【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 功率驅(qū)動(dòng)單元：對(duì)來自 DSP 控制器的 PWM 信號(hào)進(jìn)行功率放大后送給直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載； 速度 檢測(cè)單元：采集電機(jī)的速度信息，并送給主控制器； 顯示單元：將采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速信息予以顯示； 通信單元：負(fù)責(zé)主控制器與上位機(jī)及外設(shè)的信息交換。 圖 21 系統(tǒng)總 體 框圖 2. 2 DSP 芯片選擇 直流電機(jī)的調(diào)速控制系 統(tǒng)一般采用電機(jī)專用微處理器，其種類主要包括復(fù)雜指令集 CISC 處理器如工 NTEL196MX 系列單片微控制器，精簡(jiǎn)指令集 RISC 如日立公司 SH704x 系列單片微控制器，哈佛結(jié)構(gòu) DSP 處理器如 TI 公司 T145320F24X 系列 DSP。一般用于直流電機(jī)控制的徽處理器性能要滿足以下幾個(gè)方面： （ 1） 指令執(zhí)行速度； 7 （ 2） 片上程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量及程序存儲(chǔ)器的類型； （ 3） 乘除法、積和運(yùn)算和坐標(biāo)變換、向量計(jì)算等控制計(jì)算功能； （ 4） 中斷功能和中斷通道的數(shù)目； （ 5） 用于 PWM 生成硬件單元和可實(shí)現(xiàn)的調(diào)制范圍以及死 區(qū)調(diào)節(jié)單元 ； （ 6） 用于輸入模擬信號(hào)的 A/D 轉(zhuǎn)換器； （ 7） 價(jià)格及開發(fā)環(huán)境。 DSP 一般采用哈佛或者改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，程序空間和數(shù)據(jù)空間分離，程序的數(shù)據(jù)總線和地址總線分離，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線和地址總線分離。這種結(jié)構(gòu)允許同時(shí)訪問程序指令和數(shù)據(jù)，在同一機(jī)器周期里完成讀和寫，并行支持在單機(jī)器時(shí)鐘內(nèi)同時(shí)執(zhí)行算術(shù)、邏輯和位處理操作，極大地提高了執(zhí)行速度，并且電機(jī)控制專用 DSP 具備豐富的設(shè)備和接口資源。 TI 公司的 TMS320 系列 DSP 芯片是目前最有影響、最為成功的數(shù)字信號(hào)處理器，其產(chǎn)品銷量一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位，是公認(rèn)的世界 DSP 霸主。 本論文選擇了TI 公司的 TMS320LF2407DSP 作為直流電機(jī)控制系統(tǒng)的微處理器。 TMS320LF2407 DSP 控制器介紹 TMS320LF2407 DSP 是專為數(shù)字電機(jī)控制和其它控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。是當(dāng)前集成度最高、性能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制芯片。不但有高性能的 C2XX CPU 內(nèi)核，配置有高速數(shù)字信號(hào)處理的結(jié)構(gòu)，且有控制電機(jī)的外設(shè)。它將數(shù)字信號(hào)處理的高速運(yùn)算功能，與面向電機(jī)的強(qiáng)大控制功能結(jié)合在一起，成為傳統(tǒng)的多微處理器單元和多片系統(tǒng)的理想替代品 [12]。 TMS320LF2407 的片內(nèi) 外設(shè)模塊 包括： 事件管理模塊（ EV）、 數(shù)字輸入 /輸出模塊（ I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ ADC）、串行外設(shè)模塊（ SPI）、串行通信模塊（ SCI）、局域網(wǎng)控制器模塊（ CAN）。 （ 1） 事件管理器 EVA 和 EVB TMS320LF2407 提供兩個(gè)事件管理器 EVA 和 EVB 模塊，每個(gè)模塊包含兩個(gè)通用（ GP）定時(shí)器、 3 個(gè)全比較 /PWM 單元、 3 個(gè)捕獲單元和一個(gè)正交編碼脈沖電路。事件管理器位用戶提供了眾多的功能和特點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制中特別有用。 通用定時(shí)器 ： LF2407 共有 4 個(gè)通用定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器包括：一個(gè) 16 位的定時(shí)器增 /減計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器 TxCNT；一個(gè) 16 位的定時(shí)器比較寄存器 TxCMPR；一個(gè) 8 16 位的定時(shí)器周期寄存器 TxPR；一個(gè) 16 位的定時(shí)器控制寄存器 TxCON；可選擇的內(nèi)部或外部輸入時(shí)鐘。各個(gè) GP 定時(shí)器之間可以彼此獨(dú)立工作或相互同步工作。與其有關(guān)的比較寄存器可用作比較功能或 PWM 波形發(fā)生。每個(gè) GP 定時(shí)器的內(nèi)部或外部的輸入時(shí)鐘都可進(jìn)行可編程的預(yù)定標(biāo)，它還向事件管理器的子模塊提供時(shí)畢。每個(gè)通用定時(shí)器有 4 種可選擇的操作模式：停止 /保持模式、連續(xù)增計(jì)數(shù)模式、定向增 /減計(jì)數(shù)模式、逢續(xù)增 /減計(jì)數(shù)模式。當(dāng)計(jì)數(shù)器值和比較寄存器值相等時(shí) ，比較匹配發(fā)生，從而在定時(shí)器的 PWM 輸出引腳 TxPWM/TxCMP 上產(chǎn)生 CMP/PWM 脈沖，可設(shè)置控制寄存器 GPTCON 中的相應(yīng)位，選擇下溢、比較匹配或周期匹配時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)片內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換器。 比較單元 ： LF2407 有 6 個(gè)比較單元，每個(gè) EV 模塊有 3 個(gè)。每個(gè)比較單元又有兩個(gè)相關(guān)的 PWM 輸出，比較單元的時(shí)基由通用定時(shí)器 1 （ EVA 模塊）和通用定時(shí)器 3 （ EVB 模塊）提供。每個(gè)比較單元和通用定時(shí)器 1 或通用定時(shí)器 3，死區(qū)單元及輸出邏輯可在兩個(gè)特定的器件引腳上產(chǎn)生一對(duì)具有可編程死區(qū)以及輸出極性可控的 PWM 輸出。在每個(gè) EV 模塊中有 6 個(gè)這種與比較單元相關(guān)的 PWM 輸出引腳，這 6 個(gè)特定的 PWM 輸出引腳可用于控制三相交流感應(yīng)電機(jī)和直流無刷電機(jī)。由比較方式控制寄存器所控制的多種輸出方式能輕易地控制應(yīng)用廣泛的開關(guān)磁阻電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。 捕獲單元 ： 捕獲單元被用于高速 I/O 的自動(dòng)管理器，它監(jiān)視輸入引腳上信號(hào)的變化，記錄輸入事件發(fā)生時(shí)的計(jì)數(shù)器值，即記錄下所發(fā)生事件的時(shí)刻。該部件的工作由內(nèi)部定時(shí)器同步，不用 CPU 干預(yù)。 LF2407 共有 6 個(gè)捕獲單元， CAP1， CAP2，CAP3 可選擇通用定時(shí)器 1 或 2 作為它們的時(shí)基，但 CAP1 和 CAP2 一定要選擇 相同的定時(shí)器作為它們的時(shí)基。 CAP4， CAP5， CAP6 可選擇通用定時(shí)器 3 或 4 作為它們的時(shí)基，同樣 CAP4 和 CAP5 也一定要選擇相同的定時(shí)器作為它們的時(shí)基。每個(gè)單元各有一個(gè)兩級(jí)的 FIFO 緩沖堆棧。當(dāng)捕獲發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志被置位，并向 CPU 發(fā)中斷請(qǐng)求；若中斷標(biāo)志己被置位，捕獲單元還將啟動(dòng)片內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換器。 正交編碼脈沖（ QEP）單元 ： 常用的位置反饋檢測(cè)元件為光電編碼器或光柵尺，它直接將電機(jī)角度和位移的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其輸出一般有相位差為 90176。的 A、 B 兩路信號(hào)和同步脈沖信號(hào) C。 A、 B 兩路脈沖可直接作 為 LF2407 的CAP1/QEP1 和 CAP2/QEP2 引腳的輸入。正交編碼脈沖電路的時(shí)基由通用定時(shí)器 2 9 或通用定時(shí)器 4 提供，但通用定時(shí)器必須設(shè)置成定向增 /減計(jì)數(shù)模式，并以正交編碼脈沖電路作為時(shí)鐘源。 （ 2） 數(shù)字輸入 /輸出模塊（ I/O） DSP 器件的數(shù)子輸入 /輸出引腳均為功能復(fù)用引腳。即這些引腳既可作為通用I/O 功能（雙向數(shù)據(jù)輸入 /輸出）引腳，也可作特殊功能（ PWM 輸出、捕獲輸入、串行輸入輸出等）引腳。數(shù)子 I/O 模塊負(fù)責(zé)對(duì)這些引腳進(jìn)行控制和設(shè)置。兩種功能的選擇由 I/O 復(fù)用控制寄存器（ MCRx， x=A， B， C）來 控制。當(dāng)引腳作為通用 I/O時(shí)，由數(shù)據(jù)和方向控制寄存器（ PxDATDIR， x=A， B， C， D， E， F）指出各 I/O引腳的數(shù)據(jù)方向（輸入還是輸出）和當(dāng)前引腳對(duì)應(yīng)的電平（高或低）。讀通用 I/O 引腳的電平或向引腳輸出電平，實(shí)際上是對(duì)相應(yīng)的寄存器（ PxDATDIR）進(jìn)行讀寫操作。 （ 3） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）模塊 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控制或被檢測(cè)的對(duì)象，如溫度、壓力、流量、速度等都是連續(xù)變化的物理量，通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎ㄈ鐪囟葌鞲衅?、壓力傳感器、光電傳感器等）將他們轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電壓或電流（即模擬量）。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 就是用來講這些模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字量的模塊。 TMS320LF2407 期間內(nèi)部有一個(gè) 10 為的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC。該模塊能夠?qū)?16 個(gè)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣 /保持和 A/D 轉(zhuǎn)換，通道的轉(zhuǎn)換順序可以 編程 選擇。 （ 4） 串行通信接口 （ SCI）模塊 2407 器件的串行通信接口（ SCI）模塊是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信異步接收 /發(fā)送（ UART）可編程串行通信接口。 SCI 支持 CPU 與其他異步串口采用標(biāo)準(zhǔn)不返回零（ NRZ）模塊進(jìn)行異步串行數(shù)字通信。 SCI 有空閑線和地址位兩種多處理器通信方式；兩個(gè)輸入 /輸出引腳： SCIRXD（ SCI 接收數(shù)據(jù)引腳）和 SCITXD（ SCI 發(fā)送數(shù)據(jù)引腳）； SCI通過一個(gè) 16 位的波特率選擇寄存器，可編程選擇 64K 種不同速率的波特率。 SCI支持半雙工和全雙工操作，發(fā)送器和接收器的操作可以通過中斷或轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志來完成。 （ 5） 串行 外設(shè) 接口（ SPI）模塊 串行外設(shè)接口（ SPI）模塊是一個(gè)高速同步串行輸入 /輸出（ I/O）口，它能使可編程長(zhǎng)度（ 1— 16 位）的串行位流以可編程的位傳輸速率輸入或輸出器件。 10 SPI 可作為一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)，以同步方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備之間的信息交換，即兩個(gè)設(shè)備在同一時(shí)鐘下工作。 SPI 通常用 于 DSP 控制器與外部設(shè)備或其他控制器之間的通信，用 SPI 可以構(gòu)成多機(jī)通信系統(tǒng)， SPI 還可以作為移位寄存器、顯示驅(qū)動(dòng)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 等器件的外設(shè)擴(kuò)展口。 （ 6） CAN 控制器模塊 LF24xx 系列 DSP 控制器作為第一個(gè)具有片上 CAN 控制模塊的 DSP 芯片，給用戶提供一個(gè)設(shè)計(jì)分布式或網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的無限可能。 CAN 總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá) 1 Mbps，通信距離可達(dá) 10km。 CAN 協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使網(wǎng) 絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。由于 CAN 總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。 2407 的 CAN 控制器模塊是一個(gè) 16 位的外設(shè)模塊，支持 CAN2. 0B 協(xié)議。 CAN模塊有 6 個(gè)郵箱（ MBOX0— MBOX5）；有用于 0， 1,2 和 3 號(hào)的郵箱的本地屏蔽寄存器和 15 個(gè)控制 /狀態(tài)寄存器。 CAN 模塊既有可編程的位速率、中斷方式和 CAN總線喚醒功能；自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請(qǐng)求；自動(dòng)再發(fā)送功能（在發(fā)送時(shí)出錯(cuò)或仲裁是丟失數(shù)據(jù)的情況下）；總線出錯(cuò)診斷和自測(cè)模式。 硬件方案論證 測(cè)速傳感器的選擇 方案一：使用測(cè)速發(fā)電機(jī)，輸出電動(dòng)勢(shì) E 和轉(zhuǎn)速 n 成線性關(guān)系，即 E=kn，其中 k 是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變。 方案二：采用霍爾傳感器， 霍爾元件是磁敏元件，在被測(cè)的旋轉(zhuǎn)體上裝一磁體，旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)磁體經(jīng)過霍爾元件，霍爾元件就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，經(jīng)放大整形得到脈沖信號(hào)，送運(yùn)算 。 方案三：在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上套一碼盤，利用 光電對(duì)管測(cè)脈沖，每轉(zhuǎn)一圈 OUT 端輸出 若干個(gè) 脈沖。 （本設(shè)計(jì)中碼盤每轉(zhuǎn)一圈，輸出 4 個(gè)脈沖） 經(jīng)比較，方案一中的測(cè)速放電機(jī)安裝不如方案二中霍爾元件安裝方便，并且準(zhǔn)確率也沒方案 二的高，并且方案二不需 A/D 轉(zhuǎn)換，直接可以被 DSP 接收。但方案 11 二的霍爾傳感器的采購(gòu)不是很方便，故采用方案三，它具有方案二的幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)。 方案三 中可以采用定時(shí)的方法：是通過定時(shí)器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=60/4T=15/T。 0 也可以 采用記數(shù)的方法： 具體是通過 DSP 記單位時(shí)間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N，每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=N/S 15。 比較兩個(gè)計(jì)數(shù)方法，方法一所產(chǎn)生的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)誤差和硬件設(shè)計(jì)誤差，因?yàn)榇舜螠y(cè)速所使用的碼盤為自行制作，間隔不均勻，容易使脈沖之間產(chǎn)生時(shí)間差。而方法二的誤差主要是177。 1 誤 差（量化誤差），則可以有效地減少碼盤制作給系統(tǒng)帶來的誤差。由此明顯看出，方法二在測(cè)量精度上優(yōu)于方法一，所以采用方法二計(jì)數(shù)。故選方案三。 功率 驅(qū)動(dòng) 單元 方案論證 方案一：采用專用小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，幾乎不添加其它外圍元件就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，使得驅(qū)動(dòng)電路功耗相對(duì)較小，而且目前市場(chǎng)上此類芯片種類齊全，價(jià)格也比較便宜。 方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、 壽命較短、可靠性不高。 方案三：采用由達(dá)林頓管組成的 H 型 PWM 電路。用 DSP 控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H 型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。 通過比較和對(duì)市場(chǎng)因素的考慮，本設(shè)計(jì)采用方案一 。 鍵盤顯示方案論證 方案一：采用 3 4 鍵盤，可直接通過鍵盤輸入設(shè)定值。優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)級(jí)數(shù)多；缺點(diǎn)是功耗大，不符合智能化趨勢(shì)而且不美觀。 方案二：使 用 3 個(gè)按鍵，進(jìn)行逐位設(shè)置。一個(gè)按鍵控制正轉(zhuǎn)，一個(gè)反轉(zhuǎn)，一個(gè)停止。優(yōu)點(diǎn)是美觀大方，一目了然；缺點(diǎn)是抗干擾能力較差。 由于方案一中電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)級(jí)數(shù)設(shè)置可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，且方案二中干擾也可通過軟件克服。因此，本設(shè)計(jì)完全采用方案二 。 12 PWM 實(shí)現(xiàn)方案論證 PWM 信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法 ： 一種是軟件的方法 ； 另一種是硬件的方法。 方案一：基于 NE555， SG3525 等一系列的脈寬調(diào)速系統(tǒng) 。 此種方式采用 NE555作為控制電路的核心，用于產(chǎn)生控制信號(hào)。 NE555 產(chǎn)生的信號(hào)要通過功率放大才能驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路。 NE55 SG3525 構(gòu)成的控制電路較為復(fù)雜，且智能化、自動(dòng)化水平較低，在工業(yè)生產(chǎn)中不利于推廣和應(yīng)用。 方案二：基于 DSP 由軟件來實(shí)現(xiàn) PWM。 在 PWM 調(diào)速系統(tǒng)中占空比 ? 是一個(gè)重要參數(shù) 。 在電源電壓 dU 不變