基于DSP的直流伺服电机的控制VIP

张健：基于DSP的直流伺服电机的控制安徽工程大学毕业设计（论文）5453-基于DSP的直流伺服电机的控制摘要在现代工业生产中，为了实现过程自动化的要求，机电传动和控制系统越来越广泛的应用于各个领域和行业当中。尤其是直流电机和伺服系统在控制系统中的应用，更是促进了现代化工业的高速发展。直流伺服电动机以其优秀的线性机械特性、宽调速、大转距以及简单的控制电路等优点，经过长期的发展，已经成为各自动化系统中应用最多的电机。而随着DSP的出现，以它处理能力强、内置较大的存储器、芯片功耗低及配置资源灵活等特点使直流伺服电机的控制更广泛地应用于各种驱动装置和伺服系统。可见，机电一体化产品质量和技术水平的高低，已经是当今世界衡量一个国家实力和国际地位的重要标志。本论文的研究内容是设计并实现一个基于DSP的直流伺服电机转速控制系统。本设计完成的主要工作不仅要设计调速系统硬件总体结构，对系统各主要部件设计进行详细的分析，对所设计的控制方法进行仿真，而且还要求转速控制达到一般工业要求的标准，并在控制电机启动时控制其启动的电流大小，防止启动过程中的过压和过流。关键词：DSP；直流伺服电机；PWM；PIDDCservoelectromotorcontrollingbasedonDSPAbstractProduceinthemodernindustry,forcarryingouttherequestofprocessautomation,themachinefaxmovesandcontrolssystemmoreandmoreextensiveapplyineachrealmandprofession.Particularlydirectcurrentelectricalengineeringandservosystemarecontrollingtheapplicationinthesystem,itisalsopromotethehighspeeddevelopmentofmodernindustry.Thedirectcurrentservoelectricmotorisadjustedwithit’sexcellentlinemachinecharacteristic,breadthspeed’scontrolandgreatlyturntobeapartfromandsimplecontrolelectriccircuitetcadvantage,processlong-termofdevelopment,havebeenalreadybecameappliedmostelectricalengineeringineachautomation.ButwiththeDSPemergence,Becauseit’sstronglyprocessingabilityandit’sinsideplacebiggersavingmachine,chipachievementconsumelowandallocationtheresourcesvividetccharacteristicsmakethecontrolofthedirectcurrentservoelectricalengineeringmorebroadlyappliedinvariousdriveequipmentandservosystem.Itisthusclearthat,theheightofmachineelectricityproductandtheleveloftechnique,it’salreadybecometheimportantsignofmeasurenationalrealstrengthandinternationalpositionnowadays.TheresearchcontentsofthisthesisisdesignandcarryoutanaccordingtoDSPofthedirectcurrentservoelectricalengineeringturnspeedcontrolsystem.Themainworkofthisdesignnotonlyneedstodesigntoadjustthesystemhardwaretotalstructure,carriesondetailedanalysistosystemeachmainpartsdesign,carriesonimitatingtothecontrolmethoddesignedreally,butalsocarryoutturningofelectricalengineeringcontrolattainthestandardofgenerallyindustrialrequest,andcontroltheelectriccurrentsizewhenstartingofcontrolit’sstart,preventfromleadpressandleadflowinstartprocess.Keywords:DSP；thedirectcurrentservoelectricalengineering；PWM；PID目录引言 -1-1.1课题背景 -2-1.2主要研究内容 -2-1.3研究意义 -2-1.4实现的主要思路 -3-1.5论文后续内容的组织和安排 -3-第2章总体技术方案 -4-2.1总体技术方案 -4-2.2方案的确定 -4-2.3本章小结 -5-第3章系统硬件设计 -6-3.1硬件组成 -6-3.2硬件分析 -7-3.2.1三角波发生器 -7-3.2.2电压-脉冲变化器 -9-3.2.3脉冲分配器及功率放大电路 -10-3.2.4驱动芯片的选择 -11-3.2.5H型功率驱动电路设计 -13-3.2.6电源部分的设计 -15-3.2.7上电复位电路的设计 -16-3.2.8时钟电路设计 -16-3.2.9JATG接口 -17-3.2.10串行通信接口（SCI） -19-3.2.11TMS320LF2407A与D/A转换器接口 -20-3.2.12过流保护 -21-3.2.13过压和欠压保护 -22-3.2.14键盘输入接口电路和LED显示电路设计 -22-3.2.15PID调节器的实现 -23-3.3本章小结 -26-第4章系统软件设计 -27-4.1软件组成 -27-4.2各子功能实现 -27-4.2.1系统初始化模块 -27-4.2.2电机起停控制模块 -28-4.2.3中断服务模块 -29-4.3实现举例 -30-4.4本章小结 -31-第5章仿真 -32-5.1电机的启动，调速与制动 -32-5.2电机控制系统仿真模型的建立 -33-5.3结果分析 -35-5.4本章小结 -40-第6章结论与展望 -41-6.1结论 -41-6.2展望 -41-致谢 -42-参考文献 -43-附录A外文文献及翻译 -45-附录B主要参考文献及摘要 -52-插图清单图2-1系统的整体方案图…………………4图3-1硬件组成框图…………6图3-2DSP最小控制系统……………………6图3-3电路保护部分…………7图3-4三角波发生器…………7图3-5电压脉冲变器………………………10图3-6脉冲分配器及功率放大路…………11图3-7IR2133S引脚图………………………12图3-8H型功率驱动电路图…………………13图3-9电源转换路…………15图3-10上电复位电路………………………16图3-11外接晶体与DSP连接示意图………17图3-12时钟电路图…………17图3-13JTAG接口……………18图3-14JATG端口插针定义………………18图3-15串行通信接口………………………19图3-16外扩存储器接口……………………20图3-17TMS320LF2407A与D/A转换器口…………………21图3-18过流保护电路………………………22图3-19键盘输入接口电路…………………23图3-20LED显示电路………………………23图3-21模拟PID控制系统原理图…………24图4-1系统软件总体主程序流程图………27图4-2系统初始化模块流程图……………28图4-3电机起停控制模块…………………29图4-4中断服务程序………………………30图5-1电机速度控制器……………………33图5-2基于DSP的PID调节双闭环仿真结果……………38图5-3速度阶跃响应………………………38图5-4电流阶跃响应………………………39图5-5理想电机双闭环运行结果…………39表格清单表3-1PWM输出与电机工作状态的关系表…………………14表3-2简化9线接口RS-232标准…………19

引言运动控制起源于早期的伺服控制，而对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。简单控制是指对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是指对电动机的转速、转角、电压、电流等物理量进行控制，有时往往需要非常精确的控制。其中电动机的控制部分己由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用。随着电力电子技术，微电子技术，现代控制理论的发展，直流伺服系统逐渐成为控制系统的主流。伺服电动机亦称执行电动机，它具有服从控制信号的要求和动作的职能，在信号来到之前，转子静止不动;信号来到之后，转子能立即转动，当信号消失，转子能即时自行停转。由于这种“伺服”的性能，因此而命名。当前，电子产品正在发生从模拟到数字的转化，数字化是当前信息领域发展的一大趋势。在这一场数字化的革命中，DSP器件取得了飞速的发展，成为集成电路中继微处理器和微控制器之后，又一个引人注日的产品。在70年代末和80年代初，DSP只有在大学和航天部门才能用到。今天，DSP己经成为通信、计算机、网络、工业自动控制和家用电器等电子产品中不可缺少的基础器件。DSP技术的迅速发展和提高，己经成为决定电子产品更新换代的决定性因素。本系统利用TMS320LF2407A芯片实现了直流伺服控制系统的设计。采用该DSP芯片可使本系统的硬件结构简化，控制精度提高，实时性变强。而且本系统中电机的控制主要由脉宽调制(PWM)系统的微处理器控制，就是将微处理器引入PWM系统，使微处理器成为PWM系统的环节，同时选用适合于微处理器控制的各种现代伺服元件和接口电路，组成一个数字伺服系统。应用软件程序，实现数字比较、数字脉宽调制以及模拟系统中控制回路所需要的各种附加功能，从而实现设计的各种需求。总之，直流伺服技术是一个正在发展中的新技术领域，具有很好的发展前景。第1章绪论1.1课题背景电机控制系统的发展从主传动机电能量转换角度来说，由机械控制系统（如齿轮箱变速），机械和电气联合控制系统（如感应电机电磁离合器调速）发展到全电气控制系统（基于电力电子电源变换器的电机控制系统）；从控制电路来说，由模拟电路，数字和模拟混合电路发展到全数字电路控制系统：从控制策略来看，最初是低效有极控制（如直流电机电枢回路串分级电阻调速），接着是低效无级控制（如感应电机改变转差率调速），后来又改进成高效率无极控制（如交流电机变频调速），发展到现在的高性能智能型控制系统（如自适应系统参数辨识与自校正控制）；从电子控制器结构来说，由体积庞大的电子管控制系统，小功率晶体管控制系统，大功率无自关断能力的晶闸管控制系统发展到全控型电力电子器件构成的控制系统。电机控制系统分为发电机和电动机两个方面，就电动机的控制目标来说，主要有速度控制和位置控制两大类。电机的速度控制系统也称为电机调速系统，它广泛的应用于机械，冶金，化工，交通等工业部门。电机的位置控制系统或位置伺服系统也称为电机的运动控制系统。而直流伺服电机主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.01mm。电机的控制系统是通过电机伺服驱动装置将给定的位置指令变成期望的机构运动，一般系统功率不大，但有定位精度的要求，并具有频繁启动和制动的特点，在雷达，导航，数控机床，机器人等领域得到广泛的应用。1.2主要研究内容本论文的研究内容是设计并实现一个基于DSP的直流伺服电机转速控制系统。本系统要求达到的控制目标为：（1）设计调速系统硬件总体结构，对系统各主要部件设计进行详细的分析，对所设计的控制方法进行仿真。（2）研究DSP数字处理器的原理和电机的PWM控制原理以及PID算法，并给出相关的硬件电路图。（3）控制电机启动的电流大小，防止启动过程中的过流，实现电动机的正反转控制。1.3研究意义伺服系统在机械制造行业中用的最多最广泛，各种高性能机床运动部件的速度控制、运动轨迹控制、位置控制，都是依靠各种伺服系统控制的。电动机是伺服系统的重要执行元件，又称为执行电动机。在自动控制系统中，其任务是将输入的电信号转换为转角或转速，以带动控制对象。因此，对伺服系统的控制关键所在就是对伺服电机的控制。直流伺服电动机具有非常优秀的线性机械特性、宽调速、大转距以及简单的控制电路等优点，经过长期的发展，又具有交流伺服电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。DSP的出现，以它处理能力强、内置较大的存储器、芯片功耗低及配置资源灵活等特点使直流伺服电机的控制更广泛地应用于各种驱动装置和伺服系统。1.4实现的主要思路设计PWM信号产生电路，并通过功率驱动电路放大后来配合DSP芯片进行电机的控制，主要利用其控制电机电枢电压，从而实现调速。1.5论文后续内容的组织和安排在后面的设计当中，首先完成主电路的设计，即PWM信号产生和功率驱动电路的设计。然后，对DSP最小系统进行设计，主要完成的是电源转换模块，上电复位电路，时钟电路，JTAG仿真接口以及相关外围电路的设计。最后，阐述下相关算法和程序控制的实现，以及仿真结果的分析。第2章总体技术方案2.1总体技术方案本文所设计的系统包括三部分:主电路、控制部分和用户定义部分。主电路就是由电机和功率模块共同组成的电机驱动部分。控制部分由DSP控制，由速度环和位置环组成，完成电机的驱动和速度、位置的初始信号以及实时信号的采集和运算，实现系统的循环伺服控制;设定和显示部分完成系统的起动、停止、复位的设定以及速度和位置的给定值和实时值的显示，实现人机对话。本系统的整体方案图如下图2-1所示：图2-1系统的整体方案图2.2方案的确定常用的伺服电机控制方法有：（1）基于晶体管的PWM直流伺服电机控制系统：该系统主要由电流内环，速度中环，以及位置外环和晶体管开关式放大器以及PWM信号电路组成。电流调节器，速度调节器以及位置调节器由模拟电路组成PID调节器。晶体管开关式放大器是控制系统的主回路，一般为双极性和单极式两种。PWM的作用是将电压量转换成脉冲宽度可由控制信号调节而变化的脉冲电压。脉冲宽度调节器从结构上由调制信号发生器和比较放大器两部分组成，调制信号发生器采用三角波发生器或者锯齿波发生器。虽然PWM波动大，硬件成本高，但是与可控硅相比其控制简单，开关性能更好，驱动电路响应快，PWM控制波形易于才用软件实现，故随着晶体管技术的成熟已经广泛的用于电机控制系统中。（2）基于DSP的直流伺服电机控制：方式（1）虽然能实现全数字化控制，但是由于单片机的处理速度慢而不能很好的实现电机的实时控制。而在直流伺服电机控制系统中引进DSP控制器，可以更好的处理电流环，速度环与位置环，足以实现电机的实时控制。而且基于DSP的数字化直流伺服电机控制系统缩小了系统体积，提高了系统可靠性，随着控制系统的批量增大，软硬件成本低的优势越来越显著。对于上述中的速度环，位置环和电流环，其主要组成和作用如下[1]：速度环由脉冲编码器、信号处理电路、捕获单元、速度给定、以及速度控制器组成。电机转速由脉冲编码器进行检测。脉冲编码器将转速转化为对应脉冲信号，通过信号处理电路的处理，由捕获单元捕获并且送入DSP。经过速度控制器(PI调节器)的运算，得出相应的控制信号送出到比较单元，同时作为电流环的给定值。位置环是一个单环电路。它是从速度环的检测电路送出，包括脉冲编码器、信号处理电路、捕获单元、位置给定以及位置控制器。脉冲编码器安装在电机的转子上，转子旋转一周，脉冲编码器也跟着转过一周，通过计算脉冲编码器产生的脉冲数就可以得出当前转子所转过的位置信息护捕获单元将脉冲编码器产生的脉冲捕获并且送入DSP内部的计数器。通过位置控制器(PID调节器)运算得出输出量送到比较单元。通过位置控制器运算得出输出量，并将输出量作为速度环的给定。电流环由主电路、霍尔电流传感器、信号处理电路、AD转换器、电流调节器、电压比较电路组成。霍尔电流传感器可以检测主电路的电流信号并且将电流信号转化为成比例的电压信号。由于DSP只能处理数字信号，因此要将电流传感器送出的电压信号经过A/D转换器转换为数字信号送入DSP进行处理，从而决定功率模块输出。当主电路的工作电流过大时，很容易损坏电机，因此必须要对电流进行上限限制。电流调节器采用PI调节器。用户定义部分由PC控制，它和DSP控制器之间通过串行通信来实现数据交换。综上所述，本直流伺服电机控制系统的设计采用方式(1)和(2)结合的方法，即基于DSP的基础上，运用PWM脉宽调制信号对直流电机进行控制。其中，在PWM模块中，对主电路和驱动电路的设计是本设计的重点，而在接下来完成DSP控制系统设计和相关硬件的设计，以及相关电路图的完善，这是本设计中的难点和重点。2.3本章小结在本章先对电机控制的常用方法以及DSP芯片在控制系统中的应用进行了阐述，最终根据实际情况确定了控制系统的整体方案和核心的控制方法。在本章设计中，分析了电机控制常用的两种方案，即基于晶体管的PWM直流伺服电机控制系统和基于DSP的直流伺服电机控制。在分析两者之间的优缺点之后，最终把本设计的控制方法定为：基于DSP芯片实时控制的基础上，采用PWM脉宽调制的方法来实现电机的数字化实时控制。故本设计电机控制系统综合了前两种方法的优点，着重体现了电机控制系统的数字化和实时化。第3章系统硬件设计3.1硬件组成全数字化控制电机系统，大体上可以分为控制电路和功率电路两大部分。主电路部分即功率电路，采用H桥型主电路，该形式电路主要用于直流电机的控制。而三相桥型主电路则主要用于同步电机，异步电机以及无刷直流电机和永磁同步电机的驱动控制。而本设计系统主要由三大硬件部分组成，第一部分是主功率电路部分，其主要是由PWM信号产生部分和功率驱动部分组成。其硬件组成框图如下图3-1：图3-1硬件组成框图另一部分是DSP最小控制系统部分，主要由电源转换电路，上电复位电路，时钟电路，外围电路及仿真接口组成。其组成框图如下图3-2：图3-2DSP最小控制系统第三部分是电路保护部分。主要实现电路的过流和过压保护。其硬件组成框图如下图3-3所示：图3-3电路保护部分3.2硬件分析首先进行主功率电路设计，即PWM信号发生电路和驱动放大电路的设计。本设计的主功率电路采用H型双极式功率放大电路。其主要由三角波发生器，电压-脉冲变换器和脉冲分配器及功率放大电路组成。3.2.1三角波发生器系统连接电源后，通过三角波发生器形成所需要的三角波信号，为以后的脉冲信号形成提供电信号基础。其电路图如下图3-4所示：图3-4三角波发生器该三角波发生器主要由运算放大器和组成。在开环下工作，其输出电压为正或负饱和值。和稳压管VZ组成一个限幅电路。为积分器，当输入电压为正时，其输出电压向负方向变化，当为负时，向正方向变化，故正负交替变化时，就形成了一个三角波了。改变积分时间常数的数值可以改变三角波电压的频率，改变电阻与的比值，可以改变的幅值。当电路稳定后，当为时，由叠加原理求出同向输入端的电位为：(3-1)其中，第一项是的输出电压单独作用时的同相输入端的电位；第二项是N2的输出电压单独作用时的同相输入端的电位。比较器的参考电压。要使从变为，必须在时，这时可以从上式（3.1）中得出(3-2)即当上升到时，才能从变为。同理可求，当为时：(3-3)如此周期性的变化，输出的是矩形波电压,输出的是三角波电压.本设计对三角波信号的要求为：频率范围：1-1000输出电压：方波幅值三角波幅值波形特征：方波三角波非线性失真系数小于2%运放和依经验选用AD308型号通用运算放大器，其输入失调电压为,偏置电流，消耗功率，工作电压3~18V，输入电压，共模输入电流则计算过程如下：由三角波波形可以推导出公式：(3-4)又因为(3-5)所以可求出(3-6)又因为要求输出的三角波频率为，此处我们设计的输出电压幅值为。取R3=R7=10K欧，则由(3-7)可求得R4=25K欧C=100uf由N1所在的同相放大电路有：(3-8)依经验取=2K,=10K,==20K，则由上式可求R2=2K3.2.2电压-脉冲变化器PWM为脉宽调制,PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。按一定的规则对这些脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路的输出电压大小，也可改变频率，这就是PWM的基本原理。在本系统中，只涉及到改变脉冲的宽度来改变逆变电路的输出电压大小，而不涉及改变频率。直流电机的调速，就是调节输出脉冲的宽度，得到不同的逆变电路的输出电压，从而使电机可以得到不同的转速。生成的三角波信号通过电压-脉冲变化器后形成一正负脉宽相等的矩形波电压，用于以后电动机的脉宽调制。其电路图如下图3-5：图3-5电压脉冲变换器如上图所示，运算放大器的同向输出端电位为：(3-9)又因为(3-10)由以上两式代入数据可求得：<<1(3-11)故可选取R3=200，R4=20依经验选取R=10,R1=200,R2=4.7,C=0.1若为正，则它使升高。在为正的半周期，当超过时，发生负跳变，升高使充电时间延长。在为负的半周期，当时，发生正跳变，使输出信号处于低电平的时间缩短，即使输出信号处于高电平的脉宽加大，处于低电平的脉宽减小。反之，下降使输出信号处于低电平的脉宽加大，处于高电平的脉宽减小，从而使脉宽受到调制。运算放大器N工作在开环状态，是三角波电压，是由系统输入电压经速度调节器ASR和电流调节器ACR后输出的直流控制电压。当>0时，>0.<0,为正的限幅值，在接下来的时间区间内+>0,故=0（因为负脉冲已消去）。以此类推，重复上述过程，随着的变化，在BU的输出端形成一串正的矩形脉冲，BU的输出电压为一正负脉宽相等的矩形波电压。（注;ASR和ACR均采用比例积分调节器）3.2.3脉冲分配器及功率放大电路由于所产生的矩形波很小，不足以驱动电路，故将上述的矩形波通过脉冲分配器分配后经过功率放大电路进行放大后才可以驱动电路工作。其电路图如下图3-6：图3-6脉冲分配器及功率放大电路当为高电平时，非门1输出低电平，一方面他使与非门5输出Uc1,4为高电平，V1截止，光电管B1也截止，则，经功率放大电路，其输出Ub1,4为低电平，使开关管VT1,VT4（即H型双及式脉宽调制放大器电路中的V1和V4对应的两个功率开关管）截止。另一方面，非门2输出高电平，其后使与非门6的输出Uc2,3为低电平，V2导通发光，使光电管B2导通，则为高电平，经功率放大后，其输出Ub2,3为高电平，使开关管VT2,VT3导通。反之，当U4为低电平时，Uc2,3为高电平，B2截止，Ub2,3为低电平，使VT2,VT3截止；而Uc1,4为低电平，使VT1,VT4导通[2]。可见，随着电压的周期性变化，电压Ub1,4和Ub2,3正负交替变化，从而控制开关管VT1,VT4与VT2,VT3的交替导通与截止。其中功率放大器的作用是把控制信号放大，使能驱动大功率开关管。3.2.4驱动芯片的选择驱动的关键是为上桥的栅极产生一个高于正极12V~15V的电位。本系统所采用的方法是采用国际整流器公司的IR2133专用驱动芯片，外加一个隔离二极管和自举电容获得高于供电正极12V~15V的电源。IR2133是MOS功率器件专用栅极驱动集成器，只需要一个供电电源，即可驱动6个功率开关器件，可以使整个驱动电路更加简单可靠。一片IR2133可代替三片IR2100。且仅需一个输入级电源。其工作温度范围是-50~150度，工作频率从几十赫兹到上千赫兹。可对同一桥臂上下两功率器件的栅极驱动信号产生长达250ns的互锁延时时间。它的工作电压为3~20V,输入信号与TTL及CMOS电平兼容。IR2133的工作原理简述如下[3]:正常工作时，当外部电路不发生过电流、直通故障且IR2I33的自举电路工作电路不欠电压，以及脉冲处理和电平移位器PULSEGENERATORLEVELSHIFTER输出的上桥臂栅极驱动信号不发生欠电压情况时，则从封锁逻辑CLEARLOGIC故障逻辑处理单元FAULTLOGIC及欠电压检测器UVDETECTOR来的封锁信号均为无效，从脉冲形成部分来的六路脉冲信号，经三个输入信号处理器，经过相应转化后，变为六路输出脉冲，其对应的驱动三路下桥臂功率MOS管的信号，经三路输出驱动器功率放大后，直接送往被驱动功率MOS器件的栅源极。而另外三路上桥臂驱动信号H1,H2,H3先经集成于IR2133内部的脉冲处理和电平移位器PULSEGENERATORLEVELSHIFTER中的自举电容进行电位变换，变为三路电位悬浮的驱动脉冲，再经过对应的三路输出锁存器锁存，并经严格的驱动脉冲欠电压与否检验之后，送到输出驱动器进行功率放大，最后才加到被驱动的功率MOS器件的栅源极。一旦外电路发生过电流或直通即电流检测单元送出的信号高于0.5V时，则IR2133内部的比较器CURRENTCOMPARATOR迅速翻转，促使故障逻辑处理单元FAULTLOGIC输出低电平，一则封锁三路输入脉冲处理器INPUTSIGNALGENERATOR的输出，使IR2133的输出全为低电平，保证六个被驱动的功率MOS器件的栅源极迅速反偏而全部截止，保护功率管;另一方面经IR2133的8脚输出信号，封锁脉冲形成部分的输出或给出声光报警。若发生IR2133的工作电源欠电压，则欠电压检测器UVDETECTOR迅速翻转，同以上的分析一样，使得被驱动MOS功率器件全部截止而得到可靠的保护，并从8脚输出故障信号。当IR2133因某种原因驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则驱动电压检测器UVDETECTOR迅速动作，封锁驱动输出，保护功率器件不因驱动电压幅值不足而损坏。还有当用户脉冲形成环节输出发生故障，IR2133接收到逆变器中同一桥臂上、下两功率器件的栅极驱动信号都为高电平时，则内部的巧妙设计可保证该通道实际输出的两路栅极驱动信号全为低电平，从而可靠的保护该支路上的两个功率MOS器件，防止驱动信号有误而引起的直通现象的发生。其引脚图如下图3-7所示图3-7IR2133引脚图工作原理分析:主控制器DSP输出的四路PWM控制信号分别接至IR2133芯片的H1N1,H1N2和L1N1,L1N2引脚，经过IR2133功率放大后，通过高压侧引脚H01,H02(接功率主电路的上半桥)和低压侧引脚L01,L02(接功率主电路的下半桥)经过限流电阻分别接至V1,V3,V2,V4等四个MOSFET的栅极以控制功率管的通断。在使用IR2133时必须注意以下几点:(1)如果要求驱动电路输出的正脉冲宽度较宽，则必须加大自举电容容量，否则会使欠压保护电路工作。(2)为了防止自举电容两端电压放电，二极管应选择快速恢复二极管。(3)驱动电路输出串接电阻一般应在10~33欧，而对于小功率器件，串接电阻应该增加到30~50欧。3.2.5H型功率驱动电路设计在直流伺服电机调速控制系统中，就是通过改变电枢两端的平均电压来实现电机的调速。下图3-8为驱动电路图：图3-8H型功率驱动电路图本文设计的系统驱动电路为H桥双极性功率驱动电路。可以看到，在一个PWM周期里，当控制信号V1,V4为高电平时，开关管V1,V4导通，此时V2,V3为低电平，开关管V2,V3截止，电枢绕组承受A到B的电压;当控制信号V1,V4为低电平时，开关管V1,V4截止，控制信号V2,V3为高电平，开关管V2,V3导通，电枢绕组承受B到A的电压，实现电机的正反转。由于机械惯性的作用，决定电动机转向和转速的为电枢电压的平均值。设矩形波的周期为T,正向脉冲宽度为，并设为导通占空比，则可求出电枢电压的平均值为：(3-12)其中为电枢两端的电压。由上式可知，在T为常数时。人为的改变正脉冲的宽度以改变占空比r，即可改变，达到调速的目的。当r=0.5时，=0，电机转速为0；当r>0.5时，>0,电机正转，且在r=1时，，此时正向转速最高；当r<0.5时，<0,电机反转，且在r=0时，此时反向转速最高。所以，连续改变脉冲宽度。即可以实现直流伺服电机的无极调速。由表3-1可以看出，PWM控制信号进入双极性直流伺服电机驱动电路。控制V1-V4开关的工作状态，从而控制电机运行[4]。表3-1PWM输出与电机工作状态的关系表控制电路除了能完成最基本的核心算法外，还应当具有一个调速系统所必须的其他功能。在下面我们将进行对DSP控制最小系统的设计，以及DSP基本外围电路和通信接口的设计。本系统以TMS320LF2407A为控制核心，采用PWM调速方式，PWM信号由DSP的四路PWM输出口输出，调制频率选择1KHZ。DSP中主要由事件管理模块完成PWM脉宽调制。TMS320LF2402有一个事件管理模块EV，事件管理模块(EventManagerModule简称EV)含有2个通用定时器、3个具有死区功能的全比较单元、PWM发生器(8路PWM输出引脚)、3个捕获单元、2个正交编码脉冲电路。设计一个DSP系统，必须要根据实际系统的需要进行DSP基本硬件系统设计和外围接口设计。DSP基本硬件系统设计包括电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、仿真接口设计;DSP外围接口设计包括通信接口设计、外接存储接口设计、模数转换接口以及一些控制信号电路的设计。DSP最小系统是指能够使DSP工作的最简单电路，一般包括电源，上电复位电路，时钟电路和JATG接口等。下面将一一给出相关的设计步骤。3.2.6电源部分的设计因为外部电源电压通常为5V，而本系统选择的DSP芯片TMS320LF2407A正常工作的电压时3.3V，故需要通过电源转换模块把电压转换成3.3V，从而才能给最小系统供电。为了降低芯片功耗，TI近来推出的DSP芯片大部分采用低电压供电方式，TMS320LF2407A的内核电压和I/O电压都为3.3V，而目前许多常用外围器件的主要工作电压为5V，因此以TMS320LF2407A为主控芯片的应用系统必然是一个混合电压系统。混合电压系统的主要缺点是对多电源的要求，一个典型的多电源系统需要3.3V,5V,12V甚至更高的电压。设计的一个目标是减少所需电源的数目，并减少产生这些电源电压所需器件的数目。为了减少多电源所需额外器件的数目，不少厂家提供了产生多种电压的芯片。同时，随着技术的不断进步，将会出现更多的低电压器件，从而逐渐消除对多电源的要求和产生这些电源的花费和复杂性。对于TMS320LF2407A应用系统而言，首先要解决的是电源问题。解决3.3V电源通常有以下几种方案:电阻分压法，采用电源模块，利用线性稳压电源转换芯片。利用电阻分压的方法比较简单，但是随着负载的变化，输出的电压会产生波动，而且电阻的功耗也比较大，对于低功耗的系统和对电源要求高的系统，不适合采用这种方案。电源模块使用方便、效率和可靠性都很高，但是电源模块的价格一般都比较昂贵。线性稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片，基本上不需要外围元件。但是传统的线性稳压器，如LM317，要求输入电压比输出电压高2V或者更大，否则就不能够正常工作。因此对于5V的输入，输出并不能够达到3.3V而对低电源的需求，许多电源芯片公司推出了低电压差线性稳压器((LDO)。这种电源芯片的压差只有1.3V-0.2V，可以实现5V转3.3V/2.5V或者3.3V转2.5V/1.8V等要求。LDO所需的外围器件数目少，使用方便、成本较低、纹波小、无电磁干扰。本设计选择第三种方法，所选取的电源转换芯片型号为：MC33269D.具体电源模块电路如下图3-9所示：图3-9电源转换电路3.2.7上电复位电路的设计为了使系统被复位信号正确地初始化，对复位信号的脉冲宽度必须有一定的要求。对于TMS320F240而言，复位信号至少要lms。不过上电之后，系统的振荡器达到稳定工作状态需要20ms甚至更多的时间。一般来说上电复位时，在复位引脚上置100~200ms的一个低电平脉冲是比较合适的。在系统电源建立过程中，复位电路为DSP和某些接口电路提供一个几十毫秒到数百毫秒的复位脉冲。复位期间DSP总线处于高电平状态，所有控制信号处于无效状态，以免出现误操作。本设计的上电复位电路如下图3-10：图3-10上电复位电路刚上电时，DSP芯片TMS320LF2407A处于复位状态，RS为低电平状态，使芯片复位。系统的晶体振荡器往往需要100~200ms的稳定期，故图中电路的复位时间主要由电阻R和电容C来决定。∵A点电压(3-13)(3-14)设为低电平与高电平的分界点，则：(3-15)选取,,得，故设计电路满足要求.3.2.8时钟电路设计在设计中，时钟往往不被充分地重视，其实，时钟是电路设计中非常重要的一个环节。DSP时钟既可由外部提供，亦可由板上的振荡器来提供。由于DSP及其它芯片工作都是以时钟为基准的，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。本文采用外部时钟输入，由有源晶振产生10MHz脉冲，通过覆铜和串接LC滤波电路来抑制外界干扰，保证了系统的稳定工作。DSP芯片的时钟有两种引脚连接方式，本系统采用的方式为：利用DSP芯片内部所提供的晶振电路，在DSP芯片XTAL2和XTAL1/CLKIN引脚之间连接一晶体来启动内部的振荡器[5]。具体连接方式如下图3-11：图3-11外接晶体与DSP连接示意图TM320LF2407A芯片具有锁相环时钟模块（PLL），该时钟模块可将输入的时钟信号进行2，4等倍频，基于本系统的考虑，本课题选用的PLL倍频系数为2等倍频。可以有两种方法产生时钟信号，一种是用无源晶体产生，另一种是用有源晶振产生。本设计采用频率为lOMHz的有源晶振将外部参考时钟源直接输入给DSP的XTAL1/CLKIN引脚，而将XTAL2引脚悬空。为了配合3.3V工作的TMS320LF2407A，晶振的工作电压也选为3.3V，所以主CPI:频率为,符合系统要求。其时钟电路图如下图3-12：图3-12时钟电路图3.2.9JATG接口设计一个DSP系统，必须考虑系统的软硬件调试与仿真，调试DSP系统一般离不开DSP仿真器，仿真器通过仿真接口实现与DSP之间进行数据交互。仿真器即扩展开发系统(XDS)，可用来进行系统级的集成调试，是进行DSP芯片软硬件开发的最佳工具。目前主要有两种类型的仿真器:一种是传统的电路仿真器，另一种是先进的扫描仿真器。JTAG(JointTestActionGroup)称为联合试验行动组，该组提出了边界扫描测试方案，后来成为IEEE1149.1标准，即IEEE标准试验存取口和边沿扫视技术。TI为其大多数DSP产品提供了JTAG端口支持，TMS320LF2407A也不例外。TMS320LF2407A与JTAG端口连接如下图3-13所示。该接口主要用于上位机与目标板之间互相传输数据和信息，通过JATG接口可将程序下载到DSP的程序存储器中。图3-13JTAG接口JATG的接口定义如下[6]：图3-14JATG端口插针定义电机调速系统一般作为执行机构，由上位机发出指令，并且对调速系统的工作状态进行实时监控，因此通信接口是必须的。3.2.10串行通信接口（SCI）TMS320LF2407A芯片配有串行通信接口SCI模块。SCI接收器和发送器是双缓冲的，通过一个16位的波特率选择寄存器，数据的传输速度可以被编程为65535种不同的方式。本系统采用RS-232串行口与2407A的SCI接口进行PC机与DSP之间的异步通信。RS-232是美国电子工业协会制定的一种串行总线的物理接口标准，此标准规定了串行通信中主控模块和从属模块之间的物理连接的机械、电气、功能和过程特性。RS-232标准总线为25线，但在实际应用中常用其简化了的9线接口，下图给出了9线RS-232的接口标准。RS-232也可采用3线传送(地线、发送线、接收线)的方式。下表3-2为简化9线接口RS-232标准[7]。表3-2简化9线接口RS-232标准利用MAX公司的串行接口芯片MAX232A可将SCI接口进行电平转换成标准RS-232总线接口。其接口电路如下图3-15：图3-15串行通信接口DSP系统的存储空间分为内部和外部两种。尽管内部存储器具有存储效率高、使用方便的优点，但是其存储器容量太小，一般不能满足调试的需要。TMS320LF2407A的片内具有544×16位的DARAM,2K×16位的SARAM和32K×16位的FLASHEEPROM/ROM，对于一般系统在正常运行时32K的FLASH存储器基本上能够满足要求，但是，在DSP开发调试过程中，每次在PC机调试完程序并生成了目标代码后，再通过仿真器的JTAG接口将数据下载到DSP目标板的存储器，程序实际上是在目标板上运行。如果所需要调试的目标代码容量大于2407A内部数据存储器的2.5K字，则每次改动程序后就需要烧写一次片内FLASH存储器，否则将无法进行仿真。所以在程序的调试阶段一般都要对系统进行程序存储器的扩展。外部存储器分为两种:只读存储器(ROM)和可读写存储器((RAM)。对于DSP开发调试阶段，一般都需要对程序进行不断地修改，因此需要扩展可读写的存储器。本系统选用的可读写存储器为64K×16位的高速低功耗SRAM芯片IS61LV6416，其存取时间最小可达8ns，供电电压3.3V，不需要插入等待周期就可以与LF2407A很好的同步工作。2407A的程序存储器空间的寻址范围为64K，这包括片内的RAM和FLASHEEPROM/ROM。当访问片外程序地址空间时，DSP自动产生一个访问外部程序地址空间的信号PS。当MP/MC设引脚为0时(DSP配置为微控制器)，片内的RAM和FLASHROM可以被访问;当MP/MC设引脚为1时(DSP配置为微处理器)，片内的RAM和FLASHROM被禁止，程序空间使用的是外接的64KRAM。因此，在调试程序时要将MP/MC引脚设为0，下图即为IS61LV6416与DSP的连接示意图，TMS320LF2407A的数据总线(D0-D15)和地址总线(A0-A15)分别与IS61LV6416的数据总线和地址总线相连。DSP的访问外部程序地址空间信号PS与IS61LV6416的片选引脚CE、高位使能BHE和低位使能BLE相连;由于IS61LV6416的存取时间为8ns，因此和DSP之间不需插入等待状态，DSP的RD信号可直接与IS61LV6416的输出使能引脚OE相连，此外还要将两个芯片的写使能信号WE连接起来[8]。其外扩存储器接口示意图如下图3-16：图3-16外扩存储器接口3.2.11TMS320LF2407A与D/A转换器接口8位D/A转换器TLC7524可以以最少的外部电路与TM320LF2407A相连，接口电路中包括有一个74AL138译码器，用于外围设备地址译码。其接口电路如下图3-17：图3-17TMS320LF2407A与D/A转换器接口当TM320LF2407A执行OUT指令时，外部设备地址置于地址总线，同时IS引脚先变为低电平，指定总线地址相对应的一个I/O通道和非外部数据或者程序存储器。IS低电平启动译码器，并且使Y输出带相应的总线地址并变为低电平。当有输出时低电平时，TLC7524启动，数据出现在数据总线上，并由STRB锁存在D/A转换器中。为了防止系统硬件在电路或者电压过大时被烧坏，所以电路保护系统必不可少，下面从过流和过压两个方面来阐述下本设计的保护电路工作情况。3.2.12过流保护由于电流传感器的作用。当电机的电流超过预定值运行一段时间后，电流保护系统被激活，并禁止所有的PWM波形输出，同时采取相应的保护措施。电机刚刚启动时，反电势尚未建立，故电机的相电压平衡方程由变为：，可知I很大，故必须通过电流环来抑制过流保护。下图3-18为电流保护电路图。经电流采样电路后的电流信号发送到DSPACDINOI引脚，DSP做出判断如果电流大于设定值，则PDPNTB引脚输出低电平，终止PWM波形的输出。图3-18过流保护电路输入信号为电流传感器获得的电流信号，与预先设定的过流门限进行比较。电流的门限是由电位器设定，可以根据实际应用进行调整。当系统过流时，会产生一个高电平信号传递给PWM模块的故障保护输入端口，通过DSP内部软件服务程序实现保护功能。也可以设置为DSP直接硬件保护，用于封锁PWM控制信号的输出[9]。3.2.13过压和欠压保护当系统检测到欠压或者过压时，控制器立刻停止电机的运行，保证整个系统的安全性，直到电源电压恢复正常以后，再重新恢复系统工作。过电压保护是检测电枢绕组两端电压是否超过预定值，同样在TMS320LF2407高可靠性的高速实时内核中完成。当过电压发生时产生中断，并采取中断措施。其电路图及工作原理与过流保护类似，见上图3-18.该保护是检测电枢绕组两端的电压是否低于预定值，同过电压保护。同图3-18。当ADCIN02引脚输入电压低于设置的电压时，软件中断。3.2.14键盘输入接口电路和LED显示电路设计

键盘和LED显示器是微型计算机系统最常用的输入、输出没备。它是实现人机之间进行信息交换的主要通路。键盘的功能就是把人们要处理的数据、命令等转换成计算机识別的二进制代码，即计算机能识别的符号；LED显示器则是把计算机的运算结果、状态等代码转换成为人们能识別的符号显示出来。键盘是计算机系统的主要输入没备，特別是在微处理器中，键盘设汁成为必然。本文在设计时考虑到DSP处理速度的快速性，对于键盘去抖动环节，采用了硬件延时电路，具体电路如下图3-19所示。图3-19键盘输入接口电路七段LED显示器有静态显示和动态显示两种连接方式。动态扫描方式节省硬件，常用的BCD七段译码驱动和动态扫描驱动电路有两种，如Intel8279、Max7219等，控制器中采用MAX7219芯片。DSP具有一个与外设打交道的串行接口SPI，这为串行接门显示提供了方便。MAX7219足一种串行的共阴极LED数字显示驱动器，内没多个控制和数据寄存器，其工作方式可通过编程灵活地设计，它是体积小、功能强大、使用灵活方便的串行接口。应用中需要注意的问题就是，MAX7219抗，EMI能力比较差，相对而言用MAX7221比较可靠一点。另外一个问题是，说明书中虽然说寄存器可以使用任意数字，比如说数据格式中的高4位用的是XXXX来表示，但是，在实际应用中最好使用非零位，本文采用1111来表示，可以增加抗干扰能力。另外，在串行数据线和电源中必须加适量电容，以提高抗干扰能力，特别是电源尤其要注意，如果波动比较大的话，MAX7219比较容易损坏。LED显示电路图如下图3-20所示：图3-20LED显示电路3.2.15PID调节器的实现随着单片机控制技术不断发展，软件PID算法控制代替了原来很多的硬件PID调节器，在工业控制系统和嵌入式系统中得到了更加广泛的应用。基于软件PID算法控制器和硬件PWM技术的直流电机测控技术正向数字化、智能化、高可靠性发展.在电机的闭环控制中，速度调节器和电流调节器一般采用PI调节器，位置调节器一般采用PID调节器，即比例积分微分调节器。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称为PID控制器。PID控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟控制器是通过硬件来实现它的功能。将原来硬件实现的功能用软件来代替，称作数字PZD控制器，所形成的一套算法则称为数字PID算法。数字PID控制器与模拟PID控制器相比，具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调制参数，因此可以得到更好的控制性能，模拟P1D控制系统原理图如下图3-21所示[10]。图3-21模拟PID控制系统原理图比例、积分和微分环节的作用如下:（1）比例环节：成比例的反应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误差。（2）积分环节：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T1，T1越大积分作用越弱。（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并在偏差信号变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。PID控制是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差：，将偏差的比例（P）,积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故成为PID控制器。其传递函数为：(3-16)模拟PID控制器的控制规律为:(3-17)将上式进行Z变换并进行离散时域表示，则有：(3-18)故可以通过此式方便的利用数字编程实现PID调节。其中:为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数(3-19)(3-20)(3-21)TMS320LF2407ADSP的高速运算功能可以实现直流伺服电机的实时控制，通过软件实现名符其实的全数字控制。从而省去了外围的PID调节电路和比较电路。代码实现如下：LTEK2;装入T寄存器中MPYK2;PACC;送入累加器LTEK1;装入T寄存器中MPYK1;PACC;LACCGIVE;给定值SUBDETECT;减去检测值，得到偏差SACLEK0;保存偏差LACCUK,12;读取LTAEK0;MPYK0;APAC;SCAHUK,4;保存以上的关于PID算法实现只使用了14条指令。DSP的指令处理速度为30MIPS,只需要460ns时间，足可以实现电机的实时控制。3.3本章小结本章是设计的重点与核心，在本章中首先确定了控制系统中所需要设计的相关硬件模块。主要是PWM信号生成模块和DSP最小控制系统模块。在PWM信号生成模块当中，主要完成了三角波发生电路，电压脉冲转换电路和脉冲分配及功率驱动放大电路的设计。该部分设计的完成为后面电机的脉宽调制和数字化控制提供了信号基础。接着完成了的是DSP最小系统的设计。在这一部分中，基于以前单片机的基础，融合了DSP芯片特有的性能后，主要设计了电源转换电路，上电复位电路，时钟电路，仿真接口以及相关外围电路，这几个电路构成了DSP工作的最小系统，主要体现出系统控制的实时性。和以往的电机控制系统相比，把PWM和DSP这两个模块结合起来应用到电机控制系统当中，则明显提高了控制系统的数字化控制水平和实时性能。在本章的最后，简单阐述了PID算法的实现，以及PID控制环节中各环节的作用。通过本章的设计，对硬件电路部分的知识有了进一步的掌握，而且对绘图软件protel的运用更加熟练了。但在DSP的应用这块，由于是新接触的知识，所以还存在些不足。第4章系统软件设计控制系统要正常工作，仅有硬件部分是不够的，还需要软件部分配合才能构成一个完整的控制系统。软件设计、硬件设计、控制算法设计及系统调试是一个交互的过程。4.1软件组成主程序主要完成TMS320LF2407A芯片事件管理器的初始化，状态寄存器的设置，中断的设置，变量的初始化等，进入主程序后实际上相当于进入了一个查询操作的循环过程，程序不断地查询电机转子位置信号，并根据位置信号进行正确换向;同时不断地根据AD采样相电流进行电流调节，并通过定时器中断在一定时间间隔下进行电机速度调节。根据控制系统所要实现的功能，将系统软件分为以下几个模块:即初始化模块、电机起停模块、位置检测模块和中断服务模块，系统软件总体主程序流程图如下图4-1所示。图4-1系统软件总体主程序流程图4.2各子功能实现4.2.1系统初始化模块系统初始化部分主要完成系统时钟、看门狗、I/0端口、系统中断、系统管理器的各个控制寄存器及中断等的设置，以及软件中各变量的初始化和辅助寄存器的设置等功能。具体来说，在程序初始化中，程序主要完成定义变量和常数，如电机运行状态标志，速度方向标志，编码脉冲与速度转换系数，速度、位置PID调节器参数，各保护措施最大值标志等等;程序还主要完成各中断程序的中断地址;程序还要完成变量的初始化及DSP的PWM波形输出初始化设置;程序还要完成初始化电机运行状态参数，如加速度、最大速度、位置信号等参数。其系统流程图如下图4-2所示：图4-2系统初始化模块流程图4.2.2电机起停控制模块电机起停控制子程序主要是根据串口发送的控制面板命令，控制电机的起动和停机，其程序流程如下图所示。当按下起动键时，判断当前系统所处的状态，若为停止状态则打开定时器1中断，并将电机的状态由停止改为外同步状态，电机开始起动;而当按下停止键时，同样先判断系统目前所处状态，若不是停止状态则将定时器1中断关闭，并将电机的状态改回停止状态。其系统流程图如下图4-3所示：图4-3电机起停控制模块4.2.3中断服务模块中断服务程序主要包括相电流AD转换程序、通用定时器T1下溢中断服务程序和通用定时器T2周期中断服务程序。AD转换中断服务程序根据电机相电流的模数转换获得电流环的电流反馈信号，决定是否对电流进行调节；通用定时器T1下溢中断服务程序根据获得的转子位置信号来对电机进行正确换向，同时更新PWM调制波的占空比；通用定时器T2周期中断服务程序通过计算在一定时间段内电机的换向次数来间接得到电机转速，然后根据实际转速和参考转速之差来进行电机转速调节。其中断服务程序如下图4-4所示。图4-4中断服务程序流程图中先进行电流采样，通过模数转换器采样电流传感器的输出电压值，从而获得目前直流电机电枢的电流情况；速度采样子程序，通过光电编码器输出脉冲数计算获得当前速度。速度调节子程序以位置调节子程序的输出速度给定值和速度采样子程序得到的速度反馈值的偏差作为输入，通过调用九点控制器控制算法，得到电流的给定输出值。电流调节子程序，以速度调节器的输出电流给定值和电流采样子程序得到的电流反馈值之间的偏差为输入量，通过调用电流调节器的九点控制器算法，给出目前功率模块PWM带限幅的占空比。4.3实现举例在电机控制系统中，位置传感器是一个不可缺少的重要组成部分。它的主要作用有两个:一是检测电机定子，转子的相对位置并提供电机相绕组的换相信号;二是与控制器一起构成转速的反馈环节。在位置伺服控制系统中，位置信号的检测是非常重要的环节。在本文中，位置伺服主要完成的任务是位置随动控制，即系统能准确跟踪给定位置变化。光栅编码器通常用于位置信号的检测。在本文的速度环中，用于测转速的光栅编码器同时可以作为位置信号检测的传感器。所以用于捕获光栅脉冲的捕获单元将捕获到的脉冲信号一方面将信号送入位置脉冲累加寄存器，用于记载当前的位置信息，另一方面将捕获脉冲的时刻送入速度计算单元，用于计算当前的转速。在进行位置信号测量时，测量设备的精度，直接影响着位置伺服系统的精度。为了实现精确定位，同速度环的实现中所述，本文将输入的编码脉冲的4个边沿加工成4倍频的计数脉冲信号[11]。若增量式光电编码盘每转一周的脉冲个数为n，则编码器的分辨率为:(4-1)转轴的绝对位置为:(4-2)式中:--脉冲数;--转子的初始位置。程序实现代码如下（设转子初始位置为0）：LDP#0E8H；指向0E8HLACC#T2CNT；从定时器2中读取编码脉冲LDP#0LTAA；装入T寄存器AA变量，AA为360LTMPY#0E8H；与脉冲数相乘LP；装入P寄存器SACHD,6；D为位置变量值，Q12格式LTDMPYLPPACSACHN,4；返回位置反馈量，Q0格式4.4本章小结本章开始着手软件方面的设计，主要完成的是主要模块流程图的设计。根据设计的实际情况和前面所设计的硬件基础，结合本设计电机控制的主要步骤和将要实现的控制目标，设计了系统软件总体主程序流程图。并从系统初始化模块，电机起停控制模块和中断服务模块三个模块方面绘制了相关的流程图，从而进一步以图文的方式直观说明了控制系统总体方案的实现和流程。为下面整个控制系统控制程序的编写明确了方向和目标。第5章仿真在这一部分，我们将对上面所设计的系统进行仿真，也就是对电机的运行过程和性能指标进行一个量化的表现，分析其与理想状态下的电机运行有何区别和误差。直流伺服电机的结构和一般直流电机一样，只是为了减小转动惯量而做的更细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。通常采用电枢控制，就是励磁电压U一定，建立的磁通也是定值。直流伺服电机的机械特性和他励电动机一样，表达式如下：(5-1)其中，为额定控制电压。故在一定负载转矩下，当磁通不变时，若升高电枢电压，电动机转速就升高；反之，降低电枢电压，电动机转速就下降。当=0时，电动机停转。下面先简述下电机的运行过程，即其启动，调速和制动过程。5.1电机的启动，调速与制动电机的启动就是施电与电动机，使电动机转子转动起来，达到所需要的转速后正常运转的过程。对直流伺服电机而言，电机在未启动之前n=0,E=0，而很小，所以将电机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流会很大，会烧坏电机的整流子。所以，直流伺服电机不允许直接启动，即启动时必须设法限制电枢电流。而限制直流电机的启动电流常见的有两种方法：一是降压启动，另一种是在电枢回路内串接外加电阻启动。本设计采用降压启动法。在启动瞬间，降低供电电源电压。随着转速n的升高，反电势E增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。在启动时，速度给定信号送入速度调节器的输入端之后，由于速度调节器的放大倍数很大且电动机有惯性，故电动机达到所给定的转速需要一段时间，因此在启动开始的一段时间内，，速度调节器的输出便一直处于最大限幅值，相当于速度调节器处于开环状态。在速度调节器输出电压限幅值的作用下，电枢两端的平均电压迅速上升，电动机迅速启动，电枢平均电流也迅速增加。在电流调节器的电流负反馈作用下，主回路电流的变化反馈到电流调节器的输入端，并与速度调节器的输出进行比较，此后电动机就在这最大给定电流下加速。随着电机转速的增长，速度给定电压与速度反馈电压的差值跟着减小，因此电机在最大电枢电流下加速，转速继续上升。当上升到<0时，在电流闭环的作用下，电枢电流也跟着下降。当电流降到电机的外加负载所对应的电流以下时，电动机便减速，直到=0为止，这时电机便进入稳定状态[12]。简而言之，在整个启动过程中，速度调节器处于开环状态，不起调节作用，系统的调节作用主要由电流调节器完成。电机的调速是通过反馈电机的实际速度来实现的。反馈的实际电机速度与给定速度进行比较，产生误差信号，该误差信号经过PI调节器产生控制电机的PWM占空比。其速度控制器原理图5-1如下：图5-1电机速度控制器根据直流伺服电机处于制动状态时的外部条件和能量传递情况，其制动状态分为反馈制动、反接制动和能耗制动三种形式。本设计采用的制动方法是反馈制动。当电动机为正常接法时，在外部条件作用下电动机的实际转速n大于其理想空载转速，此时，电动机即运行于制动状态。若突然使速度给定信号降为0，即=0，此时由于速度反馈信号。则速度调节器的输入，速度调节器的输出将立即处于正的限幅值。速度调节器的输出和电流反馈的输出一起使得电流调节器的输出立即处于负的限幅值，电动机即进行制动，直到速度降为0为止。5.2电机控制系统仿真模型的建立在该系统中，把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM环节。因此，本文采用了基于MATLAB语言的以计算机辅助设计与动态仿真为基础的动态分析设计方法，得到高阶系统的时域和频域动态特性。在MATLAB语言中SIMULINK是实现动态系统建模、仿真的一个非常有用的集成环境。它增加了MATLAB的可视化建模、多工作环境问相互交换互用数据等功能。它还可以方便地进行仿真算法的选择及参数的设置。将机电参数(具体参数来源以上的数学模型建立过程)，代入得到系统各环节的传递函数，井将其转化为SIMULINK的仿真框图，进行动态仿真。假设系统各物理参数如下：转子转动惯量J=0.01，机械阻尼参数b=0.1,电流-力矩常数K=0.01N.m/A,电枢电阻R=1Ω，电枢电感L=0.5H。设计要求为：以供电电压u为输入，转子转速r为输出。在稳态输出为1rad/s时，系统单位阶跃响应性能指标满足：调整时间小于1s，超调量小于5%，稳态误差小于5%。则系统建模如下：直流电机转矩和电枢电流关系为：(5-2)电枢旋转产生反电势e与旋转运动角速度r的关系为：(5-3)令，有牛顿定律和转子力矩平衡关系有:(5-4)由克希霍夫定律有：(5-5)设系统状态X=[r,i]，建立以输入电压u为输入，转速r为输出的系统状态空间表达式如下：(5-6)(5-7)又因为，Y=r(5-8)所以,,(5-9)检验系统的瞬态性能是否满足设计要求，可用如下MATLAB