串入一个限流电阻R1,合上电源后,延时用开关将R1短路,防止在运行中造成附加损耗。 对于PWM变换器中的滤波电容,作用除了滤波之外,还有当电机制动时起吸收运行系统电能的作用。由于直流电源通过二极管整流器供电,不可能回馈电能,电机制动时只能对滤波电容充电,将使电容两端电压升高,即泵升电压。在含大容量或负载有较大惯量的系统中,不能只靠电容器做到限制泵升电压,这时,可以采用上图中的镇流电阻R2消耗部分电能。分流电路靠开关器件G5在泵升电压达到允许数值的时候接通。这就是通常所说的“卸载”。9 图3-1 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路32 控制电路硬

21、件设计控制电路以DSPTMS320F2812为控制核心,以隔离驱动单元、电源模块、AD采样单元为辅助电路,再配以显示、按键等外围电路。10A/D采集给定的速度信号，光电编码器QEP输入接受反馈的位置和速度信号，两个事件管理器EV分别控制一路相互独立的PWM信号并控制电机的启停和正反转。3.2.1 控制芯片DSPTMS320F2812简介TMS320F2812是一款32位定点DSP控制器,为目前控制领域最先进的处理器之一。其最高频率可达150MHz,因此性能远超传统的16位微控制器和微处理器,能够大大提高控制系统的芯片处理能力和控制精度。这款芯片基于C/C+高效32位TMS320C28xDSP内

22、核,并提供了浮点数学函数库,从而在定点处理器上能够方便地实现浮点运算。F2812采用了高性能静态CMOS技术,使核心供电电压降为1.8V,I/O电压为3.3V,这样大大减小了控制器的功耗;还采用多总线的哈佛结构,增强了处理器的处理能力;还具有精简指令系统(RISC),使CPU能单周期执行寄存器到寄存器的操作,并能够工作在冯诺伊曼模式;片上还集成了丰富的外设资源,如事件管理器EV,ADC模块、外部中断接口、SCI和SPI通信接口、存储器及接口等,大大简化了外围硬件电路的设计,并降低硬件成本提高系统的可靠性。113.2.2 DSP电源设计DSP所需电源是3.3V,且对电源的可靠性要求高,辅助电源模

23、块所提供的是最低电压是5V,需要进行电压转换。AMS1117是一款电压调节器,输出电压可以是固定的,也可以是可调的。我们采用这个稳压器把5V转3.3V,它其具有功耗小,低漏失电压等特点,1A输出电流时压降仅为1.2V ,完全能够满足DSP对电源(最小3V,最大3.6v)的要求,而且TPS7333的/reset引脚在系统刚上电后或系统欠压恢复后提供一个宽度为20ms的低电平,帮助微处理器可靠复位。DSP电源设计如图3-2。图中/RS引脚接的是DSP的复位引脚,3.3V为DSP提供数字电压,3.3VA为模拟电压。图3-2a 输出3.3v电路图3-2b 输出1.8v电路3.2.3 电机驱动电路本系统

24、根据电机型号选用的驱动芯片是专用于驱动直流电机的H桥组件BTS7960。BTS7960是一款应用于驱动直流电机的大电流半桥芯片，它自身带有一个P沟道的MOSFET和一个N沟道的MOSFET和以及驱动集成电路。P沟道高边开关由于没有电荷泵的需求, 因而减小了电磁干扰。通过驱动集成技术，逻辑电平输入、电流取样诊断、转换速率调整器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路结构轻易地连接到一个微处理器上。BTS7960的通态电阻典型阻值为16m，驱动电流最高可达43A。12BTS7960有单极性和双极性两种驱动方式。采用双极性驱动时,电动机的电枢电压极性呈正负变化,虽然低速能够平稳运行,但是还存在功率损

25、耗大、电流波动大的缺点,而且还有存在上、下两个开关管直通的危险,必须增加死区控制来避免这种危险。13此种方法也限制了开关动作频率的提高。因此本系统采用单极性驱动方式,它的驱动电路如图3-3所示。图3-3 全桥驱动示意图在图3-3中,BTS7960的芯片内部为一个半桥。INH引脚为高电平，使能BTS7960。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=1且 INH=1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平；IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平。SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。14IS引脚是电流检测输出引脚。 图

26、3-4 BTS7960B原理图3.2.4 转速检测电路转速检测是转速闭环控制的关键环节,因为它是转速控制的反馈量,所以检测的精度直接影响闭环控制的精度。目前的常用测速装置有测速发电机、光电旋转编码器等。然而,测速发电机输出的是一个脉动的电压值,并且在实际的运行中,会因周围环境的温度变化、换向器与电刷的接触电阻随负载电流的变化而变化等因素影响,造成输出存在线性误差。但是,具有数字测速功能的光电旋转编码器具有分辨能力强、测速精度高、受器件影响小等优点,广泛应用于调速要求高、调速范围大的伺服系统和调速系统。光电旋转编码器是转角或旋速的检测元件,它与电动机同轴相连,当电动机转动时,光电编码器的码盘会随

27、着电机的轴一起转动,从而会发出转速信号或转角信号。光电式旋转编码器分为增量式和绝对式两种。绝对式光电编码器通常用来检测转角,而增量式光电编码器通常用来检测转速,并且可以测定电机的运动方向。15本系统采用的光电编码器是欧姆龙E6A2-CS3C,工作原理是:在刻度盘上均匀分布着一定数量的光栅,在红外对射式发光装置存在物体隔断红外光线时,输出低电平,反之,当没有物体隔断红外光线时,它会输出高电平。因此,把对射式红外光电传感器和具有一定数量光栅的码盘一起使用时,可得到转速与频率成正比的方波脉冲系列,再通过一定关系的变换可得到当前转速值。该编码器具有如下功能：1有内部整形电路及数字滤波功能;2.可消除抖

28、动误差;3.具有正方向脉冲、逆方向脉冲、双向脉冲及方向指示输出功能;接口电路图如下图3-4所示：图3-5 欧姆龙E6A2-CS3C接口电路3.2.5 故障保护电路TMS32OF2812为用户提供了两个功率器件故障保护硬件电路接口和,两个管脚功能一样,当管脚电平被拉低时,DSP立即将其对应的事件管理器所有的PWM管脚设为高阻态,从而封锁其PWM输出。故障保护一般会采用软、硬件联锁的方式,对于故障信号的反应硬件比软件更迅速。在本系统主要考虑的有两个故障输出信号,分别是驱动电路的过流和过热输出信号。但它们都不能直接接到事件管理器的管脚,需要对其进行处理和光电隔离之后才能接管脚。16其保护电路如下图所

29、示。由于过热信号和过流信号刚好相位相反(即过热信号引脚输出为高电平时,则表示正常,输出是低电平时,表示过热;而过流信号刚好与之相反),所以要对过热信号先进行反相,再和过流信号进行或操作,然后通过光耦芯片接入事件管理器的引脚。图3-6 故障保护电路3.2.6 DSP与JTAG接口设计DSP仿真器通过DSP芯片上提供的扫描仿真引脚实现仿真功能,扫描仿真消除了传统电路仿真存在的电缆过长会引起的信号失真及仿真插头的可靠性差等问题。采用扫描仿真,使得在线仿真成为可能,给调试带来极大方便。JTAG接口电路如图3-7所示。图3-7 JTAG接口电路3.2.7 DSP 串行接口设计 RS一232是现在应用最广

30、泛的一种串行通信接口。EIA-232是用正负电压表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。为了能够与计算机接口相连接，必须在EIA232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，采用MAX202芯片完成智能仪表与计算机的异步串行通信，电路设计如图3-8所示。图3-8 串行接口电路4 系统软件设计4.1 DSP软件开发环境简介一个好的软件系统开发环境不仅功能强大、使用便捷,而且可以使开发人员工作效率高、缩短系统的开发时间,因此,这里选用的开发软件是目前最先进、使用范围最广泛、功能最齐全的CCS软件。CCS是TI公司针对自己所有系列DSP开发而研发

31、的一个完整的集成开发环境软件,它将创建DSP应用程序所需的工具全部集成在一起。其中主要成分包括:C/C+编辑器，汇编优化器和连接器(代码生成器)；主机和目标系统之间的数据传递(RTDX)；智能化的集成开发环境,包括CodeMaestro技术；实时的嵌入式操作系统(DSP/B105)；高级触发事件；指令集仿真器；数据的可视化；更新指导。CCS具有强大的调试功能,如设置断点,断点处查看变量或寄存器的值,具有可以选择的单步跟连续运行模式,具有可视化界面能监视信号数据等功能,为系统的开发提供便捷的软件调试环境。17基于CCS的开发流程如下图4-1所示。4.2 直流调速系统软件设计数制系统的硬件一般通过

32、软件来实现管理,因此系统的硬件是否按预期的控制规律正常工作,取决于系统的软件结构是否合理。这里所设计的基于DSP直流调速系统的软件结构主要通过主程序和中断服务子程序两个部分构成,用以实现控制系统达到的控制策略及对系统硬件设备的管理。18主程序主要完成的是实时性要求不高的功能,例如系统初始化、中断设置还有循环设置等功能;而中断服务子程序则达到实时性较高的功能,基本用来实现本系统要采用的单闭环调速控制策略。中断服务子程序则包括AD采样中断、转速捕获中断、故障保护中断。整个直流调速控制系统的程序流程图如下4-2所示。 4-2 控制程序流程图为了保证控制系统的正常运行,各个中断服务子程序的中断级别设定

33、也非常重要,否则,如果是由于中断级别设置的不合理,可能永远都不会响应到某个中断服务子程序。该系统所有的中断服务子程序的优先级别设定如下:故障保护中断服务子程序的中断优先级最高,AD采样的中断服务子程序次之,然后才是转速捕获中断服务子程序。19由于本系统所使用的某些中断服务子程序的中断级别已经在外设中断模块(PIE)中设定,假设用的是同一事件管理器,那就不用考虑中断级别,因为这样内部设定已经满足系统的要求。如果使用了两个事件管理器，那么需根据外设中断模块(PIE)中提前设定好的中断优先级高低,再考虑选用合适的输入管脚满足上述的中断级别设定要求。204.2.1 数字测速方法采用光电编码器有三种数字

34、测速方法：M法、T法和M/T法。21 1 M法测速原理：在选定时间T内,使用2812内部事件管理模块(事件管理器A或事件管理器B)中的捕获单元对光电编码器输出的脉冲序列进行捕捉,得到在时间T内捕捉到的脉冲数m,再用m除以T就能得到当前T时间内的采样脉冲频率f。最后通过关系式(4-l)就能得到当前转速值n。 n=60000m/(Z*T) (4-1)2 T法测速原理：把2812内部事件管理器(EVA或EVB)中的某个定时器的工作状态设置为高频递增计数模式,就是让这个定时器作为一个频率为f的高频时钟。再利用事件管理器中的捕捉单元对光电编码器输出的脉冲序列进行捕获,如果捕捉到连续的两个脉冲上升沿(或下

35、降沿)时,就用第二次捕获到脉冲时定时器的当前计数值m2与第一次捕获到脉冲时定时器的当前计数值m1相减,这样就可以得到一个脉冲周期内高频时钟的计数值m,然后通过式(4-2)计算出当前采样脉冲的周期T。再通过关系式(4-3)就能算出当前的转速值n。 T=(m2-m1)/f=m/f (4-2)n=60000/(Z*T) (4-3)其中，Z为光电编码器的光栅数，即电机旋转一圈产生的脉冲数为Z，f为时基时钟频率。T法适合低速测速。223 M/T法测速原理：M法测速适用于高速段测速,T法测速适用于低速段,而M/T法则兼顾前两种测速方法的优点,它的测速范围明显大于前面两种。其测速原理为:M法和T法测速必须同

36、一时间开启与停止,即当脉冲上升沿(或下降沿)到达时,两个计数器就同时允许开始或停止计数。即在检测时间T内编码器输出脉冲个数M1,并且同时检测出频率为f的高频时钟计数值M2,通过式(4-4)就能计算出当前转速值n。n= (4-4)其中，Z为光栅数。虽然在理论上来说,M/T能同时满足高、低速测速精度,但在实际上,由于本系统使用的编码器光栅数为45,额定转速为3000r/min,从分辨率的角度来看,M法的分辨率为 Q= (4-5)Z是光栅数量，T是采样周期。T法的分辨率： Q= (4-6)其中，Z是光栅数，f为高频时钟频率，M是计数脉冲。由于本系统使用的高频时钟频率为75MHz,编码器光栅数为45,

37、因此采用M法进行测速的最高分辨率为Q=600000/(45*0.01)=133300。而使用T法进行测速的最低分辨率Q=(60000*75*106)/(45*33333*33332)=90。由上面分析可得,T法最低分辨率也比M法的最高分辨率高出几个数量级。因此，T法测速能使测速精度得到保证,其余的两种方法测速精度没有T法效果好。234.2.2 捕获中断捕获中断服务子程序的作用是检测直流电机的当前的运行转速值,也就是为转速闭环调节提供反馈量。24本系统所采用的测速方法是M法测速,因此捕获中断的周期是固定的,它不随着转速的快慢而变化。每个捕获单元带一个专用的两级深的FIFO堆栈,每捕捉到一个上升沿

38、脉冲,捕获单元就将通用定时器(高频时钟)当前的计数值写到FIFO堆栈中。如果捕获单元检测到带有连续的两个上升沿脉冲时,系统就会进行一次捕获中断,再通过M法测速原理和FIFO堆栈里的计数值,就能计算出相应的转速。25由于本系统使用的编码器光栅数比较少,当转速为1500r/min时,大约1ms才能得到一次转速值,当转速降到300r/min时,大约5ms才能得到一次转速值,所以本系统转速环采用的是变周期调节方式,即每当捕捉到一个转速值就对转速进行一次调节,这样就能达到根据实际情况来快速调节的效果。这样就能避免定周期调节时,低速时出现过调节现象,导致系统达到稳定的运行状态所需时间较长。26下图4-3为

39、捕获中断服务子程序的流程框图。代码部分见图4-4274-3 捕获中断服务子程序流程图4-4 捕获中断代码4.2.3故障中断故障中断服务子程序是为了当控制系统出现意外不可控的情况时,DSP立即对此进行中断处理,以便能够及时地保护系统。2829例如当检测到电机驱动芯片所输出的过流和过热信号(即引脚为低电平)时,所有PWM输出引脚都设置成高阻状态,并置位中断标志位,如果此中断并未受到屏蔽,就进对它行中断处理,避免发生故障进一步扩大的情况。下图4-4为故障中断服务子程序所对应的流程图。30314-5 故障中断保护服务子程序流程图4.3 数字PID算法及其应用本系统要实现转速闭环，要对转速信号进行采样并

40、计算，然后与给定值进行比较，并采用相应的算法进行调节。其流程图如图4-6所示。PID算法是目前电机控制领域中使用最多的控制算法。其中目前使用的数字PID算法在各个控制策略中占据很大的优势。PID算法由三部分组成，分别是比例、积分和微分环节。如果精度要求不高的话，只需要比例和微分环节就能达到所需要的控制效果。原来经典的模拟PID算法在数字信号处理领域中应用就得到了数字PID算法,增量式数字PID算法是一般使用较多的数字PID算法,它具有控制效率高，软件易于实现的特点。4-6 转速闭环控制流程图PID各校正环节的作用如下：比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。积分环节主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越大,则积分的作用越弱,反之则越强。 微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号值变得太大之前,在系统巾引入一个冇效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。由于各校正环节的特点不同,控制器可有比例微分PD、比例积分PI和比例积分微分PID三类调节器。由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度,却是以对快速性的限制来换取系统的稳定。由于本系统对于快速性的要求不