基于TMS320LF2407A的直流电机调速系统的设计

1、现代化建设离不开机械，而机械运转的动力很多是由电机提供的，这主要包括了直流电机和交流电机两种，虽然交流电机的发展将最终取代直流电机，但直流电机还将在很长一段时间里一直占据重要地位。直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛地应用。特别是如轧钢机、龙门刨床和高精度机床等传动中，直流电机都占主要地位。1、直流电机概述直流电机调速方法定子励磁绕组通过直流电流I时产生励磁磁势F和主磁通。电枢绕组通过电枢电流I，则产生电枢反应磁势F。由于直流屯机的电刷在几何中线AB上，因此励磁磁势F与电枢反应磁势F。正交。通常直流电机在其主磁极上加有

2、补偿绕组，电枢反应磁势对主磁通没有影响。直流电机电枢绕组中的电流I。与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。 因此，调速方法三种：(1)调节电枢供电电压u改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。I变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。(2)改变电动机主磁通西改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。I变化时遇到的时问常数同I变化遇

3、到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。(3)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：空载时几乎没什么调速作用；在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压凋速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高

4、或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压凋速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速(即电机额定转速)以上作小范围的弱磁升速。因此，现实中直流调速系统往往以调压调速为主。1.2直流调速系统发展因为直流电机调速主要采用调压调速，调节电枢电压需要有专门的可控直流电源，所以，以可控直流电源的发展可把直流电机调速分

5、为三个阶段:旋转变流机组;静止式可控制整流器;直流斩波器或脉宽调制变换器。20世纪60年代以前广泛使用的是旋转变流机组，由交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流i，即可改变输出电压U，从而调节电动机的转速刀。这样的调速系统简称G一M系统。系统设备多，体积大，费用高，效率低，安装需打地基，运行有噪声，维护不方便。此后，开始采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。静止式变流装置供电的直流调速系统最开始时采用的是闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统。它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还大大缩短了响应时间，但闸流管容量小，汞弧整流器造价高，维

6、护麻烦，万一水银泄露，将会污染环境，危害人身健康。1957年，晶闸管的问世使变流技术产生了根本性变革。通过调节GT的控制电压姚来控制触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压价，从而实现平滑调速。与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也有较大优势。但是晶闸管属于半控型器件，使得其在V-M系统中的应用受到一定限制。到了20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，出现了全控型器件一GTO、MOSFET、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成各种脉冲宽度调制的开关电路，简称脉宽调制变换器 (PWM)。80年代，以

7、晶闸管为功率开关器件的斩波调压调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广。但晶闸管斩波调速器不足之处是:晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，增加了装置的成本和换流损耗;电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低;此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高(一般在30OHz以下)，电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重。随着现代电力电子技术的发展，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件(IGBT等功率器件)作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案，使直流电动机系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。

8、1.3 直流调速系统国内外发展现状我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速地发展和广泛地应用。目前，用于中、小功率的晶闸管直流调速装置己作为标准化、系列化通用产品批量生产，用于大功率的200OKW系列产品也开始在某些大型轧机上试用。晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛地应用。随着各种新型控制器件的发展，直流电动机晶闸管调速系统除向大功率(单机容量已达数千瓦)发展以外，正在实现控制单元标准化、集成化、小型化、积木式组合化。对某些中小功率装置，正在做到使电动机和控制设备组和一体化。尤其是近年来，国外各厂家竟相推出全数字化直流调速装置，使得直流调速系统

9、在理论和实践方面都迈上了一个新台阶。国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均己开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制、补偿PID控制、PID算法优化，很少将模糊控制等智能技术应用于其中。随着新型电力半导体器件MOSFET、IGBT等的发展，开关器件具有了开关速度快、驱动简单和可自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。我国直流速正向着脉宽调制方式发展。数字控制可由通用的DSP来实现，DSP除完成数字运算外，还可以实现PID以及其它各种特

10、殊的控制算法，可以存储和计算不同条件下的速度设定值及变化规律。此外还可以对各种工艺参数进行检测、显示、越限报警和打印报表等，通过总线控制还可以用一台计算机控制多台调速装置，这些技术特点为直流调速控制器装置迅速由模拟向数字化转化。连续控制系统中由模拟电子电路构成的调节器，由于校正参数不容易调整，对控制对象适用能力差，难于实现各种新型的控制方法。此外，模拟电路对状态量的检测精度不高，模拟式元件集成度不高，这些制约了电气传动的发展。随着DSP技术、超大规模集成电路、新型电力开关器件和传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置不断向前发展。DSP技术的应用使电

11、气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以DSP为核心的多种交、直流电气传动装置。1.4本文研究的主要内容直流调速系统采用DSP实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向。采用DSP控制后，整个调速系统可以实现全数字化，结构简单，可靠性提高，操作维护方便，电机稳态运行时的精度可达到较高水平，各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。TMS320LF2407A自身带有高精度A/D转换器以及PWM脉宽调制电路，还嵌入了许多外围设备，这些都使其非常适合于直流PWM调速控制，从而能够成功解决以往同类产品实现调速控制时软件开销大，实

12、时性不强的问题。在通过DSP控制速度的同时，也结合了PID数字调节器，这样可以精确控制速度，以此消除以往其它控制方式所产生的稳态误差及更有效地消除电路的干扰。2基于DSP控制电机的工作原理2.1 连续控制与数字控制的特点连续控制系统是以反馈控制理论为基础，由模拟电子电路构成控制器，因而存在如下主要弱点：(1)由运算放大器构成的PID调节器，其参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象的变化自适应能力差；(2)模拟控制器很难实现高级的控制策略和控制方法，难以实现对交流电机这样复杂对象的控制；(3)受成本的限制，对反馈量的模拟电路检测精度不高，因而控制精度也不易提高；(4)用模拟器件构成的控制

13、电路集成度不高，硬件复杂，可靠性低，可重复性差。因而，连续控制已经不能适应运动控制系统的发展需要。以微处理器为核心的数字控制系统，不仅克服了上述连续控制的弱点，而且可以实现原连续控制不可想象的高复杂程度、高精度的控制，为运动控制注入了新的活力，并将其推向更高的发展阶段。数字控制的主要特点如下：(1)控制系统集成度高，硬件电路简单而且统一，可靠性高，可重复性好，对于不同的控制对象和控制要求，只需改变控制算法软件即可，可以实现同一控制器既可控制直流电机又可控制交流电机。(2)数字控制器的输入输出通道可以实现控制量的模拟输出、反馈量的数字输入，具有数据采集速度快、值域范围宽、分辨率高、精度高等特点，

14、为实现高性能的运动控制系统打下了基础。(3)采用高速数字信号处理器为控制器，可以实现复杂的高性2.2 基于DSP控制电机的主要特点电动机的DSP控制系统大都是数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统则是当前发展的方向。在电动机的DSP控制系统中，通常存在模拟信号和数字信号，既有连续信号，又有离散信号。例如：电动机的电流和电压为连续模拟信号，它们经过采样保持后成为离散模拟信号；利用键盘输入的给定信号是数字信号，绝对编码器检测的位置信号也是数字信号。虽然DSP有模数转换接口，但是模数转换需要花费芯片的计算时间，而且DSP操作运算时只能识别和处理数字量，只能依次处理，所以DSP与外界信息传

15、递和处理总是一个采样过程，电动机的DSP控制系统也必然是一种离散系统。传统的数字控制系统一般以单片机作为其控制核心，采用DSP作为直流电机的控制核心则有单片机无法比拟的优势：运算速度快、精确度高、存储量大，并且具有逻辑控制功能以及各种中断处理能力，丰富的数字输入输出端口，以及电机专用的PWM输出口。DSP将这种控制硬件集成在一个芯片之中，芯片的功能也会随着集成电路技术的不断进步而变得越来越强大。基于DSP的电机控制主要有以下特点：(1)DSP芯片采用哈佛结构或者采用改进的哈佛结构，其数据与程序运用相互独立的总线结构，从而计算能力有效提高。DSP芯片具有丰富的逻辑判断功能以及大容量的存储单元，一

16、些复杂的控制规律，比如参数识别、优化控制、智能控制等现代控制理论和算法，将能够更容易的应用。(2)DSP的应用使得电机控制器的硬件能够设计得更小，重量也更轻，并且功耗也下降。(3)DSP的应用使得系统运行的可靠性增强，主要是由于DSP芯片设计保证了元器件在额定工作状态下平均无故障时间远远超过分立元器件构成的模拟电路。(4)数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响。内部计算精度很高，所以被控量可以较大也可以较小。(5)DSP将硬件的统一性和软件的灵活性有效的结合，DSP电机控制电路硬件可以统一，比如DSP控制三相逆变器驱动相应的感应电动机、无刷直流电动机、永磁同步电动机，他们的硬件结构基本上

17、统一。软件则须根据具体的被控量的控制规律进行具体编程，并且在不同的工作情况下，可以调试选择更适合的参数、控制系统结构、控制策略等，从而系统具有很强的灵活性。能的各种控制策略和方法，如矢量控制、多变量模糊控制等。由于软件的灵活性，可以尽可能充分地实现人工智能，更好地适应控制系统的复杂多交。(4)借助一些人机界面设备(如与处理器相连的液晶显示屏、控制面板、触摸屏等)实现对系统运行状态的监控、预警、故障诊断等功能；借助处理器的通讯能力实现与上位机的通讯；借助现场总线技术实现底层控制设备的联网；因而更方便地实现高复杂度的多机协同工作。2.3 基于DSP技术的数字式直流调速系统DSP技术应用于直流电动机

18、调速系统是近十年的事情。利用DSP功能多、容量大、运算速度快、控制规律容易改变等优点，可以很方便的通过软件编程实现速度调节器、电流调节器和电压调节器的控制算法，并且可提高闭环精度，具有比模拟系统高许多的动、静态性能指标。并且DSP引入到调速系统后，整个系统可具有自诊断能力，维护检修方便，可靠性提高等特点。数字式直流调速系统在国外发达国家，以成为直流电气传动方向的主流，而在国内这方面的发展还不太令人满意，基本上采用国外产品，但由于国外产品价格较高，且不太适合中国国情，故迫切需要研制一套适合中国国情的智能型直流PWM调速控制器。从已经有的成功经验来看，采用DSP技术构建直流有刷电动机三闭环调速系统

19、是可行的。在芯片的选择上，使用了TI公司专门为电机量身设计的DSP芯片TMS320LF2407A，它是TMS320C2000电机专用芯片家族中性价比最优的一款16位处理器芯片。基于DSP芯片TMS320LF2407A的数字式三闭环直流调速系统原理框图如下： 图2-2 单闭环控制的数字式直流脉宽调速系统原理框图此处我们选用TI公司出品的16位高性能DSP芯片TMS320LF2407A作为主控器件，由于TMS320LF2407A本身带有高精度A/D转换器，使得A/D转换非常方便，可以省去单独的模拟转换器。另外，TMS320LF2407A还带有多达12路的脉宽调制输出通道，可方便的产生对称式或非对称

20、式的PWM脉冲信号，这样我们便可以省去模拟电路中脉宽调制器UPW及调制波发生器GM等模拟环节。设计中在主控电路方面保留了相应的隔离驱动电路部分，速度、电流和电压检测仍采用模拟电路。由于结合了模拟电路和数字电路的优点，使得整个调速系统既具有响应速度快，稳定度好的特点，又可提高速度精度和系统的动、静态性能指标，并且充分利用DSP自身特点，使整个控制器体积减小、方便灵活、价格低廉。图2-2中描述的基于DSP技术的数字式直流单闭环调速系统的基本工作原理为：首先，由用户给定电机转速信号经速度给定预处理电路处理后送入DSP芯片的A/D转换通道ADCIN00，经过A/D转换后送入DSP片内由软件生成的数字式

21、速度调节器与来自光电开关和码盘转换，再经过速度反馈预处理电路后，送入DSP芯片的捕获单元转换通道中的数字速度信号进行运算处理，处理后的信号送入单环调节器，运算处理的数字信号继续向前送往DSP芯片的PWM脉宽调制电路，根据运算处理的相应结果修改EVA模块中比较单元的16位比较寄存器和的值并装入，再通过与EVA模块中周期寄存器的值相比较并通过软件编程对其它相关寄存器进行相应设置，便可自动生成四路对称式PWM信号。由DSP芯片生成的四路对称式PWM信号经过外围硬件隔离驱动电路的处理，用于进一步为由四只功率MOSFET组成的H型PWM变换器和有刷直流电动机构成的主电路提供相匹配的驱动信号。当用户给定速

22、度信号发生变化时，电压、电流和速度负反馈预处理电路中的反馈信号也将发生实时变化，并经过DSP构成的高速数字调节器进行运算处理后重新生成相应脉冲宽度的四路PWM信号，通过调节PWM脉冲宽度便可轻松达到调压调速的目的，从而实现对直流电动机转速的实时控制，完成对数字式直流单闭环调速系统的设计。2.4 TMS320LF2407A高性能数字信号处理芯片简介TMS320LF2407A系列是TMS320C2000家族中最新、功能强大的DSP芯片，是当今世界上集成度较高、性能较强、低成本的运动控制芯片，对电机运行的数字化控制非常实用。几种先进外设被集成到该芯片内，以形成真正的单芯片控制器。它与现存24x DS

23、P控制器芯片代码兼容的同时，TMS320LF2407A芯片具有处理性能更好、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等优点，是电机数字化控制的升级产品，图2-1为TMS320LF2407A DSP控制器功能结构。其主要特点如下：（1）由于采用了高性能的静态CMOS制造技术，因此给DSP具有低功耗和高速度的特点。工作电压，有4种低功耗工作方式。单指令周期最短为25ns(40MHz),最高运算速度可达40MIPS，四级指令执行流水线。低功耗有利于电池的应用场合；而高速度非常使用于电动机的实时控制。（2）由于采用了TMS320C2xx DSP CPU内核，因此保证了与TMS320C24x系

24、列DSP的代码兼容性。（3）片内继承了32K字的Flash程序存储器、2K字的单口RAM、544字的单口RAM。因而使该芯片可用于产品开发。可编程的密码保护能够充分的维护拥护的知识产权。（4）提供外扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器、64字I/O的能力。（5）两个专用于电动机控制的时间管理器（EV），每一个都包含：2个16位通用定时器；8个16位脉宽调制（PWM）输出通道；1个能够快速封锁输出的外部引脚PDPINTx(其状态可从COMCONx寄存器获得)；可防止上下桥臂直通的可编程死区功能；3个捕捉单元；1个增量式光电位置编码器接口。（6）可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。（7

25、）16通道10为A/D转换器，具有可编程自动排序功能，4个启动A/D转换的触发源，最快A/D转换时间为375ns。（8）32位累加器和32位中央算术逻辑单元（CALU）；16位16位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算；5个外部中断。（9）串行借口SPI和SCI模块。（10）很宽的工作温度范围，普通级：-4085；特殊级：-40125。这些性能对于本次设计来说，具有非常重要的意义。TMS329LF2407A DSP的结构才用了改进的哈佛结构，该结构支持分离的程序和数据总线。这样的结构使取指令、执行指令、数据传送和外设控制可以并行进行，因此可以击打的提供工作速度。2407A DSP可以分成三部

26、分：DSP内核、存储器和外围设备。其功能结构图如图所示。DSP内核是DSP的核心，它担负着数据运算、信号处理的任务。它包括了累器、状态寄存器S0和S1、中央算术逻辑单元CALU、辅助寄存器、乘法器、移位器临时寄存器T和乘积寄存器P。下面具体介绍事件管理器的结构功能：TMS320LF2407A DSP有两个相互独立的事件管理器EVA和EVB，结构功能完全相同，每个都有16位通用定时器、8个16位的PWM通道，三个比较单元，三个捕获单元，两路正交编码脉冲电路QEP及计数方向和外部时钟输入，16通道的10位的最小转换时间375ns的A/D转换器。由于事件管理器EVA和EVB，结构功能一样，下面就只介

27、绍一下管理器模块A（EVA）的结构功能。事件管理器A有Timer1和Timer2两个通用定时器，它们有如下功能：（1）作为常规的定时/计数器使用；（2）用于在TxPWM引脚上输出频率和脉宽可调的PWM波；（3）与捕捉模块结合测量CAPx引脚上的脉宽；（4）定时器1与比较模块配合产生死区可调的6个PWM控制信号；（5）定时器2可服务于增量式光电编码器接口，测量电动机的转向、角位移和转速；（6）启动A/D转速。每个通用定时器包括：一个可读写的16位定时器增/减计数器TxCNT；一个可读写的16位定时器比较寄存器TxCMPR；一个可读写的16位定时器周期寄存器TxPR；一个可读写16位的定时器控制寄

28、存器TxCR；可选择的内部或外部时钟；4可屏蔽中断下溢、上溢、定时器比较和周期中断。每个通用定时器有四种可选择的操作模式：停止/保持模式；连续递增记数模式；定向增减记数模式；连续增减记数模式。利用这些操作模式可以产生周期可变和固定的各种锯齿波及三角波。定时器比较寄存器和这些波形进行比较就可以产生各种PWM输出，称之为波形发生器。通过配置GPTCONA/B寄存器中的相应位来规定高有效、低有效、强制高、强制低，这样就可以控制波形发生器的输出，以生成不同类型功率设备所需的PWM波形，每个通用定时器都提供一个独立的PWM输出通道。事件管理器A有3个比较单元，1个比较单元、1个比较控制寄存器COMCON

29、x和一个比较方式控制寄存器ACTRx。每个比较单元都有一个比较寄存器CMPRx，以及2个PWM输出引脚。这一套组合可以使事件管理器产生6个带死区的PWM输出，用于控制三相逆变桥。比较单元的操作功能与定时器比较积存器的操作功能相似。当定时器的计数值与比较单元的比较寄存器相等时，就会在该比较单元的两个PWM引脚上产生跳变（两个引脚的跳变与比较方式寄存器ACTRx的设置有关），并经过1个CPU时钟后发出比较中断申请。比较单元受比较控制寄存器和比较方式寄存器控制，通过这些寄存器可以设置比较输出是否允许、比较值和方式寄存器的重载条件、PWM引脚输出方式等。增量式光电编码器是电动机控制中的常用传感器，用于

30、测量电动机输出的角位移和转速等信息，作为闭环控制的反馈量。TMS320LF2407A DSP提供了与这种编码器的接口电路。在事件管理器A中，它的编码器接口电路使用了定时器2作为可逆计数器，来计数编码脉冲的个数。编码脉冲通过2个引脚QEP1/CAP1和QEP2/CAP2输入到芯片内部。这两个引脚是与捕捉单元1、2复用的引脚，因此在使用编码器接口电路时，要禁止捕捉功能。编码器接口电路利用输入编码脉冲的4个边沿加工成4倍频的计数脉冲信号和计数方向信号。4倍频的计数脉冲信号有利于提高电动机角位置和角位移信号的分辨率。计数方向信号自动地控制定时器2的计数方向，而计数方向引脚TDIRA这时不起作用。在事件

31、管理器A模块中，对增量式编码器脉冲电路寄存器的设置如下：将所需的值装载到定时器2的计数器、周期和比较寄存器中；设置T2CON为定向增/减计数方式，编码脉冲电路作为时钟源，并允许定时器2。捕捉单元可用于测量捕捉引脚上输入信号的两个相邻跳变间的时间间隔，因此可以测量输入信号的频率或周期。事件管理器A模块有三个捕捉单元，每个捕捉单元都有相应的引脚CAPx，它们可以选择定时器1或2作为计数时钟，但CAP1、CAP2必须使用相同的计数时钟。每个捕捉单元都有一个2级先入先出（FIFO）堆栈，分为顶层堆栈（CAPxFIFO）和低层堆栈（CAPxFBOT）。当输入引脚上的信号发生指定跳变时，捕捉单元自动地将定

32、时器的计数值（TxCNT）保存到堆栈中，并置中断标志位。顶层堆栈保存旧的计数值。当对堆栈进行读操作时，总是读取顶层堆栈的旧值，而同时低层堆栈自动地进入顶层堆栈，所以读操作可以清空堆栈。捕捉单元有两种寄存器，一个是捕捉控制寄存器（CAPCONA/B），另一个是捕捉FIFO状态寄存器（CAPFIFOA/B）。图2-1 TMS320LF2407A DSP控制器功能和结构3 直流调速系统的软件设计直流调速系统主程序流程图DSP芯片TMS320LF2407A经过编译后，系统自动根据cmd文件中用户设置的存储器地址和用户自定义.data段、.bss段和.sect段的大小自动保留出从相应的地址单元后开始执行

33、用户程序，对芯片进行初始化设置，这主要包括：（1） 设置状态寄存器ST0和ST1TMS320LF240X系列DSP有两个状态寄存器ST0和ST1，含有各种状态和控制位，是应用中特别重要的两个寄存器。这两个寄存器的内容可以被保存到数据存储器或从数据存储器读出加载到ST0和ST1，从而在子程序调用或进入中断时实现CPU各种状态的保存。对ST0和ST1的设置：使ST0状态寄存器中中断模式位（INTM）置1 禁止所有可屏蔽中断，清溢出标志位（OVM）使累加器中结果正常溢出，并加载数据存储器页面指针（DP）为0指向数据存储器第0页；对ST1状态寄存器中的符号扩展方式位（SXM）置1，使数据通过定标移位器

34、传送到累加器时产生符号位扩展。清片内DARAM配置位（CNF）配置单端口RAM被映射到数据存储器空间。（2） 设置系统配置寄存器通过对系统配置寄存器中的系统控制和状态寄存器1（SCSR1）写入#81FEH可以设置DSP的工作频率为40MHz，并对DSP芯片内部各模块时钟进行使能操作。（3） 设置CPU中断寄存器CPU中断寄存器包括：中断标志寄存器(IFR)和中断屏蔽寄存器（IMR）。CPU中断标志寄存器(IFR)是一个16位的寄存器位于数据存储器空间的0006H处，用于识别和清除挂起的中断，IFR包含用于所有可屏蔽的中断标志位。通过向IFR中写入#0FFFFH达到对中断标志寄存器(IFR)中各

35、标志位的复位。中断屏蔽寄存器（IMR）是一个映射到数据存储器空间0004H处的16位寄存器。IMR中包含所有中断级（INT1-INT6）的屏蔽位。通过向IMR中写入#0020H达到只使能中断级INT6的目的，因为A/D转换中断位于INT6级。（4） 设置I/O复用输出控制寄存器对I/O复用输出控制寄存器A（MCRA）写入#1FC0H即可使能PWM1-4和捕获单元CAP1-3。（5） 设置看门狗控制寄存器WDCR由于已经在240x.h头文件中定义过，所以直接向看门狗控制寄存器WDCR中写入#0E8H即可禁用看门狗功能。（6） 向程序中用户自定义的变量写入初值本设计中根据控制过程的实际需要利用.b

36、ss语句在.bss段自定义了36个自定义变量，通过系统初始化为其中相应变量赋初值。（7） 设置事件管理器模块（EV）由于事件管理器模块（EV）中包含两个事件管理器模块A（EVA）和事件管理器模块B（EVB），本次设计中只涉及到EVA中的相应存储器单元。首先是对比较方式控制寄存器（ACTRA）的设置。使PWM1/IOPA6和PWM3/IOPB0上的比较输出方式选择位为高有效，PWM2/IOPA7和PWM4/IOPB1上的比较输出方式选择位为低有效，形成对称式PWM波形。其次是使能死区控制寄存器(DBTCONA)并装载DBTCONA寄存器。再次，设置并装载周期寄存器的值和比较寄存器和的值。最后，设

37、置和装载全局通用定时器GPTCONA、通用定时器控制寄存器T1CON、通用定时器计数器T1CNT的初值以及复位中断标志寄存器EVAIFRA和中断屏蔽寄存器EVAIMRA，并根据需要对捕获控制寄存器A(CAPCONA)和捕获FIFO状态寄存器A(CAPFIFOA)进行初始化设置。（8） 设置模数转换模块(ADC)向ADC控制寄存器1（ADCTRL1）置#0900H实现DSP采样窗口采样时间为。设置最大转换通道寄存器的值为3即可转换3路A/D信号。转换顺序根据向ADC输入通道排序控制寄存器()中写入的值#0210H，完成从CONV01向CONV00的转换顺序。在上述初始化任务执行完成后，系统便可进

38、行主程序的循环执行了。此处我们采用模块化结构，将每个任务分别编程子程序，独立调试，最后再合成主程序。这些子程序如图3-1所示，主要包括信号的A/D转换，调节器的运算，PWM波形输出等。图3-1 直流调速系统主程序流程图3.2 速度给定A/D模块设计图3-2 速度给定A/D转换子程序流程图速度给定A/D转换的第一步应是通过向ST0状态寄存器中INTM位写0来开启A/D转换程序。设计中为了尽量使编程简单，采用了巡回检测的方法对速度信号进行实时采集。采集到的数据存储在A/D结果寄存器RESULT0中备用，为了保证转换速率，选择A/D转换采样时间为，远远满足系统的实际需要。另外，为了兼顾系统的可行性的

39、同时保证A/D转换的精度，在设计中对转换后的数据逻辑右移4位，保留12位有效值并及时送入用户自定义的变量中等待进一步的处理。3.3 速度负反馈模块设计图3-3 速度反馈捕获转换计算子程序流程图进入捕获中断子程序时，保护现场首先清CAPl中断标志位，从二级深度FIF0中依次读取两次捕获的计数值cap1和cap2。如果cap2cap1，则cap2-cap1即为在被测信号的一个周期内记的标准时钟的周期数K。若cap2cap1，则说明在计数过程中有计数溢出，即计数到周期寄存器T1PR内写入的FFFFH后回零重新计数，因此K=cap2一capl+FFFFH。这里时基T1的频率为主频时钟除以分频系数，即f

40、0=40 MHz32。 PID控制器设计3.5.1 PID控制器简介工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。没有一种控制算法比PID调节规律更有效、更方便的了。现在一些时髦点的调节器基本源自PID。甚至可以这样说：PID调节器是其它控制调节算法的基础。为什么PID应用如此广泛、又长久不衰？因为PI

41、D解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。 3.5.2 基于DSP控制的数字PID调节器的设计PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差 （3.1）将偏差的比例（P）和积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为 （3.2）其中为PI控制器的输出，为PI调节器的输入，为比例系数，为积分时间常数。简单说来，PI控制器各校正环节的作

42、用如下：1比例环节即时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。通常随着值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当增加到一定程度，系统会变得不稳定。2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常数，越大，积分作用越弱，反之越强。通常在不变的情况下，越大，即积分作用越弱，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。由于DSP的控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此必须对上式进行离散化处理，用一系列采样时刻点代表连续的时间，离散的PI控制算法表达式为： （3.3）其中0，1，2表示采样序列，表示第

43、次采样时刻PI调节器的输出值，表示第次采样时刻输入的偏差值，表示采样周期，为比例系数，为积分系数。3.5.2.1 算法的选择方案数字PI调节器可以分为位置式PI控制算法和增量式PI控制算法。如式（）所表示的计算方法就是位置式PI控制算法，PI调节器的输出直接控制执行机构。这种算法的优点是计算精度比较高，缺点是每次都要对进行累加，很容易出现积分饱和的情况，由于位置式PI调节器直接控制的是执行机构，积分一旦饱和就会引起执行机构位置的大幅度变化，造成控制对象的不稳定。增量式PI控制算法是在式（）的基础上做了一些修改。根据式（）可得 （）由式（3.3），式（3.4）可得 （3.5）即 （）增量式PI算

44、法与位置式PI算法并没有本质的区别，只是增量式PI算法控制的是执行机构的增量，这种算法的优点在于：由于输出的是增量，因此计算错误时的产生的影响较小，这种算法的缺点在于：每次计算再与前次的计算结果相加得到本次的控制输出，即 （3.7）这就使得的截断误差被逐次的累加起来，输出的误差加大。假设 （截断） 即 （3.8）其中表示第次增量的准确值，表示经过定点运算后的实际计算结果，表示第次计算的截断误差，由式（3.7），（3.8）可知（）其中表示第次计算值，表示第次真实值，假设，即第0次的计算值与真实值相等。由式（3.9）可知，当采用增量式算法时必须尽量减小定点运算带来的截断误差，否则，每一次运算的截断

45、误差将会逐次累积，使系统的控制精度变差，造成系统的静态误差。本文使用的是16位定点DSP，在计算中不可避免会产生截断误差，为了防止截断误差的累积，本文采用位置式的PI算法，为了解决上文提到的积分饱和问题，本文采用抑制积分饱和的PI算法：比例系数第k次采样时DSP输出值第k次采样时的偏差值第k-1次采样时的偏差值积分时间微分时间为限幅值，这相当于在系统中串联了一个饱和非线性环节 图 3-4 抗积分饱和PI设系统输入为，当工作在线性区，积分器工作，取；当工作在饱和区，即时，分两种情况讨论：第一，当为正，其工作过程如图2-4所示，判断误差信号的符号，如果，表明输出没有达到规定值，取，停止积分，如果，

46、输出超过了规定值，要对负值误差信号进行积分，使退出饱和区。第二，当为负值，若，输出没有达到规定值，停止积分，输出超过了规定值，进行积分。根据毕设要求，设计了以下抗积分饱和PI调节器： 图3-5 抗积分饱和PI调节器 式中积分饱和修正系数式中，表示抑制积分饱和PI算法的输出，表示本次的PI调节器的计算结果，表示比例调节系数，表示积分系数，表示抗饱和系数，为本次积分累加和，分别表示PI调节器输出的最大值和最小值，用户可以根据控制量的特性，确定PI调节器输出的最大值和最小值，例如，当控制对象为占空比时，和的值可分别设置为1和0。使用这种PI算法，可以将调节器的输出限定在需要的范围内，保证当计算出现错

47、误时也不会使控制量出现不允许的数值。PI调节器的输出具有饱和特性。3.5.3调节器参数的整定方法PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法

48、。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1) 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2) 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3) 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数，最终的参数直接决定系统的控制效果。数字控制器可以采用直接数字设计法，也可以采用模拟调节规律数字化的设计方法。本文中采用后一种方法来设计数字PWM调

49、速系统的电压、电流和转速环。经过对电机模型的推导与采用实验法反复试验和的取值，最终确定闭环调节器的值：，。由生产要求可知，要校正好动态参数，应该对模拟控制的调速系统进行静、动态分析。对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。饱和：输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环；不饱和：输出未达到限幅值当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。3.5.4 基于PID算法的DSP控制器的流程图根据抗积分饱和PI调节器的工作原理和推导公式，得以到

50、如图3-8所示图3-6 抗积分饱和PI数字调节器子程序流程图3.5.5 定点DSP的数据Q格式表示方法TMS320LF2407A 是定点DSP，而不是浮点DSP。因此在对含有小数这样的实数进行运算时，就必须采用Q格式对数据进行规格化处理。如果一个16位数被规格化为QK格式，它的一般表达式为：Z=b15-K215-K+b14-K214-K+b0+b-12-1+b-22-2+b-K2-K这里K暗中包括了小数的位数。实质上，QK格式是将一个放大了2K倍，然后舍去了剩余小数，形成一个全是整数的替代数。这样，这个数才可以进行能够保证一定精度的定点运算。一个数的小数部分的多少会影响这个数的精度，而它的整数

51、部分会影响这个数的动态变换范围。既要保证足够的精度，又要保证足够的范围，对于位数一定的数据来讲，这是一对矛盾。因此，在最初设计时，一般原则是先估计一个数的变化范围，然后再去设计这个数的精度表示，如果精度不够，可以用扩大数的方法来弥补，最终给出一个满意的Q格式数据。3.6 PWM输出波形的设计3.6.1 PWM简介脉冲宽度调制：脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极

52、的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负

53、载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。3.6.2直流电机的PWM控制技术直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压

54、调速使用。所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。正因为直流PWM调速系统有以上优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制( PWM) 技术得到

55、了飞速的发展。随着科学技术的迅猛发展传统的模拟和数字电路已被大规模集成电路所取代，这就使得数字调制技术成为可能。目前，在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制技术。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，并且结构简单、可靠性高、操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。下面主要介绍直流电机PWM调速系统的算法实现。根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T内脉冲宽度

56、为,幅值为U，由图可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：图3-7PWM脉冲，若令，即为占空比，则上式可化为： (U为脉冲幅值) 若PWM脉冲为如图所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即 （为矩形脉冲占空比） 图3-8 周期性PWM矩形脉冲要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比的大小实现等效直流电压在0U之间任意调节，从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。在PWM调速时，占空比是一个很重要的参数。工程上通常采用三种方法改变占空比的值，如图2-12所示：定宽

57、调频法：这种方法是保持不变，只改变，使周期发生改变。调宽调频法：这种方法是保持不变，只改变，使周期发生改变。定频调宽法：这种方法是保持周期不变，而同时改变和的值。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法现在很少使用。本次设计中采用了定频调宽法，加之DSP自身PWM波生成的特点只需在程序初始化时一次性向周期寄存器中写入一个固定的PWM周期值即保持周期不变，在程序运行过程中根据控制信号向比较寄存器中写入值的不同，从而改变和的值实现定频调宽改变占空比的大小。图3-9 脉冲宽度与占空比的关系3.6.3 基于DSP的PWM生成模块图3-10PMW波形经过CMPR寄存器与T1PR寄存器里值的比较，最后输出四路PWM波形。4实验数