基于DSP的直流电机调速系统设计与实现Word文档下载推荐.docx
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在本文中我将介绍高精度的光电编码器的内部结构、工作原理与位置检测的方法。
一、光电编码器的介绍:
光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。
根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器,下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。
(一)、绝对式光电编码器
绝对式光电编码器如图所示,他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。
编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。
用“0”来表示;
涂黑的部分是不透光的,用“1”来表示。
通常将组成编码的圈称为码道,每个码道表示二进制数的一位,其中最外侧的是最低位,最里侧的是最高位。
如果编码盘有4个码道,则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20,4位二进制可形成16个二进制数,因此就将圆盘划分16个扇区,每个扇区对应一个4位二进制数,如0000、0001、…、1111。
按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器,包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。
当码盘转到一定的角度时,扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通,输出低电平“0”,遮光的码道对应的光敏二极管不导通,输出高电平“1”,这样形成与编码方式一致的高、低电平输出,从而获得扇区的位置脚。
(二)、增量式光电编码器
增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号,然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数,以此达到位置检测的目的。
它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。
增量式光电编码器输出两路相位相差90o的脉冲信号A和B,当电机正转时,脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90o,此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号Dir。
当电机反转时,脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位90o,此时逻辑电路处理后的方向信号Dir为低电平。
因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。
其转速辩相的原理如图所示
总的来说,光电编码器的优点是的脉冲宽度稳定,精度高,日后提高精度可以改变,仅仅换个高精度的即可,缺点是安装不方便,由于软连接的原因,很容易松动,可靠性差,容易损坏光电编码器适合用于精密设备。
(2)霍尔传感器测速方案
霍尔传感器测速原理霍尔传感器测速原理霍尔传感器测速原理
霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器,它能感知一切与磁信息有关的物理量。
霍尔效应,它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的,因此得名。
霍尔效应:
在金属或半导体薄片的两端通过控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为应强度为磁场那么,在垂直于电流和磁场方向向上将产生电动势场UH(霍尔电压)。
霍尔元件:
根据霍尔效应,人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。
它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点,因此,在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
霍尔传感器:
由于霍尔元件产生的电势差很小,故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上,称之为霍尔传感。
霍尔传感器的种类:
线性霍尔传感器,开关霍尔传感器。
线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成,它输出模拟量。
可以做成电流传感器(钳形电流表),位移测量传感器;
开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器,和输出级组成,它输出数字量。
开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。
霍尔传感器的原理:
霍尔元件是磁敏元件,要想用来测转速,就必须在被测的旋转体上装一个磁体,旋转时,每当磁体经过霍尔元件,霍尔元件就发出一个信号,经放大整形得到脉冲信号,也有的霍尔元件可以直接输出脉冲信号,送运算,两个脉冲的间隔时间就是周期,由周期可以换算出转速,也可计数单位时间内的脉冲数,再换算出转速。
霍尔式精度比较高,频率比较快,成本低。
最主要的他对外部环境的要求不高,并且工作温度可以达到150,以及不同轴的耐受力要好。
(3)旋转编码器测速方案
旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。
当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时,经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线,并被接收元件接收产生初始信号。
该信号经后继电路处理后,输出脉冲或代码信号。
其特点是体积小,重量轻,品种多,功能全,频响高,分辨能力高,力矩小,耗能低,性能稳定,可靠使用寿命长等特点。
1、增量式编码器
增量式编码器轴旋转时,有相应的相位输出。
其旋转方向的判别和脉冲数量的增减,需借助后部的判向电路和计数器来实现。
其计数起点可任意设定,并可实现多圈的无限累加和测量。
还可以把每转发出一个脉冲的Z信号,作为参考机械零位。
当脉冲已固定,而需要提高分辨率时,可利用带90度相位差A,B的两路信号,对原脉冲数进行倍频。
2、绝对值编码器
绝对值编码器轴旋转器时,有与位置一一对应的代码(二进制,BCD码等)输出,从代码大小的变更即可判别正反方向和位移所处的位置,而无需判向电路。
它有一个绝对零位代码,当停电或关机后再开机重新测量时,仍可准确地读出停电或关机位置地代码,并准确地找到零位代码。
一般情况下绝对值编码器的测量范围为0~360度,但特殊型号也可实现多圈测量。
3、正弦波编码器
正弦波编码器也属于增量式编码器,主要的区别在于输出信号是正弦波模拟量信号,而不是数字量信号。
它的出现主要是为了满足电气领域的需要-用作电动机的反馈检测元件。
在与其它系统相比的基础上,人们需要提高动态特性时可以采用这种编码器。
为了保证良好的电机控制性能,编码器的反馈信号必须能够提供大量的脉冲,尤其是在转速很低的时候,采用传统的增量式编码器产生大量的脉冲,从许多方面来看都有问题,当电机高速旋转(6000rpm)时,传输和处理数字信号是困难的。
在这种情况下,处理给伺服电机的信号所需带宽(例如编码器每转脉冲为10000)将很容易地超过MHz门限;
而另一方面采用模拟信号大大减少了上述麻烦,并有能力模拟编码器的大量脉冲。
这要感谢正弦和余弦信号的内插法,它为旋转角度提供了计算方法。
这种方法可以获得基本正弦的高倍增加,例如可从每转1024个正弦波编码器中,获得每转超过1000,000个脉冲。
接受此信号所需的带宽只要稍许大于100KHz即已足够。
内插倍频需由二次系统完成。
从上面的描述可以看出:
两者各有优缺点,增量型编码器比较通用,大多场合都用这种。
从价格看,一般来说绝对型编码器要贵得多,而且绝对型编码器有量程范围,所以一般在特殊需要的机床上应用较多而已。
旋转编码器有以下优点:
信息化:
除了定位,控制室还可知道其具体位置;
柔性化:
定位可以在控制室柔性调整;
安装方便和安全、使用寿命长。
一个旋转编码器,可以测量从几个微米到几十几百米的距离。
多个工位,只要选用一个旋转编码器,就可以避免使用多各接近开关、光电开关,解决现场机械安装麻烦,容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。
由于是光电码盘,无机械损耗,只要安装位置准确,其使用寿命往往很长。
多功能化:
除了定位,还可以远传当前位置,换算运动速度,对于变频器,步进电机等的应用尤为重要。
经济化:
对于多个控制工位,只需一个旋转编码器,安装、维护、损耗成本降低,使用寿命增长。
鉴于以上优点,旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。
综上所述,我们采用旋转编码器测速方法。
2.测速方法的优缺点及选择
可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。
具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。
M法又称之为测频法,其测速原理是在规定的检测时间Tc内,对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法,如图2所示,例如光电编码器是N线的,则每旋转一周可以有4N个脉冲,因为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号4倍频。
现在假设检测时间是Tc,计数器的记录的脉冲数是M1,则电机的每分钟的转速为
在实际的测量中,时间Tc内的脉冲个数不一定正好是整数,而且存在最大半个脉冲的误差。
如果要求测量的误差小于规定的范围,比如说是小于百分之一,那么M1就应该大于50。
在一定的转速下要增大检测脉冲数M1以减小误差,可以增大检测时间Tc单考虑到实际的应用检测时间很短,例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制,一般应在0.01秒以下。
由此可见,减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。
M法测速适用于测量高转速,因为对于给定的光电编码器线数N机测量时间Tc条件下,转速越高,计数脉冲M1越大,误差也就越小。
T法也称之为测周法,该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法,如图3所示。
例如时钟频率为fclk,计数器记录的脉冲数为M2,光电编码器是N线的,每线输出4N个脉冲,那么电机的每分钟的转速为
为了减小误差,希望尽可能记录较多的脉冲数,因此T法测速适用于低速运行的场合。
但转速太低,一个编码器输出脉冲的时间太长,时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出;
另外,时间太长也会影响控制的快速性。
与M法测速一样,选用线数较多的光电编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。
M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用,在一定的时间范围内,同时对光电编码器输出的脉冲个数M1和M2进行计数,则电机每分钟的转速为
实际工作时,在固定的Tc时间内对光电编码器的脉冲计数,在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时,同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数,定时器定时Tc时间到,对光电编码器的脉冲停止计数,而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻,时钟脉冲才停止记录。
采用M/T法既具有M法测速的高速优点,又具有T法测速的低速的优点,能够覆盖较广的转速范围,测量的精度也较高,在电机的控制中有着十分广泛的应用。
由于本实验脉冲数较多所以采用M法。
3.PWM波的产生
PWM就是PULSEWIDTHModulation脉宽调制-矩形脉冲波形,即占空比可调的方波。
DSP直接可以输出PWM波,所以不需要额外的硬件连接。
事件管理器(EventManager)是产生PWM波的核心模块,包括通用定时器、比较单元、捕获单元、QEP电路等,这里主要用到通用定时器中的定时器1。
图2表示EVA中通用定时器1的相关寄存器,对这些寄存器进行配置是产生PWM波的必经之路。
在事件管理器A(EVA)中,要产生PWM波,需要设置5个寄存器,分别为T1PR、T1CON、T1CNT、T1CMPR,T1PR为定时器1的周期寄存器,存放的是计数周期,T1CON为定时器1的控制寄存器,用于存放控制字,T1CNT为定时器1的计数寄存器,存放的是当前的计数值,T1CMPR为定时器1的比较寄存器,存放的是要比较的计数值。
以输出1KHz,占空比为50%的对称PWM波形(即方波)为例,重点分析事件管理器EVA的的配置情况。
输出对称PWM波,即T1工作于连续增/减计数模式下,PWM产生原理如图所示:
PWM的周期
,PWM的频率为,
高电平有效,则占空比为:
这里的TCLK用内部时钟且大小为
。
由D=40%,f=1KHz,可以求得T1PR=0x493E,T1CMPR=11250,表示为十六进制就是0x2BF2。
本实验采用的是非对称pwm。
波的产生边沿触发或非对称PWM信号的特点:
调制波形不关于PWM周期中心对称的,每个脉冲的宽度只能从其脉冲的一侧来改变,为产生一个非对称PWM信号必须将通用定时器1设置为连续增计数模式且其周期寄存器的值必须与PWM载波周期相对应,然后在COMCONx寄存器中使能比较操作,将相应的输出引脚设置为PWM输出,并使能输出当通用定时器1启动后,在每个PWM周期内,比较寄存器都会被新的比较值更新,以便通过及时调节PWM输出的脉冲宽度(占空比)来控制功率器件的开关时间,由于比较寄存器带有映像寄存器,所以在一个周期的任意时刻都可以向其写入新的值;
同理,新的值也可以在一个周期的任意时刻写入动作寄存器和周期寄存器,从而修改PWM的周期和强迫改变PWM输出电平的定义。
非对称的PWM
三、设计内容
1.硬件部分
(1)电机速度的给定是直接使用DSP教学板上的A/D转换电位器实现的。
实验板上,A/D转换区有两部分,其一为线性电压变化A/D采样,接ADCIN00通道;
另外一个是周期波形采样,接ADCIN01通道。
调节电位器R_AD01可以改变ADCIN00通道采集电压值,调节电位器R_W3可以改变ADCIN01通道采集信号的周期和波形。
通过跳线J_WAVE可以改变输入到ADCIN01通道信号的波形形状转换电路,转换电路原理图电位器旋到最小和最大时,对ADCIN00通道采样得到的采样结果为最小值0和最大值1023。
DSP输出的PWM2信号的占空比正比于ADCIN00通道采样结果,当采样结果为1023时,PWM2的占空比为100%。
DSP根据A/D转换结果,控制输出的PWM2的占空比,从而达到电机调速的目的。
在调速过程中,我们主要通过调整DSP上的调节电位器R_AD21,改变IOPA6口产生的PWM的占空比u实现调速功能,转速与占空比的关系为:
V=Vmax×
u。
在电机测速过程中,将上述的所得到的速度通过公式:
v=n×
6045,n:
一秒收集到的脉冲数;
V:
一分钟电机转速;
45:
鼠标编码盘齿数以实现计算。
在最后的测量和校准过程中,为了更好的对比测试精度,将通过计算所得的理论速度值及串口所得到的实际速度值,与通过示波器测得的速度值进行对比,得出相应的结果来判断实现的情况。
(2)L298电机驱动部分
由于只用了一个直流电机,在此只使用L298中的一个H桥模块。
DSP的输出口IOPA6与IOPE6通过OC门上拉,输出TTL电平,实现与L298的逻辑电平匹配,同时OC门又能满足较大的输出电流要求。
因此,IOPA6、IOPE6分别与L298的Input1、Input2引脚连接,给定IOPA6、IOPE6不同的电平,就能改变输出电压的极性。
DSP的IOPA7选为PWM2功能,通过OC门上拉,能输出幅值为5V的PWM方波信号,与L298的使能端EnableA连接。
改变PWM2的占空比,就能改变L298的输出电压,即改变电机两端的平均电压,进而改变直流电机的转速。
(3)光耦测速部分
测速部分光耦感应电路由发光二极管、光耦三极管以及锯齿遮光码盘组成。
当发光二极管与三极
管之间无阻隔时,光耦三极管导通;
当发光二极管与三极管之间有阻隔时三极管截止。
把遮光盘固定在电机主轴上,电机转动,同时也带动遮光盘转动,从而可以得到一个周期脉冲信号,通过测量一定时间内脉冲的数量和遮光盘的齿数,就能计算出电机的转速。
2.软件部分(程序见附页)
在了解2812DSP各相关寄存器的前提下,通过在CCS3.3环境下编程可实现。
CCS3.3软件环境学习
一个完整的DSP工程文件需要由头文件(.h)、库文件(.lib)、源文件(.c)、和CMD文件共同组成。
在实际编程中,我们通常是打开某一个例程工程文件,其中很多头文件已经被默认添加进去,一般不需要改动,源文件在相应地方进行改动即可。
(1)PWM部分
DSP芯片在一定时钟节拍驱动下才能正常工作,因此需要对系统时钟进行配置,通常使用外部时钟,并将PLL控制寄存器PLLCR取最大值10,送至CPU的时钟则为150MHz。
主函数流程图如图3所示:
初始化包括:
系统时钟配置、PIE控制寄存器初始化、PIE中断向量表初始化、GPIO口初始化、事件管理器EVA初始化。
开中断实际上是定时器T1开始计数。
在通用定时器初始化的时候便将中断打开。
当T1CNT和T1CMPR的值相等时发生比较匹配事件,如果T1控制寄存器T1CON的TWCMPR为1,定时比较器被使能,且GPTONA的位TCMPOE为1时,定时器比较输出被使能,那么T1PWM_T1CMP引脚就会有PWM波形输出。
初始化EVA主要可以分为如下几个部分:
完成EVA相关寄存器的配置,再将Gpio口中和PWM相关的引脚GPIOA6设置为PWM功能。
(2)PID部分
1)PID控制原理
数字PID控制器是一种工业控制中通用的控制器,但由于工业生产现场环境的复杂性和不确定性,往往出现意想不到的情况,如在某种情况下设计好的PID控制参数不能满足另一种情况工业生产的需求。
而常规的数字PID控制器不具有在线整定参数Kp、Ki、Kd的功能,使得其不能满足系统在不同偏差|e|及差变化率|△e|下对PID参数的不同要求,从而影响了控制器控制品质的进一步提高。
本设计在数字PID控制器的基础上,采用积分分离PID控制方法,即当系统误差较大时,取消积分环节,避免由于积分累积引起系统较大的超调;
当系统误差较小时,弓}入积分环节,以消除误差,提高系统的控制精度。
基于DSP的直流电机调速系统设计与实现,首先必须明确PID算法是基于反馈的。
一般情况下,这个反馈就是速度传感器返回给DSP当前电机的转速。
简单的说,就是用这个反馈跟预设值r(t)进行比较,如果转速偏大,就减小电机两端的电压;
相反,则增加电机两端的电压。
根据给定信号和反馈信号相减得到的偏差信号来计算控制量u,模拟PID原理框图如图所示,其中rt为系统给定值,ct为实际输出,ut为控制量,PID控制解决了自动控制理论所需解决的最为基本的问题,即系统的稳定性、快速性和准确性。
模拟PID原理框图
2)参数调整一般步骤
PID控制器参数的选择有两种可用的方法:
理论设计法及实验确定法。
理论设计法确定PID控制参数的前提是要有被控对象准确的数学模型,在电机控制中,这一点是很难实现的。
因此,通常采用凑试法和实验经验法两种方法来确定PID控制参数。
其中,实验经验法是利用他人已取得的经验,并根据一定的要求事先做少量的实验,得到基准参数,然后按照经验公式,由这些基准参数导出控制器参数。
凑试法是通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线(如阶跃响应),然后根据各调节参数对系统响应的大致影响,反复凑试,改变参数,以达到满意的响应,从而确定PID控制其参数。
在凑试时,可以根据控制器各参数对控制过程的影响,采用先比例、后积分、再微分的顺序反复调试具体的整定步骤如下:
(l)首先只整定比例部分,将比例系数由小变大,并观察相应的系统响应,直至得到反应快、超调小的响应曲线;
(2)积分环节的整定过程:
整定时首先置积分常数为一较大值,并将经第一步整定得到的比例系数略微减小(如降为原值的80%),然后逐渐减小积分常数,并根据响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分系数,使在保持系统良好动态性能的情况下,稳态误差得到消除,由此得到相应的整定参数。
模拟PID控制器的控制表达式为:
式中,e(t)为系统偏差,
Ti积分时间常数。
Td微分时间常数。
T调节周期。
但在实验过程中我们只确定比例增益、确定积分时间常数Ti控制,而微分时间控制较为复杂,我们并不采用微分控制,只采用比例控制和积分控。
四、调试结果分析及结
在调试过程中比较顺利能正常显示.可设定电机的转动方向,转速;
并且可实时测量电机的实际转速,并在LED数码管上显示出来;
可对电机进行转速调节,使其转速趋近于设定值;
满足设计要求。
如图所示,当设计的转速1750r/min时,系统能达到的转速1749r/min,跟踪效果能达到要求,误差为0.057%,很多时候甚至能达到0误差,可见此系统的调速方案能达到设计要求。
结果显示如下图所示:
占空比为40%
占空比62%
占空比为70%
整体调试过程实验图
五、指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
年月日
成绩
指导教师(签字):
参考资料料:
【1】徐科军,张瀚,陈智源.TMS320X281xDSP原理与应用.北京.北京航空航天大学出版社
【2】《青海大学学报(自然科学版)》2011年06期.基于DSP的直流电机调速、测速系统设计
【3】于海生等.计算机控制技术.机械工业出版社
【4】刘胜,彭侠夫,叶瑰昀.现代伺服系统设计.哈尔滨.哈尔滨工程大学
【5】胡寿松.自动控制原理.机械工业出版社
【6】徐科军张翰陈智渊.TMS320X281xDSP原理及应用.北京航空航天出版
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