毕业设计(论文)-直流脉宽调速系统设计

PAGEIV作品名称：直流脉宽调速系统设计计所属学院：电气工程学院电摘要本文针对直流电动机调速系统的要求，设计了一款基于DSP的直流脉宽调速系统。详细推导了直流电机的数学模型。对系统内各环节进行了数学模型的建立，阐述了数字式控制系统整体方案，解决了PWM发生、电机电流检测、转速检测、功率隔离等关键技术问题。并推导了带死区和积分饱和修正的PID控制算法。本文基于仿真软件PSIM对系统进行了仿真，验证了系统设计的可行性和参数设计的合理性。最终确定了最优的仿真参数，对硬件设计提供参考。构建了基于TMS320F2812的直流电机调速系统的硬件平台。设计完成了TMS320F2812最小系统硬件电路、功率MOSFETH桥驱动电路、光耦隔离电路、霍尔电流采集处理电路、交流电机测速电路、温度监测电路、故障保护电路。对各部分电路进行了详尽的阐述。在CCS3.3环境下进行了系统程序设计。编写了包括PWM发生、信号AD转换、改进的PID控制算法、按键控制、LCD液晶显示等完整程序。最后，以54V，125W直流电动机进行了实验，用示波器观察了系统中的关键波形。对系统设计的正确性、可靠性等进行了验证。对基于工程设计法完成的PID参数进行了改进。关键词直流电动机;PWM调速;DSP;数字控制;PSIM1目录摘要 X第1章绪论 11.1课题背景 11.2研究现状 31.3转速、电流双闭环控制全数字化 41.4本课题研究内容 4第2章直流脉宽调速原理 62.1直流电动机调速原理 62.2直流电动机单极性驱动可逆PWM系统 92.3直流电动机双极性驱动可逆PWM系统 122.4本章小结 14第3章系统硬件设计 153.1系统硬件电路构成 153.2DSP芯片外围电路设计 163.3功率板电路设计 183.3.1功率板控制部分电路设计 183.3.2功率板控制部分电路设计 213.3.3故障保护电路设计 243.3.4功率电路设计 263.4硬件可靠性设计 283.5PCB实物展示 303.6本章小结 31第4章控制策略 324.1PID控制器简介 324.1.1PID控制算法特点 324.1.2PID控制器结构和原理 334.2双闭环控制器简介 344.3PID控制算法的数字化 354.3.1PID控制算法数字化 354.3.2数字式PID控制算法的实现过程 364.3.3数字PID参数整定 374.4本章小结 40第5章控制系统软件设计 415.1软件设计思想 415.2控制系统主程序设计 435.3各功能模块程序设计 445.3.1系统初始化程序模块 455.3.2PWM驱动模块 455.3.3ADC模块 465.3.4ADC校准及模拟采样信号的数字滤波 465.3.5PID算法模块 485.5本章小结 51第6章仿真及实验结果 526.1系统实际参数 526.2基于PSIM环境下的系统仿真 536.2.1PSIM环境下的原理图 536.2.2PSIM环境下的仿真结果分析 536.4控制系统实验结果及分析 576.4.1实验系统简介 576.4.2实验结果记录及分析 586.5本章小结 59结论 60参考文献 61PAGE62第1章绪论1.1课题背景电动机是一种将电能转换为机械能的电磁机械装置，主要用来驱动各种功能用途的生产装置和机械，以满足各种场合的驱动要求。电动机作为一种动力设备，广泛应用于各种机械场合，如冶金行业的转炉、轧钢机和高炉等，交通运输业的电动自行车、电动汽车和电动机车等；采矿业中的鼓风设备、起吊设备、采掘设备等；农业中的灌溉、农产品加工等；以及家用中洗衣机、空调和冰箱。可以说电动机涉及人们生产生活的各行各业。根据供电电源的不同，电动机可以分为直流电动机和交流电动机。交流电动机又可分为交流感应电动机和交流异步电动机。纵观电动机的发展史，可以大致分为三个时期：（1）直流电动机的产生时期；（2）交流电动机产生时期；（3）电机设计制造工艺和理论研究基本完善的时期。直流电动机问世早，电动机发展的初期主要是直流电动机的发展时期。在19世纪中叶后，由于在生产（如：电镀、电报、电动机电源、电解等）上的需要，直流电动机得到了充分的改进和发展。到1870年，鼓形电枢绕组提出，并一直沿用至今，这是直流电动机的又一次较大的发展。但是到1882年，人们认识到直流远距离输电的弱点，及随着装机容量的不断增大，直流电动机换向也越来越困难。人们逐渐向交流电动机发展。一直到20世纪上半叶，由于直流电动机有优异调速性能，使其占据了高性能调速场合应用，而交流电动机由于调速性能差，导致约占电力拖动容量70%多的交流电动机用于不变速系统中。虽然交流电动机调速方案已经问世很早，但其性能却无法与直流电动机匹敌。直到20世纪60～70年代。随着新型电力电子器件的出现，使得采用电力电子变换器的交流调速系统产生，打破了直流电动机在调速系统中的垄断格局。目前，相比于直流电动机存在的限制，交流电动机调速系统得到了很大发展，如20世纪70年代发明的矢量控制法（磁场定向技术），可以通过坐标变换，把交流电动机的定子电流分解成为励磁分量和转矩分量并分别用来控制电动机的磁通和转矩。通过坐标变换技术，可以使交流电动机获得和直流电动机相似的动静态特性。此后，又相继提出了解耦控制法、直接转矩控制法等，形成了可以和直流电动机相媲美的交流调速系统。在特大容量和极高转速方面，由于直流电动机自身的限制，使得其容量与转速积很难超越1兆千瓦，否则制造将极其困难。而交流电动机由于不需要换向装置，因此也不受这种限制。在特大容量如特大电力拖动设备，极高转速设备等交流电动机已经普遍采用。目前为止，交流调速系统已经广泛应用于以下三个领域：1.高性能的交流伺服和调速系统；2特大容量的极高转速的调速系统。3.一般性能的调速系统。大有取代直流电动机之势。然而，由于直流电动机实现调速早于交流电动机，控制经验相当丰富。而且调速性能线性度好、平滑运转特性高质高效、控制简单等特性依然使直流电动机在许多场合占据一定位置。如在一下场合，直流电动机仍发挥着重要作用。一些大型工业机械场合，如轧钢设备对调速性能要求十分高的场合，如机器人关节，航模设备的转向舵机，电脑硬盘等高精度场合。多数电池供电的为功率场合，如玩具，航模马达等。这些场合还有很大的市场占有量，尤其是在对调速性能极其高的场合，因此，对直流电动机调速系统的研究还很有意义。从控制角度看，直流电动机的控制经历了一下几个阶段：模拟控制技术时期：19世纪中叶先后诞生的直流电机和交流电机，最初只是为人们提供一种稳定的动力，所以那时的电动机控制只是解决它的启动和停止，大部分的控制用简单的触点开关电器就能解决。数模混合控制技术时期：20世纪70年代，微处理器技术刚开始不久。这种处理器构成的电机控制系统需要辅以大量的外围数字逻辑电路芯片和模拟电路芯片，不但结构复杂，体积大，抗干扰性能也差。全数字控制技术时期：近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。随着DSP嵌入式片上系统SOC的出现，使得系统完成电机控制的运算速度越来越快，处理各种复杂运算不再困难，系统的整体控制性能也越来越好。目前，数字化控制成为了电机控制技术发展的主流，而DSP现在已成为这项技术的核心。其中采用全控型开关功率器件进行脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）控制方式已经成为绝对主流。这种控制方式已作为直流电动机数字控制的基础。1.2研究现状传统的直流驱动系统是由两组反并联相控式整流电路实现的。该方案由于深调下功率因数很低、系统惯性大等弱点,无法满足诸如伺服系统一类要求快速响应的应用场合。基于大量模拟或数字构建硬件平台，元器件数量多，体积大，易出故障，维护麻烦。且参数调试麻烦，人机交互性差。更重要的是，在电机启制动的快速性，和效率方面还有欠缺。近年来，随着数字技术的发展尤其是单片机技术的发展，调速系统的设计已经发生了很多改变。随着工业控制和电机控制系统对智能化的要求不断提高，过去一些无法实现的高级算法，如电动机系统非线性控制技术、系统最优控制、矢量控制等正逐渐变成产品问世。其中德州仪器公司推出的C2000系列DSP的强大的运算能力刚好满足了这一要求，更是在电力电子、电力传动领域表现出了优异的性能。其一，DSP具有高速的运算能力，为各种复杂高级的算法诸如模糊控制等等提供了可能。另外DSPC2000系列为电机控制提供了专用的外设，如带死区的互补PWM输出，编码电路，驱动保护等，使用户在得到强大运算能力的同时也得到了丰富的片上资源，甚至堪比传统的微处理器。在开关器件方面，随着新型功率开关器件的不断出现，高速功率MOSFET、大容量IGBT、智能型功率模块IPM等全控型开关器件已成为控制领域的主流器件。在控制方式上，采用全控型器件进行脉宽调制，简称PWM技术已成为普遍采用取代传统相控整流的控制方式。1.3转速、电流双闭环控制全数字化目前，国内部分直流电机调速还采用模拟控制技术，部分也正在向全数字化发展。国外已经推出了数字化的电机控制系列产品，我国在这方面相对落后，需要研究的任务相对较多。数字化直流电机驱动系统较模拟系统相比有如下优点：1、采用用高精度高运算能力的数字处理芯片，提高了系统的精度，动态响应速度，静态的稳定性等。2、采用高性能的数字芯片，可以实现复杂算法，如模糊算法等。3、算法通过程序实现，易于调试、修改，便于日后升级。4、采用高集成度数字芯片，大大减小了分立元件数量，减小了系统的体积，见小了故障发生率。5、增强了操作的舒适性，便于监控，人机交互能力增强，界面友好。1.4本课题研究内容本课题在对直流脉宽调速系统建立数学模型并完成基于仿真软件PSIM仿真的基础上，提出并实现了基于DSP的全数字化直流脉宽调速系统设计方案。系统采用了TI公司的TMS320F2812（以下简称DSP2812）作为核心控制器。作为一款高性能的数字处理芯片，DSP2812为电机驱动控制配备了完善的外设。正是基于此，本文提出并实现了基于DSP的全数字直流脉宽调速系统。课题研究旨在以下方面有所创新：实现直流脉宽调速的全数字化。实现电流和转速的双闭环设计。提高操作的舒适度。提高速速控制的稳定性和调速精度。发挥数字系统控制优势，减少分立元件数量，减小系统体积。第2章直流脉宽调速原理本章主要介绍直流电动机的工作原理基本结构及直流电动机调速原理。2.1直流电动机调速原理直流电动机主要由固定部分（定子）和旋转部分（转子）构成。在定子上装有直流励磁的磁极N和S，在转子上装有电枢。在转子和定子间有一定空隙，称为气隙。电枢铁心上装有电枢线圈，线圈的首段末端分别装有换向片，由换向片整体构成换向器，换向器固定在转轴上。换向器上放置着电刷，电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。他励直流电动机的等效电路如2-1：根据图2-1，可以得到直流电动机的数学模型：（2-1）式中——电枢电压；——电枢电流；——电枢电路总电阻；——感应电动势；——电枢电路总电感；其中感应电动势为： （2-2）式中——感应电动势计算常数；——每极磁通；——电动机转速。将式（2-2）带入式（2-1）可得：（2-3）直流电动机的电磁转矩为：（2-4）转矩平衡方程为：（2-5）式中——折算到电动机轴上的转动惯量； ——电动机的电磁转矩；——负载转矩；——电动机角速度；——电动机转矩常数。由式（2-3）可得，直流电动机的转速控制方法可以分成两类：励磁控制法：即对励磁磁通进行控制；电枢电压控制法：即对电枢电压进行控制；励磁控制法是在电动机电枢电压保持不变时，通过改变励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速。此方法存在以下缺点：（1）调速范围小：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。（2）励磁线圈电感大：动态响应差。由于上诉缺点，这种调速方法用的较少。电枢电压控制法是在励磁磁通保持不变的情况下，通过调整电枢电压来实现调速的。在调速时，可以保持电枢电流不变，从而保持输出转矩不变，从而可以得到具有恒转矩特性的大的调速范围，因此大多数场合下都采用电枢电压控制法。采用电子开关器件，通过脉冲宽度调制（即PWM）来控制电机电枢电压，从而实现调速。图2-2中，利用功率MOSFET作为开关器件。当MOSFET栅极输入信号为高电平时，MOSFET开通，此时电机两端电压为U，当MOSFET栅极输入信号为低电平时，MOSFET关断，电机两端电压为0。开关管重复开通关断，则电机两端电压波形如图2-3.电机两端平均电压为图2-2PWM调速的原理图2-3相应电压波形（2-6）（2-7）式中——占空比占空比指在一个开关周期内开关管开通时间同开关周期的比值。01。由式（2-7）知，电枢电压在不变的情况下仅取决于占空比。通过改变占空比的值，便可改变电机电枢两端电压，从而达到控制电机转速。占空比可以通过以下三种方法改变：定宽调频：即保持不变，改变，同时也将被改变。定频调宽：即保持不变，改变，同时也将被改变。调宽调频：即同时调节和。定宽调频法和调宽调频法在调节占空比的同时也改变了控制脉冲的频率，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，就会引起震荡，因此电机调速主要采用定频调宽法。直流电动机在多数场合要求能够正反转，这时需要使用可逆PWM调速系统。可逆PWM系统按照控制方式分为单极性驱动和双极性驱动。以下将介绍单极性驱动和双极性驱动可逆PWM系统。2.2直流电动机单极性驱动可逆PWM系统单极性驱动是指在一个PWM周期内，电动机电枢两端电压呈单一性变化（或者正向，或者负向）。 常见单极性驱动电路有2种，一种为“T”型，它由两个开关管组成，采用正负电源驱动，相当于两个不可逆系统的组合，其电路像横放的“T”，成为T型。由于T型单极性驱动电路电流不能反向，并且正反转切换需要等到电枢电流为0，动态性能较差，采用较少。相对于T型电路，H型双极性驱动电路是一种经常被采用的电路，因电路形式像“H”而得名。下面对H型电路重点介绍。H型可逆单极性PWM驱动电路如图2-4所示。该电路由4个二极管和4图2-4H型单极性可逆PWM驱动电路个开关管组成。由于本系统采用的是功率MOS管，其体内寄生有二极管，故不需要另加二极管。系统由单个直流电源供电。当需要正转时（规定电流由左到右是电机正转），开关管和交替开通关断，开关管一直关断，开关管一直开通，驱动波形如图2-4所示。当需要反转时，开关管一直关断，开关管一直开通，开关管和交替开通和关断。下面对单极性可逆PWM驱动电路工作情况分析。按照直流电动机的带载情况不同，可以把直流电动机工作情况分为轻载、重载、反转三种，各种情况下电流波形如图2-5所示。下面就单极性可逆PWM驱动电路下的三种工作情况进行说明。图2-5单极性可逆PWM调速系统电流波形1.电动机正转重载工作情况分析当电动机在这种情况下工作时，电枢平均电压大于感应电动势。在每一个PWM周期里，0～时间内，开关管开通，开关管截止，电流从经，电动机电枢，流入电源地。如图2-4的虚线1所示。其电枢电流波形如图2-5a中1段所示。在～时间内，开关管关断，开关管开通，电源从电路中切除，在电动机自感电动势的作用下，电枢中电流方向不会突变，电流经过开关管和二极管续流。其电流回路如图2-4中虚线2所示，其电流波形如图2-5中a正转所示。2.电动机空载或轻载工作情况分析当电动机工作在空载或轻载情况时，据公式2-1，由于电动机电枢电流小，近似等于。在每个PWM周期内，时间内，开关管截止。一开始，电流方向如图2-5中虚线4所示，电流逐渐减小，当电流减小到0后，开关管开通，电流方向改变，如图2-5中虚线1所示。 时间内，开关管关断，电流首先沿图2-5中虚线2续流，当电流逐渐减小到0后，开关管开通，在感应电动势的作用下，电流方向变为如图2-5中虚线3所示。电枢电流如图2-4c所示。3.电动机减速工作情况分析当电机工作在减速情况时，平均电动机电压要小于感应电动势。在每个PWM周期内，时间内，在自感电动势和感应电动势的双重作用下，电流经二极管和二级管流回电源。其电流回路如图2-4中虚线4所示，电机处于再生制动模式。时间内，开关管开通，关断，在电动机自感电动势的作用下，电流经二极管和开关管形成回路，如图2-4中虚线3，电动机处于能耗制动状态。电动机电流如图2-5中b所示。通过以上分析可以看出，单极性可逆PWM驱动的电流波动较小，可以方便地实现4个象限内运行。因此其适用范围广泛。下面介绍双极性可逆PWM系统。2.3直流电动机双极性驱动可逆PWM系统双极性驱动是指在一个PWM周期内，电动机电枢电压极性不单一，呈正负变化。同单极性驱动电路，双极性也有T型和H型，这里介绍H型双极性驱动电路。图2-6是H型双极性可逆PWM驱动系统。四个开关管都受PWM驱动，其中开关管和驱动信号一致，分别和开关管、信号互补。在一个PWM周期内，在时间内，开关管和开通，开关管和截止。此时，电动机电枢电压为A到B方向；在时间内，开关管和开通，开关管和截止，电枢电压为B到A方向。因此，称之为双极性驱动。双极性驱动下电枢平均电压计算公式和单极性不同，由于期间电压方向发生改变，其计算公式如下：（2-8）图2-6双极性可逆PWM驱动电路下面对双极性可逆PWM驱动电路工作情况分析。按照直流电动机的带载情况不同，可以把直流电动机工作情况分为轻载、重载、反转三种，各种情况下电流波形如图2-7所示。下面就双极性可逆PWM驱动电路下的三种工作情况进行说明。图2-7H型双极性可逆PWM驱动电流波形1.电动机正转重载工作情况分析。 在电动机在这种情况下工作时，电枢平均电压大于感应电动势。在一个PWM周期内，0～时间内，开关管和开通，开关管和截止，电枢中电流如图2-6中1所示。在时间内，开关管和开通，开关管和截止，虽然电枢两端电压反向，但由于电机电感的作用，电流方向仍然不变，电流将逐渐变小。电流波形如图2-7a所示。2.电动机反转工作情况分析 当电动机在较大负载下反转工作时，与1中情况相反，电流波形如图2-7b所示。3.电动机轻载工作情况分析 当电动机工作于轻载情况下时，电枢电流很小，电流波形如图2-7中c所示，即电流呈波动状态。在一个PWM周期0～时间内，开关管和截止，电枢电流从B向A，如图2-6中虚线4所示。当电枢电流减小到0后，开关管和开通电枢电流回路如图2-6中虚线1所示。 在时间内，开关管和截止。电动机电枢电流波形如图2-6中虚线2所示。电枢电流逐渐减小，当电流减小到0后，开关管和开通，电枢电流回路如图2-6中虚线3所示。 由以上分析可得，在双极性驱动情况下，电动机也可以在4个象限内工作。低速时的震荡可以消除静摩擦死区，但是开关损耗要大于单极性驱动电路。2.4本章小结本章介绍了直流电动机脉宽调速的原理。对直流电动机进行了数学模型建立，推倒了转速和占空比的关系，为调速奠定了理论基础。详细介绍了PWM调速的原理及实现方式。分别对单极性可逆调速系统和双极性可逆调速系统进行了原理分析和各种工作情况下的波形分析。比较了两种方式的利弊。第3章系统硬件设计本章主要介绍系统的硬件组成。硬件是软件运行的基础，只有保证硬件系统的可靠性，软件才可以发挥作用。本系统主要包括DSP核心控制板和功率驱动板两部分。本章将以这两部分进行介绍。3.1系统硬件电路构成硬件电路设计必须考虑到信号的可靠性，将系统各部分按照功能划分为模块，既可以减少信号的相互干扰，又可以调高系统的设计效率。本系统的主要框架如图3-1所示：图3-1系统硬件框图整个系统的硬件电路主要由两部分组成：DSP核心控制板、电机驱动部分、信号调理电路、人机交互部分组成。（1）DSP核心控制板采用TI公司的TMS320F2812作为控制芯片，是整个控制板的核心。（2）电机驱动部分包括电平转换、光耦隔离、隔离电源、开关管电路等功能电路。（3）信号调理电路包括各个反馈信号的整形，滤波，放大等等。3.2DSP芯片外围电路设计（1）DSP供电电路设计DSP最小系统板采用5V电压供电。TMS320F2812供电电压分为两部分：3.3VIO电压和1.8V内核电压。由于DSP对电源电压要求严格，需要选用高精度的供电芯片。同时对3.3V和1.8V的电源上电顺序有严格要求，不适宜采用双电压芯片供电。本系统采用TI公司的PS767D318。该芯片是线性稳压芯片，具有双通道电压调节器，具有上电检测复位，故障信号输出等。同时输出3.3V和1.8V电压，完全满足DSP工作需要。具体电路图如图3-2所示：图3-2DSP供电电路设计（2）复位电路设计本系统共有三个复位信号，分别是DSP供电芯片PS767D138产生的两路复位信号和复位按键产生的一路复位信号。电源芯片PS767D138可以检测输出电压，但输出电压偏离设定值时便会产生复位信号，以保证DSP的正常工作需求。按键复位用于用户自定义复位。三个复位信号通过二极管组成的或逻辑电路，无论哪个复位信号产生作用，均可以使DSP复位。具体电路如图3-3所示：图3-3DSP复位电路（3）时钟电路系统采用了30M的无源晶振，通过DSP内部PLL将DSP配置在150MHz。具体电路如图3-4所示。图3-4时钟电路（4）JTAG电路为了方便程序的调试、下载，系统设计了JTAG仿真器下载接口。具体电路如图3-5所示。图3-5JTAG电路3.3功率板电路设计3.3.1功率板控制部分电路设计（1）控制部分电源设计本系统的功率板采用统一的12V电源供电。控制部分需要如下多路电压，分别是5V，-5V，3.3V。以下结合具体电路分别说明各个电压产生电路。a.5V电源作为控制部分主体电源。包括外围电路供电，3.3V产生，-5V产生。考虑到12V到5V电压差较大，且5V功率较大。故系统采用了开关稳压芯片。通过增大输出滤波电容，可以在保证效率的情况下保证较小纹波。选用LM2596-5.0开关稳压芯片。LM2596开关电源降压型电源管理芯片，能够输出3A的驱动电流。同时具有良好的线性和负债调节性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz。较高的开关频率可以减小滤波原件的体积。该器件只需4个外接元件。具体电路如图3-6所示。图3-65V电压产生电路系统部分外设需要3.3V电压。如LCD显示，串口电路等。本系统采用LM1117线性稳压芯片产生3.3V电压。LM1117是一个低压差电压调节器。其压差在1.2V。并提供电流限制和热保护功能。电路包括1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内。具体电路如图3-8所示。图3-83.3V电压产生电路由于系统需要运用大量运算放大器，需要负电压。本系统采用正负5V为运放供电。-5V电压采用负压转换芯片ICL7660。ICL7660是Maxin公司生产的小功率极性反转电源转换器。其静态电流典型值为170uA，输入电压范围为1.5-10V，工作频率为10KHz，只需外接10uF的小体积电容。效率高达700mA。具体电路如图3-7所示。图3-7-5V电压产生电路（2）电平转换电路设计电平转换电路主要用于PWM信号由DSP输出到光耦输入。由于采用TLP250光耦，信号电信输入电流要8mA，而DSP典型输出只有4mA。为了保证系统可靠工作，添加了电平转换电路，提高PWM信号驱动能力。电平转换芯片选用SN74LVC4245DW。具体电路如图3-9所示。图3-9电平转换电路（3）串口SCI通信电路TMS320F2812自带了两个标准的串口通信接口，但电平是CMOS电平，不能与PC串口直接通信。需要进行串口电平转换。本系统采用MAX232专用电平转换芯片。具体电路如图3-10所示。图3-10串口通信电路（4）人机交互电路设计为了方便系统调试，使操作更舒适化，系统在人机交互电路方面采用了LED状态指示灯、蜂鸣器、LCD液晶显示器、矩阵键盘等交互部分。具体电路如图3-11所示。图3-11人机交互部分电路3.3.2功率板控制部分电路设计系统需要多路模拟信号。包括电机电流信号、测速发电机转速信号、1.25VADC矫正电压信号、2.5VADC矫正信号。模拟信号在送入DSP之前需要按照要求进行放大，滤波，衰减，抬升等操作。以保证信号的完整性、正确性。以下以具体电路分别对本系统的各路信号处理加以说明。（1）1.25V和2.5VADC矫正信号调理电路TMS320F2812具有12位ADC模块。在实际工程应用中，AD精度往往达不到12位，往往只有9位左右。为了提高ADC采样精度，需要对ADC进行校准。校准的原理是通过对已知的两路电压信号进行采样，计算出误差值，然后用计算的误差值校准实际的采样值。具体方法在第六章ADC矫正中解释，本处只对硬件电路做说明。 通过电压基准TL431提供两路电压基准，1.25V电压和2.5V电压。具体电路如图3-12所示。如图3-12，利用电压基准芯片TL-431产生2.5V基准电压。然后利用电阻分压，产生1.25V基准电压。为了确保TL-431可靠工作，产生可靠的基准电压，在电压进入TL-431之前进行了LC滤波。同时输出侧并联了47uF的电解电容。图3-12电压基准产生电路（2）交流测速信号调理电路本系统采用的是交流三相测速发电机。需要对三相交流测速发电机的输出信号进行整流、滤波、衰减。具体电路如图3-14和图3-15所示。图3-14交流测速整流衰减电路如图3-15所示，在输出部分，通过肖特基二极管BAV99对调理电路输出信号进行钳位，防止损坏DSPADC。具体原理为：当运放输出电压超过3.5V，BAV99上端二极管开通，将电压钳位到3.5V，防止电压继续增高损坏DSP。当输出电压低于-0.2V，BAV99下端二极管开通。本系统其他部分BVA99用法与此处相同。图3-15交流测速信号滤波电路（3）直流测速信号调理电路考虑到系统的适应性，本系统在原有设计的基础上增加了直流测速电路。与交流测速一样，直流测速也需要对信号进行衰减、滤波等操作。不同的是，直流测速对电机正反转表现为输出电压极性相反。由于DSP只能对正电压进行采样，所以需要对直流测速电压进行抬升，使之在全范围内均可被DSP采集。具体电路如图3-16和图3-17所示。图3-161.5V抬升电压产生电路如图3-16所示，通过TL-431产生2.5V基准电压，衰减3倍后通过运放放大适当倍数，实现1.5V电压作为直流测速信号抬升电压。图3-17直流测速信号调理电路（5）电流采集调理电路在双闭环系统中，电流信号采集至关重要。本系统采用的是霍尔电流传感器。该传感器输出电压信号，具体电路如图3-18和图3-19所示。图3-18直流测速电流信号衰减电路图3-19直流测速电流信号滤波电路3.3.3故障保护电路设计故障保护电路主要防止系统在工作过程中出现超过系统安全承受范围状况。一旦产生故障，如上下桥臂直通、母线欠压、母线过压、过温等异常情况时，通过保护电路使DSP产生相应的措施。本系统所设计的母线安全电压范围为30V～80V。a母线欠电压、过电压保护母线电压采集通过电阻器进行分压。传统实现过压和欠压保护多采用基准电压和比较器的方法。但是在实现起来有诸多不便，体现在：（1）高压侧电压较高，产生精确的且与控制电路隔离的基准电压不易；（2）比较器需要供电，且电源需要与控制部分隔离。隔离电源实现麻烦。考虑到以上方案的弊病，本系统采用了TL-431的特殊用法——比较器用法。利用TL-431内部的2.5V基准可以实现在不需要外加基准电压和比较器的情况下实现电压比较功能。具体电路如图3-20所示。图3-20欠压保护电路图3-21过压保护电路下面以欠压保护为例进行说明：当母线电压VBUS高于30V时，TL-431的1脚电压高于2.5V，此时TL-4312脚和3脚间不开通（此为TL-431特性），光耦发光二极管上有电流流过，LO输出低电平。当母线电压VBUS低于30V时，TL-431的1脚电压低于2.5V，反之。b防桥臂直通保护由于系统功率部分所需的4路PWM波均通过DSP直接产生，死区也由程序实现。为了防止PWM输出部分出现同一桥臂上下脉冲同时为高出现桥臂直通现象，本系统对输出PWM波做了硬保护。当出现上述异常情况时，将通过保护电路封锁PWM输出。具体电路如图3-22所示。图3-22PWM输出保护电路最终，将欠压、过压、PWM故障信号进行统一，输入到TMS320F2812的驱动保护PTPINTA端，实现保护。具体电路如图3-23所示。图3-23综合保护电路另外，本系统对温度信号也进行了采集。利用数字温度芯片DS18B20，当温度出现故障时，在程序中对系统进行保护。具体电路如图3-24所示。图3-24数字温度采集电路3.3.4功率电路设计（1）本系统采用H桥式电路拓扑。采用H桥式电路，可以方便地实现电动机四象限运行，并且可以当极性控制及双极性控制。功率开关器件采用MOSFETIRF540。IRF540，N沟道增强型MOS管。采用“Thrench”工艺，使其有低的开通内阻，快速开关，低的热敏电阻。广泛采用于DCDC转换器、开关电源、电视及电脑显示电源等场合。具体参数如下：，，。由上面参数看出，IRF540完全满足本系统所需。具体电路如图3-25所示。图3-25功率主电路图（2）MOSFET驱动电路考虑到DSP数字部分工作电压低，而功率部分工作电压高。为了防止功率侧高电压窜入控制侧，引起控制部分损坏，以及威胁试验人员人身安全。功率侧和控制侧的隔离至关重要。本系统采用驱动光耦来实现功率侧和控制侧的隔离。光耦采用TLP-250。具体参数如下。输入电流：5mA供电电压：10-35V工作频率：25KHz瞬间输出最大电压：1.5A。具体电路如图3-26所示。图3-26光耦隔离驱动电路（3）隔离电源设计光耦隔离电路需要隔离电源，本系统采用的是晶源电子公司的B_S-1W/B_D-1W系列隔离电源模块。通过输入12V转换为三路隔离的12V输出电压。具体电路如图3-27所示。图3-27隔离电源电路3.4硬件可靠性设计随着电子技术的飞速发展，电子设备的应用领域越来越复杂，条件越来越恶劣，因此系统的可靠性成了必须考虑的因素。系统的可靠性关系到很多因素。系统的抗干扰性是系统可靠性的主要性能指标。如果抗干扰性能不好，将会引起测量数据不准确、数据值波动幅度大、系统供电电压不稳等等各种问题，造成系统无法工作，甚至损坏。本系统主要的干扰源有以下几方面：(1)DSP产生的PWM信号，高频器件造成的电磁辐射干扰；(2)大功率或大电流功率驱动电路，开关器件开关过程中造成的电磁干扰；(3)信号传输线之间的交叉干扰；(4)各供电电源的串入干扰。针对以上四方面的干扰因素，本系统在设计过程中采取了以下措施：(1)DSP最小系统板和驱动控制板相隔离。DSP最小系统板是TMS320F2812的最小系统电路。包括时钟电路等高频电路。高频电路易对模拟信号产生干扰，所以将最小系统单独制板，同时也便于最小系统板的再利用。（2）开关驱动部分与信号处理电路分开布局功率MOSFET及其驱动光耦工作电压高，开关频率高，是主要的噪声源。功率板上的信号处理电路（主要包括霍尔电流采集、测速发电机电压采集等）对信号质量要求高。因此，将这两部分分开布局，有助于提高系统的抗干扰性，提高信号的质量。（3）不同的信号分开布局将AD采集部分尽量远离PWM等高频部分，减少信号串扰。具体电路布局见图3-28所示。图3-28控制板整体布局图（4）隔离式电源系统采用了数字电源、模拟电源、功率电源。各个电源相互隔离，其中数字电源和模拟电源通过电感进行连接。减小了不同电源之间的串入干扰。3.5PCB实物展示系统PCB分两部分：DSP最小系统板和功率控制电路板。下面给出PCB实物照片。图3-29最小系统正反面图图3-30整体系统电路图3.6本章小结本章详细介绍了基于DSP的直流脉宽调速系统的硬件电路设计，DSP核心板和功率驱动板。包括TMS320F2812芯片外围电路设计、人机交互设计、信号调理电路设计、功率驱动板电路设计及相关器件选型。最后对系统硬件可靠性设计做了详细阐述。第4章控制策略本系统采用串级双闭环控制策略。其控制原理如图4-1所示。整个控制系统由转速PID控制器ASR和电流PID控制器ACR两个控制器组成。其中ACR控制器作为整个控制系统的内环，ASR控制器作为外环。外环的输出作为内环的给定。利用串级调速的优点，可以提高系统的抗干扰能力，通过合理的设计调节器的参数，可以提高系统的稳定性。图4-1双闭环直流调速系统稳态结构框图以下将从PID控制器的简介，双闭环控制器的优点，数字双闭环PID控制器的实现三方面进行详细说明。4.1PID控制器简介PID控制器由于其结构简单、实现容易，并且具有较强的鲁棒性，因而在各种工业控制领域广泛应用。作为一种应用范围很广的控制规律，PID在相当长的时间内仍然在工控领域占据着主导地位。4.1.1PID控制算法特点在工业控制领域，目前采用最多的控制方式仍然是PID控制。由于其结构简单，操作简单，在宽范围内都有良好的鲁棒性。将误差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成最终控制量，这样的控制器称为PID控制器。作为一项早在上世纪30年代就出现的控制算法，PID控制器至今得到了长足的发展。特别是随着计算机时代的到来，数字PID技术发展迅速，使PID技术焕发了新的活力。截至目前，PID控制仍然是生命力最强、历史最悠久的控制方式，这是因为其以下特点：（1）PID控制器原理简单，方便使用，参数整定方法完善，很容易为工程技术人员掌握。（2）PID控制算法体现了动态控制过程中的过去、现在和将来的主要信息。通过对P、I、D参数的合理整定，可以达到很好的控制效果。（3）PID控制的鲁棒性强。（4）PID控制有很强的适应性，在电气传动、化工、机械制造、伺服系统等等工业过程控制部门广泛应用。（5）PID控制器经过数字发展后，形成了多种改进的控制算法。可以对自身缺陷进行改进。正是由于上述优势，使得PID控制仍然是电气传动和过程控制中最广泛的控制算法。4.1.2PID控制器结构和原理PID控制器是一种基于“比例，积分，微分”信息的简单有效控制算法。常规的PID控制系统原理图如5-2所示：图5-2模拟PID控制简图PID控制器根据给定值rin(t)与输出值yout(t)得到偏差：（4-1）模拟PID控制输出为：（4-2）其传递函数为：（4-3）式中——比例系数；——积分时间常数；——微分时间常数；PID个环节的作用如下：（1）比例环节：成比例地反应偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：用于消除系统误差。积分时间常数越大，积分作用越弱，反之越强。（3）微分环节：用于反应偏差信号变化的趋势即变化速率，从而加快系统的响应速度。4.2双闭环控制器简介采用单个转速PID调节器的单闭环直流调速系统（以下简称单闭环系统）可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，当对调速系统动态特性要求较高，比如：突加负载、突减负载、快速启动、快速制动等，单闭环系统就难以满足要求。主要原因是在单闭环中不能控制电流和转矩的动态过程。为此，在电机允许的最大电流和转矩受限制的条件下，充分利用电机的过载能力，在加速过程中始终保持电流为允许的最大值与负载想平衡，从而转入稳态运行。其起动过程波形如图5-3所示，启动电流呈方型波，转矩按线性增长。图4-3理想的快速启动过程为了使电机电流按照图4-3所示的波形变化，按照控制规律，采用电流负反馈可以得到近似的恒流过程。为了实现转速环和电流环分别起作用，可在系统中再加入电流调节器，即使用转速和电流调节器，分别调节转速和电流。二者实行嵌套，如图4-1，把转速环的输出作为电流环的输入，作为给定。再利用电流环的输出控制电力电子器件。便形成了转速电流双闭环调节器。4.3PID控制算法的数字化4.3.1PID控制算法数字化在计算机控制系统中，当有足够高的采样频率时，可以先按照模拟系统的设计方法设计调节器，然后再进行离散化。就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。对模拟PID控制器进行离散化处理，即对式（4-3）用后向差分近似代替微分，得（4-4）省略采样周期，即记为，则（4-5）式中，是积分系数；是微分系数。式（4-5）是位置式PID控制算法。由式（4-5）得（4-6）式（5-5）与式（5-6）相减，得（4-7）式（4-7）即为增量式PID算法。位置式PID和增量式PID本质上是一致的。对比式（4-5）和式（4-7），位置式PID需要对此次采样以前所有的误差信号进行求和，而增量式PID只需要计算出每一次的增加量，相比之下，计算量小，容易实现。对此，对增量式PID优势做一下介绍。（1）只需计算出每一次误差的增量，节省单片机内存和运算时间。（2）每次只对进行计算，计算误差影响小。（3）每次输出只增加，误动作产生的误差小，便于实现无扰动切换。但增量式PID也有其不足之处，有静态误差等。在实际应用中究竟使用位置式PID还是增量式PID，要看执行机构的构成特性。如果执行机构具有积分特性部件（如具有此轮传递特性的位置执行机构、步进电机等），应该采用增量式PID控制算法；反之没有积分特性部件，则该采用位置式PID控制算法。4.3.2数字式PID控制算法的实现过程在应用计算机实现PID控制算法时，实现过程如图4-4和图4-5所示。图5-4位置式PID的实现图5-5增量式PID的实现4.3.3数字PID参数整定数字系统参数的整定有两种方法：直接设计法和间接设计法。当采样频率足够高时，可以把数字系统近似看成模拟系统，先按模拟系统理论来设计调节器的参数，然后离散化，得到数字控制算法，这是按模拟系统的设计方法，或称为间接设计法。如果采样频率虽然能基本符合采样定理的要求，但并不足够高，或者对控制性能要求较高，就必须考虑采样保持因素，根据离散控制系统理论来设计数字控制器这是按离散系统的设计方法，或称直接设计法。本系统采样频率为10KHz，采样频率足够高，可以按照间接设计法来设计调节器参数。在设计调节器参数前，首先要确定调节器的结构，以确保系统的静动态性能。本系统调节器按照工程设计法设计，本着先内环后外环的设计思想，其过程如下。a．电流内环设计：为了实现电流内环稳态时没有静差，以得到更好的堵转特性。其次在动态要求上，实际系统不应该在突加给定时有太大超调，避免电枢电流超出允许值，为此，电流环应以跟随性能为主，选用典型I型系统，其开环传递函数如下：（4-8）要想将电流环校正成典I系统，应采用PI型调节器，其传递函数如下：（4-9）式中——电流调节器的比例系数——电流调节器的超前时间常数参数计算过程如下：1.确定时间常数电流环反馈滤波时间常数：=0.2msPWM变换装置滞后时间常数：电流环小时间常数之和：2计算调节器参数 电流调节器超前时间常数：=0.004s 电流环开环增益：取，于是，电流环的比例系数为3．校正近似条件电流环截止频率：PWM变换器传递函数近似条件，满足近似条件忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件，满足近似条件b转速环设计 为了实现转速无静差，应采用典型系统。其开环传递函数如下：为此，速度环也应该采用PI调节器，其传递函数如下：式中——转速调节器比例系数 ——转速调节器超前时间常数参数计算过程如下：1确定时间参数电流环等效时间常数，有上述计算得，，则=0.0006s（1）转速滤波时间常数：根据所选用的测速发电机参数，取（2）转速环小时间常数：按小时间近似处理，2计算调节器参数取h=5，电流环超前时间常数为可得电流环开环增益为得电流环比例系数为3验证近似条件转速环截止频率为（1）电流环传递函数简化条件，满足近似条件（2）转速环小时间常数近似处理条件，满足近似条件4.4本章小结 本章主要对系统控制策略进行了详细阐述。系统采用双闭环控制策略，内环和外环均采用PI调节器。本章详细介绍了PID控制器的原理，首先介绍了模拟PID控制器的形式，然后介绍了模拟PID到数字PID的实现过程。接着结合具体流程图介绍了数字PID在计算机上的具体实现。最后，介绍了基于工程设计法的PID参数整定。第5章控制系统软件设计完整的控制系统包括硬件电路部分和软件部分。两者共同工作、相互补充才能完成系统的控制。可靠的硬件电路保证了系统控制实现的基本条件，完善的软件系统才能最终使硬件系统发挥性能。本章根据硬件电路，结合TMS320F2812的开发环境给出了系统各部分程序实现及具体代码。电机控制系统对软件的基本要求如下：（1）控制软件可靠性要求软件的可靠性是指在规定的条件下，在规定的时间内软件不会引起系统失败的概率。对于电机控制软件，在软件设计过程中必须考虑到可能出现的各种问题，并以保护系统作为首要任务，以此提出相应的处理方法，确保系统的安全。（2）控制软件的实时性要求由于数字系统是离散控制系统，电机控制的一系列动作必须在规定时间内完成，否则就失去了意义。例如：对反馈信号的采集、电机控制算法的运算、控制信号的生成、各种中断处理信号等等。为了满足实时性要求，必须对程序进行优化，节约单片机资源，加快处理速度。（3）控制软件的可读性、可移植性、可升级性要求好的软件必须要有好的结构设计，以利于调试过程中代码的修改和补充。同时代码应具有良好的可读性和可移植性，以便于优秀代码的直接调用或相互移植。同时，为了便于日后程序的升级及优化，程序的升级也必须十分方便。5.1软件设计思想软件系统设计思想同硬件设计思想基本一致，即模块化设计思想。模块化设计思想对系统整体设计十分有利，可以降低设计风险并提高效率。对应于系统的硬件电路设计，按照控制系统的工作原理和闭环控制要求，将各功能子模块进行细分，如下：1.系统初始化模块为了使系统能正常工作，需要对一些寄存器进行初始化，配置系统的工作模式。对全局变量进行初始化，对系统时钟进行时能。该模块为整个软件系统的工作基础。2.事件管理EV模块该模块主要用于产生4路PWM驱动信号，同时用于产生AD采集的中断信号。3.ADC采集模块该模块主要完成对电流信号、电压信号等模拟信号的采集。并对各信号进行滤波处理减少系统噪声的干扰，提高系统的采样精度。4.LCD显示模块该模块是对LCD5110的驱动和使用。LCD5110是诺基亚公司的一款液晶，具有48×84的分辨率。用于显示系统的参数和速度的设定。5.通用IO口，GPIO模块该模块对系统所需的所有IO口进行配置，包括功能设置，方向设置等。6.PID模块该模块用于实现PID算法，包含了PID算法离散化的具体过程及具体程序代码。7.中断处理模块该模块定义了系统所有的中断，并在中断函数里对各个中断的执行任务做了处理。主要包括驱动保护中断、事件管理周期中断、ADC采样中断。8.矩阵按键模块该模块是矩阵按键的使用函数，用于设定速度给定值。9电机控制函数模块该模块主要完成对速度环和电流环的PID参数给定。及电流、电压参数的转换等。5.2控制系统主程序设计系统主程序主要完成参数变量的初始化、各个模块的初始化、系统所用到功能外设的使能、中断的配置等。如图5-1所示。图5-1系统主程序流程图voidInit(){ InitSysCtrl(); DINT; IER=0x0000; //禁止CPU中断 IFR=0x0000; //清除CPU中断标志 InitPieCtrl(); //初始化PIE控制寄存器 InitPieVectTable();//初始化PIE中断向量表 InitGpio(); //初始化GPIO InitEv(); //初始化EV InitAdc(); //初始化ADC LCD_Init(); //LCD5110液晶初始化//InitSpi(); //初始化SPI InitSpeedCtrl(); //初始化PID参数 IER|=0x0003; //开CPU中断1,2 EINT; //使能全局中断 ERTM; //使能实时中断 EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1;//启动T1定时器}voidmain(){Init(); //初始化 LED_1=1; //状态良好指示灯1亮 LED_2=0; //状态故障指示灯2灭 FM=0; //关蜂鸣器 Key_Temp=0; // Speed=0; //速度给定为0 Speed_Key=0; while(1) { FuZhi(); //按键扫描赋值 LCD_Display(); //LCD显示 }}5.3各功能模块程序设计本节将介绍DSP控制系统用到的各个功能模块。所有的模块组成软件整体系统。5.3.1系统初始化程序模块该模块对DSP的系统工作时钟进行配置。同时开启用到的外设时钟，使各个外设正常工作。voidInitSysCtrl(void){Uint16i;EALLOW;SysCtrlRegs.WDCR=0x0068;//禁止看门狗模块SysCtrlRegs.PLLCR=0xA;//如果外部晶振为30M，则SYSCLKOUT=30*10/2=150MHzSysCtrlRegs.HISPCP.all=0x0001;//HSPCLK=150/2=75MHzSysCtrlRegs.LOSPCP.all=0x0002;//LSPCLK=150/4=37.5MHzEDIS; }5.3.2PWM驱动模块该模块主要完成PWM信号的生成。用到了DSP的EVA事件管理器外设。主要配置的寄存器如下。a定时器1控制寄存器T1CON；b定时器1周期寄存器T1PR；c比较控制寄存器COMCONA；d通用定时器全局控制寄存器GPTCONA。事件管理器EVA有3个全比较单元，其中每个全比较单元都有2个相关的PWM输出。比较单元的时钟由通用定时器1提供。全比较单元作为PWM信号的输出电路，主要用来控制PWM信号的占空比。同时通过死区单元，设置互补输出PWM波的死区时间。本系统的PWM信号的频率是10KHz，死区时间为1us。通过实时改变全比较单元比较寄存器CMPRx的值，就可以生成不同占空比的PWM信号。此处具体程序见附录。5.3.3ADC模块TMS320F2812的ADC模块有16个通道，可以配置为两个8通道模块，也可以级联成为一个16通道的模块。ADC模块只有一个转换器，所有通道要先经过排序然后按顺序转换，每一次转换完成后，将转换值存储在其各自的ADCRESULT寄存器中。自动排序功能允许对同一个通道进行多次采样，以便实现过采样，提高精度。ADC的模拟电压输入范围为0～3V,输入模拟电压对应的数字公式为：（5-1）为了提高采样精度，系统采用了过采样技术，连续对每个信号进行4次采样。同时在中断函数里对ADC采样进行校准，具体校准程序见中断部分。主要用到的寄存器如下：a控制寄存器ADCTRL1、ADCTRL2、ADCTRL3；b最大转换通道寄存器ADCMAXCONV；c通道选择排序寄存器ADCCHSELSEQl、ADCCHSELSEQ2；d转换结果缓冲寄存器ADCRESUL，TO～7。此处具体程序见附录。5.3.4ADC校准及模拟采样信号的数字滤波前文已经介绍了TMS320F2812的ADC存在较大误差，为了提高采样精度，需要在硬件和软件两方面进行校准。通过硬件设置参考电压，加上程序内的校准，达到了良好的效果。 另一方面，在ADC采集的模拟信号中往往存在很多噪声，尤其是电流信号和转速信号，虽然硬件部分设置了滤波电路，但仍然存在一定的噪声，尤其是在启动过程中。为了提高数据的准确度，必须采取必要的数字滤波从噪声中提取有用的信息。常用的数字滤波有限副滤波法、中值滤波法、中值平均滤波、算术平均滤波、消抖滤波等等。本系统采用的是算术平均滤波，通过4次过采样，取得平均值。具体程序如下：interruptvoidADCINT_ISR(void)//ADC中断函数{ unsignedchari; floatADC_Offset_Result; floatADC_Gain_Result; //实际转换增益寄存器值 floatADC_Gain;//实际转换增益 intADC_0V_Result; intADC_2V5_Result; intADC_Current_Result; intADC_Acspeed_Result; intAdc[16]; //读取ADC转换结果 Adc[0]=AdcRegs.RESULT0>>4; Adc[1]=AdcRegs.RESULT1>>4; ……Adc[15]=AdcRegs.RESULT15>>4; for(i=0;i<4;i++) { ADC_0V_Result+=Adc[i]; //采样4次结果之和 ADC_2V5_Result+=Adc[i+4]; //采样4次结果之和 ADC_Current_Result+=Adc[i+8]; //采样4次结果之和 ADC_Acspeed_Result+=Adc[i+12];//采样4次结果之和 } ADC_Offset_Result=(float)ADC_0V_Result/4;//0V对应的数字值 ADC_Gain_Result=(float)ADC_2V5_Result/4;//2.5V对应的数字值 ADC_Gain=((float)(ADC_Gain_Result-ADC_Offset_Result))/2.506;//实际增益 ADC_0V=(ADC_0V_Result/4-ADC_Offset_Result)/ADC_Gain; ADC_2V5=(ADC_2V5_Result/4-ADC_Offset_Result)/ADC_Gain; ADC_Current=((float)ADC_Current_Result/4-ADC_Offset_Result)/ADC_Gain; ADC_Acspeed=((float)ADC_Acspeed_Result/4-ADC_Offset_Result)/ADC_Gain; ADC_0V_Result=0;//结果寄存器清零 ADC_2V5_Result=0;//结果寄存器清零 ADC_Current_Result=0;//结果寄存器清零 ADC_Acspeed_Result=0;//结果寄存器清零SpeedCtrl(); PieCtrl.PIEACK.bit.ACK1=1; AdcRegs.ADC_ST_FLAG.bit.INT_SEQ1_CLR=1; AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1=1;//复位序列发生器1 AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ2=1;//复位序列发生器2 EINT;}5.3.5PID算法模块本章将介绍积分分离且防止积分饱和的PID控制算法程序设计。第5章介绍了系统采用PD调节器，故程序设计为防止积分饱和的PD调节器。在程序中，采用了C语言中的结构体模型方式定义PID调节器。采用结构体模型可以方便地对变量初始化和修改，并且使用方便。如可以定义速度PID和电流PID，共用一个结构体类型。结构体类型定义如下程序：typedefstruct{ floatRef; //参考输入 floatFdb; //反馈输入 floatErr_Dt;//死区误差 floatErr; //误差 floatKp; //比例系数 floatUp; //比例输出 floatUi; //积分输出 //floatUd; //微分输出 floatOutPresat; //饱和输出 floatOutMax; //最大输出 floatOutMin; //最小输出 floatSatErr; //饱和差值 floatKi; //积分增益 floatKc; //积分修正增益 floatKd; //微分增益 floatUp1; //先前比例输出 floatOut; //PID输出 }PID;程序流程图如图6-2所示。图6-2PID程序流程图详细程序如下：voidPid_Calc(PID*v){ v->Err=v->Ref-v->Fdb; //计算误差 if(v->Err<v->Err_Dt) v->Err=0; v->Up=v->Err*v->Kp; //比例输出 v->Ui=v->Ui+v->Ki*v->Err+v->Kc*v->SatErr; //积分输出 v->OutPresat=v->Up+v->Ui; //预饱和输出 if(v->OutPresat>v->OutMax) v->Out=v->OutMax; elseif(v->OutPresat<v->OutMin) v->Out=v->OutMin; else v->Out=v->OutPresat; v->SatErr=v->Out-v->OutPresat; //装载先前比例输出 v->Up1=v->Up;}5.5本章小结 本章对系统主要软件设计进行了介绍。首先介绍了模块化的软件编程思想，将系统软件设计参照硬件进行分类。其次对系统中重点模块，如：系统初始化模块、PWM发生模块、ADC转换模块、中断处理模块、故障保护模块、信号滤波处理模块等进行了