DSP的直流电机控制设计

摘要近年来，随着新一代电力电子器件和微处器的推出，以及精确的电机模型和各种先进的控制策略的提出，极大的促进了电机控制的发展，使得精度高、调速范围宽、控制性能好的电机控制系统的实现成为可能。

本文以直流电动机为被控对象,以TMS320C5402为处理器，设计了直流调速系统的主电路，完成了调制程序的编写。并且设计了显示电路，完成了数据向主控制芯片的传送，实现了数据的交流。

采用了一种基于DSP芯片TMS320C54的PWM波形产生方法，用这种方法获得的PWM信号的稳定性和精确性优于用模拟电路和专用集成电路产生的PWM信号。并介绍了PWM原理及其在DSPTMS320关键词

数字信号处理（DSP）控制器

PID算法直流电机目录摘要 -1-第一章前言 -3-1.1工程设计内容及要求 -3-1.2工程设计目的 -3-1.3工程设计设备环境 -3-第二章基础知识介绍 -4-2.1直流电机的调速方法 -4-2.2数字PID调节器的DSP实现 -5-第三章系统的硬件设计 -10-3.1整体设计思想 -10-3.2基本硬件组成 -10-3.3TMS320C5402DSP芯片简介 -12-3.3.1TMS320C54X的基本结构 -12-3.3.2TMS320C54XDSP的中断系统 -12-第四章系统的软件设计 -15-4.1程序设计思路 -15-4.2PID增量型控制算法的实现 -15-4.2.1主程序设计 -15-4.2.2INT0中断子程序设计 -16-4.2.3TINT0中断子程序设计 -16-4.3PID算法的改进——积分分离 -18-第五章系统调试步骤及调试结果分析 -19-5.1系统调试步骤 -19-5.1.1实验前准备工作 -19-5.1.2实验操作步骤 -19-5.2调试结果分析 -20-第六章工程设计总结 -21-6.1心得体会 -21-参考文献 -22-附录1系统原理图 -23-第一章前言1.1工程设计内容及要求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工程设计目的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工程设计设备环境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：式<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，式<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：式<4>或式<5>式<4>称为增量型PID控制算式；式<5>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<5>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：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<6>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和积分时间系数，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TMS320C54X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。TMS320C54XDSP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IFR14~15131211109876543210保留DMAC5DMAC4BXINT1BRINT1HPINTINT3TINT1DMAC0BXINT0BRINT0TINT0INT2INT1INT0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IMR14~15131211109876543210保留DMAC5DMAC4BXINT1BRINT1HPINTINT3TINT1DMAC0BXINT0BRINT0TINT0INT2INT1INT0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。4.2PID增量型控制算法的实现主程序设计主程序中，首先调用DSP初始化函数cpu-init()对DSP进行初始化设置，包括对DSP的时钟方式寄存器、状态寄存器、处理器工作方式状态寄存器和中断进行设置，并使能外部中断INT0和定时器中断TINT0。在DSP初始化之后则对各个变量进行初始化，根据PID各参数先离线算出PID算式中的各系数，以供后面的PID运算程序直接调用。写一个死循环，在死循环中对D/A转换器进行输出操作。具体程序见附录2，主程序流程图如图4.1。图4.1主程序框图INT0中断子程序设计INT0中断服务程序主要是对转速进行累积计数。在电机检测单元中，电机每转一圈与电机同轴的转盘上的强力磁钢将与霍尔片正对一次，从而使霍尔片输出一次负电压，经整形、放大后作为DSP的一个外部硬件中断信号，即INT0。所以电机每转一圈就产生一个中断INT0，在INT0的中断服务子程序中设两个变量count1和count2，自加1次来记录电机转速。具体INT0中断服务程序框图如图4.2。TINT0中断子程序设计TINT0中断服务子程序主要用来对转速偏差进行PID运算，得到PWM的占空比。程序中的控制量与PWM是一个比例关系，因此在程序中先用PID算法将控制量算出，然后再乘一个比例系数就可得到PWM电路的占空比。TINT0程序为一个定时中断服务程序，定时周期为0.01s。在中断服务程序中设置了两个变量TIMER1和TIMER2，每执行一次中断服务程序它们自加1次，当TIMER1=10时对应的时间为0.1s；当TIMER2=100时，对应的时间为1s。程序中每0.1s进行一次PID运算；每过1s对count2的值存储一次，此时的count2的值即为电机的转速大小，单位为：r/s。具体TINT0中断服务程序框图如图4.3。图4.2INT0中断子程序流程图图4.3TINT0中断子程序流程图4.3PID算法的改进——积分分离在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分累积，致使算得的控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至振荡。引进积分分离PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大改善。具体实现过程如下：根据实际情况，人为设定一个阈值>0。当|e(k)|>时，也即偏差值|e(k)|较大时，采用PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。当|e(k)|时，也即偏差值|e(k)|较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。具体程序实现如下：在增量型PID程序基础上，定义一个全局整型变量k，将主程序中的PID系数a0、a1、a2的初始化去掉，并在TINT0的中断服务程序中，在语句duty=0.9/(2*(a0+a2)*39.0);之前，加入这几条语句：if(e0>3||e0<-3)k=0;elsek=1;并将deta=(a0*e0+a1*e1+a2*e2)*duty;改为deta=Kp*(e0-e1+k*T*e1/Ti+Td*(e0-2*e1+e2)/T)*duty;就可以了。第五章系统调试步骤及调试结果分析5.1系统调试步骤实验前准备工作1、正确完成计算机、DSP仿真器和实验箱的连接后，系统上电；2、用1号线把直流电机单元的MOT+，MOT-，HROUT三点分别与驱动单元的+12V，A'，INT1三点连接好；3、用1号线将驱动单元的A点与D/A转换单元的D/AOUT点连接好。实验操作步骤1、打开PC机界面下的CCS2.0软件，用Project/Open打开“speed.pjt”工程文件，双击“DCMcontrol.pjt”及“Source”可查看各源程序，设置rc=1。先点击全编译图标，完全编译通过后，再点击运行程序图标，运行程序；2、然后通过设置参数，打开一个内部观察窗口，观看直流电机在低速下的转速曲线（注：观察窗口中曲线不是实时自动更新的，因此只能显示打开瞬间的电机转速曲线）；3、在程序运行过程中，控制基本稳定后点击“Halt”停止运行，重新设定rc的值，如rc=4，然后再点击全编译图标，完全编译通过后，再点击运行程序图标，运行程序。此时可通过设置参数，打开一个内部观察窗口，观看直流电机在高速下的转速曲线；4、以上是增量型PID控制下电机运行的调试。停止程序运行，在参考程序基础上作修改，加入数码管显示程序。在程序运行过程中，控制基本稳定后，数码管会显示出调节后相应的运转（r/min)。因为是闭环PID调节，所以在程序运行过程中电机转速会自动调节。用障碍物使之突然停止，然后移开障碍物，观察电机自动调节过程，同时观察数码管上显示的相应变化。5、为改善控制性能，将程序做相应改动，将增量型PID控制改为积分分离的PID控制，并重复步骤1~4，不断调试直至出现理想结果。5.2调试结果分析通过调试，最终得到PID增量型、改进后的积分分离PID控制下的电机转速曲线，由于时间比较紧，而且曲线不是实时改变的，所以没有