DSP与嵌入式.docx
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DSP与嵌入式.docx
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DSP与嵌入式
电气工程学院
课程设计
课题名称:
DSP与嵌入式系统课程设计
专业、班级:
自动化081
指导教师:
覃涛
2011年06月27日至2011年07月01日共1周
指导教师签名:
教研室主任签名:
分管院长签名:
摘要:
永磁无刷直流电机(BrushlessDCMotor,BLDCM)既具有同步电机的优点,又有直流电机优良的调速性能,在工业领域,尤其是调速和伺服系统中得到了广泛的应用。
高速数字信号处理器(DSP)在伺服系统中的应用,大大简化了控制系统结构,提高了系统性能,使无刷直流电机的优点更加突出。
本文主要研究采用TI公司的TMS320C2812DSP作为控制器的位置转速电流三闭环无刷直流电机全数字化控制系统。
关键字:
TITMS320C2812DSP无刷直流电机速度控制系统
1.伺服控制系统硬件构成及其工作原理:
1.1元件介绍:
无刷直流电机(简称BLDCM)无刷直流电机是同步电机的一种,也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响:
n=60*f/P。
在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。
直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式。
也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。
直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图
电源部提供三相电源给电机,控制部则依需求转换输入电源频率。
电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220V),如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。
不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。
换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1~Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。
控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。
直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制,所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor),做为速度之闭回路控制,同时也做为相序控制的依据。
但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。
该芯片兼容TMS320F2407指令系统最高可在150MHz主频下工作,并带有18k*16位0等待周期片上SRAM和128k*16位片上FLASH(存取时间36ns)。
其片上外设主要包括2x8路12位ADC(最快80ns转换时间)、2路SCI、1路SPI、1路McBSP、1路eCAN等,并带有两个事件管理模块(EVA、EVB),分别包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定时器(或TxPWM/TxCMP)。
另外,该器件还有3个独立的32位CPU定时器,以及多达56个独立编程的GPIO引脚,可外扩大于1M×1M*16位程序和数据存储器。
TMS320F2812采用哈佛总线结构,具有密码保护机制,可进行双16*16乘加和32*32乘加操作,因而可兼顾控制和快速运算的双重功能。
TSM320F2812有128pin和176pin两种,其中176pin的芯片引脚如下
ADS1205为减轻DSP芯片负担,采用了外部AD处理芯片,芯片采用TI公司的ADS1205数模转换芯片,ads1205是具有双通道高性能的delta-sigma数模转换器,采用单一5V供电,具有精度高,速度快的特点,特别适合用于高速的电机控制、电流测量、过程控制,系统解算等环节。
其内部资源如下图
DRV8312电机驱动芯片采用TI公司的DRV8312芯片,8312芯片是高速的三相集成电机驱动芯片,具有电流保护、温度过热保护,错误中断等保护功能。
具有效率高,内阻小等的特点,适用于BLDCM,三相同步电机等执行机构的驱动。
DRV8312引脚图及及引脚功能如下所示:
霍尔传感器:
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。
霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
霍尔效应是指在半导体薄片两端通以控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上,将产生电势差为UH的霍尔电压。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多,利用这现象制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数,能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
除上述芯片外还包括滤波电路、、光电隔离、外设键盘、电源管理等部分。
1.2系统结构:
系统包括控制电路、数据通信电路、信号采集和调理电路、驱动电路、功率执行机构(BLDCM)组成。
控制电路:
控制电路是以F2812为核心,另外还包括位置编码、数据采集、数据通信等功能模块和部分外围电路及数据接口,其主要功能是实现对被控对象位置信息的采集和处理,速度反馈信息的接收和处理,位置、速度的闭环控制。
F2812片内具有12位的AD转换器,通过AD转换器获得电枢电流信号。
通过GPIO获得霍尔开关量的信息,进而获得位置信息和速度信息。
信号采集和调理电路:
该电路对各种传感器信号及电流电压信号进行采集并处理。
包括采样的电流电压反馈信号,给定的控制信号等模拟量信号,以及霍尔传感器的输出等开关量信号,经RC调理电路和OPA仪用放大后,使其幅值及电平可以满足DSP控制器的要求。
电枢电流的检测通过一个旁路电阻检测各相的电流。
该电阻位于三相全控功率变换电路的下端功率桥臂与地之间。
由于采用的是0.1
的电阻,而电机最大电流为4.9A,因此需对功率电阻获得的电压信号进行放大,本设计中采用LM324实现对信号的调理,滤波和放大。
霍尔元件,其磁电转换特性如下:
驱动电路:
驱动电路采用三相半桥的集成电路。
三路PWM输出和RESET分别从IOA1-6输出。
从IOB接受DRV返回的保护信号。
三路输出分别与电机的三相相连。
芯片内含有光电隔离模块,低压、过流、短路、过热保护等环节,使用简单。
如图下,
键盘和显示电路:
实现速度控制信号的输入和速度、位置的实时显示。
控制键盘为4*4矩阵键盘。
显示通过8路LED显示,分别与DSP的数据和地址口A0~A18,D0~D10相连。
2.伺服系统的控制策略:
本系统是通过电流、位置、速度三闭环实现系统控制,包括位置外环、速度内环、位置内环。
具体控制框图为:
如上图的系统中设置了位置PID、速度PI调节器和电流PI调节器,速度PI和电流PI分别调节电机的转速和电流,给定的位置信号与反馈信号position经过位置PID调节后的到速度的参考值SDref。
根据两次脉冲捕捉的的时间间隔和脉冲个数可以得到速度的实际值speed。
将speed值作为速度参考量的反馈量,通过速度PI后可以得到电流参考值Iref,通过电流检测电路可得到电流的反馈量I,再经过电流PI调节最后得到调节量用来控制占空比,即把速度调节器的输入做为电流调节器的输入,再以电流调节器的输出控制PWM装置。
2.1电流控制PI环节
电流环是通过电流反馈控制使电机电枢电流现行受控,可以达到电机输出力矩的线型控制,并使其动态范围相应加快,安全性提高。
在实际应用中,,为加快系统响应速度,减轻DSP负担,通常电流的测量采用串联旁路电阻的方法,将电阻串联于下端桥臂与地之间,同时起到一定的过电流保护作用。
通过电流反馈控制使电机电枢电流线性受控,即可得到线性的力矩输出,加快响应速度。
电流环设计中,电流调节采用PI调节方式,考虑到过电流的情况,应加上限幅器,限幅器可以和电流调节器串在一起,限幅值有PWM输出范围决定。
如上图的控制框图,R为电机电枢电阻,
-电机时间常数。
-功率放大系数。
电流环设计的参数:
PI调节器,一阶无静差;输出最大电流
4A;反馈系数为,带宽;
为电机等效的时间常数。
2.2速度PI环控制:
速度换是位置环的重要内环路,速度闭环可以改善系统的动态特性的线性度,提高系统的控制精度,改善电网电压对电机转速的影响,提高抗干扰能力,改善系统性能。
转子旋转一周的时间内,霍尔传感器输出3路180°的交叠信号,电动机每转动60°就有一次换相,只要见此检测两次欢喜那个的时间间隔就能计算出电机的速度。
2.3位置环控制
位置环是通过安装在电机转轴上的霍尔传感器实现闭环的控制环路,,位置环路的控制对象是电流环和传动机构。
由线性霍尔器件的道德电压信号经信号调节和AD转换后得到位置反馈信号。
由于位置环的解算误差较大,价值被控对象的非线性因素以及系统参数的时变特性等,造成位置误差较大。
为减小电机在运行时的积分环节较大造成溢出或对系统的动态性能的影响,本系统对位置环采用积分分离的PID算法。
积分分离是指在误差较大时,不进行积分,即
=0,只有误差在一定范围内是踩在控制亮的计算中加入积分环节。
算法为
其中
=1,当
其中
为积分误差阈值。
0,当
从图形分析可以得到在采用和不采用积分环节的动态性能相差很大,在采用积分分离环节时系统的震荡较小,具有较小的超调量。
3.系统软件实现:
伺服控制系统采用模块化设计,使软件组织灵活有序,便于调整、修改和移植。
DSP程序主要有主程序、信号采集、PWM输出、PID算法程序、串口通信程序、滤波程序等组成。
主程序首先是DSP的初始化、包括PLL.c、TIMER.c、STATE.c、IOset.c等组成。
然后初始化中断,确定系统所需要的中断类别及中断子程序在设置事件管理器,产生PWM波。
具体程序流程如下
参考文献
[1]彭启琮.DSP技术的发展与应用(第二版)[M]北京高等教育出版社2008
[2]基于DSP的无刷直流电机伺服系统设计[J]电子工程设计
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