【正文】 期的減計(jì)數(shù)期間。本控制器中，對稱PWM的頻率計(jì)算公式為： （41）其中：為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，為分頻系數(shù)，為定時(shí)器1的周期寄存值。設(shè)置定時(shí)器1的計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)，比較寄存器CMPRx的值與周期寄存器之比即為輸出PWM信號(hào)的占空比，集通過調(diào)整比較寄存器的值即可得到相應(yīng)的占空比。PWM占空比為： （42）通過對事件管理器寄存器進(jìn)行配置產(chǎn)生PWM波形。寄存器設(shè)置步驟如下：（1）設(shè)置和裝載ACTRA；（2）如果用到死區(qū)單元，設(shè)置和裝載DBYTCONA；（3）初始化CMPRx； （4）設(shè)置和裝載COMCONA；（5）設(shè)置和裝載T1CON，啟動(dòng)比較操作；（6）用新值更新CMPRx寄存器。當(dāng)換相時(shí)刻到來需要換相時(shí)，PWM根據(jù)獲得的換相控制字做出相應(yīng)的換相；當(dāng)經(jīng)過電流控制確定系統(tǒng)需要改變PWM占空比時(shí)，根據(jù)計(jì)算的到的PWM占空比，對比較控制器CMPRx進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值更新。EVA的初始化程序?yàn)椋簐oid init_EVA(){=PWM_per。 //定時(shí)器1周期=0x0000。 //定時(shí)器1計(jì)數(shù)器為0=0x0000。//比較方式控制=0x0000。 //禁止死區(qū)=0xA600。=PWM_DUTY。=PWM_DUTY。=PWM_DUTY。 //設(shè)置PWM1PWM6比較寄存器=0x0842。 //連續(xù)遞增/減計(jì)數(shù)，定時(shí)器使能，比較使能=timer2_per。 //定時(shí)器2周期=0x0000。 //定時(shí)器2計(jì)數(shù)器為0=0x1042。 //連續(xù)增計(jì)數(shù)，定時(shí)器使能，比較使能} 定時(shí)器1中斷模塊在電機(jī)運(yùn)行過程中，有定時(shí)器1周期匹配中斷服務(wù)程序?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行采樣和控制。本設(shè)計(jì)中設(shè)定PWM頻率為10KHz，即通用定時(shí)器1的周期為100us，因?yàn)榇穗娏鳝h(huán)采樣更新時(shí)間為100us，選擇速度環(huán)采樣時(shí)間為2ms,為電流環(huán)采樣時(shí)間的20倍。在定時(shí)器1周期匹配的中斷服務(wù)程序中設(shè)置了一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器，用全局變量Count來實(shí)現(xiàn)，中斷服務(wù)程序運(yùn)行一次，Count就加一次，當(dāng)Count=2時(shí)，調(diào)用電流環(huán)的控制子程序，當(dāng)Count=40時(shí)，調(diào)用速度環(huán)的控制子程序，速度環(huán)的控制子程序調(diào)用之后將Count清零。這樣就實(shí)現(xiàn)了100us的電流環(huán)采樣和2ms的速度環(huán)采樣。定時(shí)器1周期匹配中斷流程圖如圖44所示。（1）電流環(huán)控制子程序該子程序要實(shí)現(xiàn)的功能為：由（本設(shè)計(jì)中=0）得到AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。此結(jié)果即為電機(jī)相電流測量值；根據(jù)速度調(diào)節(jié)得到的電流參考值和測量值進(jìn)行比較，對得到的偏差值在經(jīng)過電流PI控制；最后得到的控制量改變PWM的占空比。電流環(huán)子程序的流程圖如圖45所示。A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置成通過事件管理器1計(jì)數(shù)器周期匹配中斷來啟動(dòng)，也就是當(dāng)定時(shí)器1計(jì)數(shù)器的值與周期寄存器的值相同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)匹配中斷。由于PWM的通用定時(shí)器1設(shè)置成連續(xù)遞增/遞減計(jì)數(shù)方式，這種方式使得A/D轉(zhuǎn)換始終在功率開關(guān)器件導(dǎo)通的中間進(jìn)行電流采樣，保證了同步性，避免了在功率開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)進(jìn)行采樣的情況。中斷返回定時(shí)器1下溢中斷Count=2?Count=40?Count++開中斷電流環(huán)控制子程序速度環(huán)控制子程序否否是是圖 44定時(shí)器1周期匹配中斷流程圖電流環(huán)子程序讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果電流PI控制改變PWM占空比返回圖 45 電流環(huán)子程序流程圖（2）速度環(huán)控制子程序電機(jī)速度控制采用積分分離PID控制，速度調(diào)節(jié)流程如圖46所示。積分分離PID控制具體實(shí)現(xiàn)過程為：（1）根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定一個(gè)閾值；（2）當(dāng)時(shí)，采用PD控制，避免過大的超調(diào)，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；（3）當(dāng)時(shí)，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。寫成公式，可在PID算法的積分項(xiàng)上乘以一個(gè)系數(shù)，按下列取值： （43）當(dāng)時(shí)，即=0，進(jìn)行PD控制，其控制算法為：= == （44）其中，或者，為比例系數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)，T為采樣周期。返回參考電流值速度控制子程序計(jì)算當(dāng)前速度偏差獲得參考電流對進(jìn)行限幅Count=0是否PID控制PD控制 圖 46 電機(jī)速度調(diào)節(jié)流程圖 當(dāng)時(shí)，取=1，進(jìn)行PID控制，即 （45） = （46）式中 ，，或。本控制器設(shè)置當(dāng)電機(jī)的實(shí)際速度與給定速度的絕對差值時(shí)，采用數(shù)字PID控制；當(dāng)電機(jī)實(shí)際速度與給定速度的偏差時(shí)，采用PD控制，以消除積分校正環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。最后，輸出的參考電流經(jīng)過限幅處理后送入電流環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)。電機(jī)保護(hù)中斷服務(wù)模塊完成的主要功能是對系統(tǒng)可能發(fā)生的故障進(jìn)行檢測，并采取相應(yīng)的措施避免電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器的損壞。本次設(shè)計(jì)中包含了用于電機(jī)保護(hù)的硬件電路，即過流保護(hù)、過壓及欠壓保護(hù)，但過流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，所以必須設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)將發(fā)生不可屏蔽中斷，關(guān)閉PWM輸出，確保整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的安全。子程序中，通過比較方式控制寄存器ACTRA設(shè)置為0xFFFF，使六路PWM的輸出全部為低，保證逆變橋電路的功率管處于截止?fàn)顟B(tài)，從而保護(hù)電路。電機(jī)保護(hù)中斷流程圖如圖47所示。故障中斷入口保護(hù)現(xiàn)場設(shè)置ACTRA為0xFFFF封鎖所有PWM信號(hào)恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回 圖 47 電機(jī)保護(hù)中斷流程圖 CAN總線接口通信程序設(shè)計(jì)CAN通信采用短幀格式。數(shù)據(jù)幀由幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)域、應(yīng)答域和幀結(jié)束組成。圖48為TMS320F2812支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀格式。 圖 48 CAN信息幀格式在使用CAN模塊之前，必須進(jìn)行初始化，并且只有CAN模塊工作在初始化模塊下才能進(jìn)行初始化。圖49為CAN模塊的初始化流程圖。標(biāo)準(zhǔn)模式（CCR=0 CCE=0）配置需要的工作模式（CCR=1 CCE=0）等待模式配置（CCR=1 CCE=0）配置模式有效(CCR=1 CCE=1)改變時(shí)能的位時(shí)序參數(shù)配置需要的標(biāo)準(zhǔn)模式（CCR=0 CCE=1）等待標(biāo)準(zhǔn)模式配置（CCR=0 CCE=1）標(biāo)準(zhǔn)模式配置完成CCE=0CCE=1 圖 49 CAN模塊的初始化流程圖初始化模式和正常操作模式之間的轉(zhuǎn)換是通過CAN網(wǎng)絡(luò)同步實(shí)現(xiàn)的。也就是在CAN控制器改變工作模式之前，要檢測總線空閑序列（等于11接收位）。如果產(chǎn)生支配總線錯(cuò)誤，CAN總線將不能檢測到總線空閑狀態(tài)，也就不能完成模式轉(zhuǎn)換。將CCR（）置1，使CAN模塊工作在初始化模式。而且只有CCE（）=1時(shí)，才能執(zhí)行初始化操作。完成上述設(shè)置后，CAN模塊的配置寄存器才能完成寫操作。標(biāo)準(zhǔn)CAN模式（SCC）：為了能夠調(diào)整全局接收屏蔽寄存器（CANGAM）和兩個(gè)局部接收屏蔽寄存器[LAM（0）和LAM（3）]，CAN模塊也需要工作在初始化模式。通過將CCR（）清零，可以使CAN模塊處于工作模式，硬件復(fù)位后，模塊就會(huì)進(jìn)入初始化模式。如果CANBTC寄存器的值位0，或者為初始值，則CAN模塊將一直工作在初始化模式。也就是當(dāng)清除CCR位時(shí)，CCE（）位保持1[22]。CPU將等待發(fā)送的數(shù)據(jù)存放到發(fā)送郵箱。數(shù)據(jù)和標(biāo)志位寫到發(fā)送郵箱后，若已使能了郵箱（），將TR[n]置位就可以把信息發(fā)出去。若多個(gè)郵箱配置為發(fā)送郵箱，且有多個(gè)相應(yīng)的TR[n]置位，則按郵箱優(yōu)先級(jí)的順序依次發(fā)送。在標(biāo)準(zhǔn)CAN總線模式下，發(fā)送郵箱的優(yōu)先級(jí)和郵箱編號(hào)有關(guān)，15號(hào)郵箱具有最高的優(yōu)先級(jí)。在eCAN模式下，它與消息控制寄存器（MSGCTRL）的TPL位的設(shè)置有關(guān)。TPL中設(shè)置的值越大，優(yōu)先級(jí)也就越高。只有當(dāng)兩個(gè)郵箱的TPL值設(shè)置相同時(shí)郵箱編號(hào)大的發(fā)送郵箱才有較高的優(yōu)先級(jí)。如果仲裁或錯(cuò)誤導(dǎo)致發(fā)送失敗，將重新發(fā)送消息。在消息重發(fā)之前，CAN模塊要檢查是否有其他的發(fā)送請求，然后根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的消息。在CAN模塊接受消息時(shí)，首先比較輸入消息的標(biāo)志符和接受郵箱中存放的標(biāo)志符，如果相等，接受標(biāo)志符、控制位和數(shù)據(jù)字節(jié)餓到相應(yīng)的RAM空間。同時(shí)，相應(yīng)的接受消息掛起位RMP[n]（～0）置位。如果已經(jīng)使能了中斷，也會(huì)產(chǎn)生中斷。如果兩者的標(biāo)志符不一致，則不存儲(chǔ)輸入的消息。當(dāng)接收到消息時(shí)，消息控制器開始從郵箱編號(hào)最高的郵箱搜索標(biāo)識(shí)符匹配的郵箱。標(biāo)準(zhǔn)CAN模式下，郵箱15有最高的接收優(yōu)先級(jí)，而在eCAN模式下，郵箱31有最高的接收優(yōu)先級(jí)。讀取完數(shù)據(jù)后，CPU必須將RMP[n]（～0）復(fù)位。如果同一個(gè)郵箱接收到第二個(gè)消息，且接收消息掛起位已經(jīng)置位，相應(yīng)的消息丟失位RML[n]（～0）就會(huì)置位。在這種情況下，如果覆蓋保護(hù)位OPC[n]（～0）被清零，原有的消息就會(huì)被新接收到的消息覆蓋，否則檢查下一個(gè)郵箱。如果郵箱配置為接受郵箱且RTR位置位，則該郵箱可以發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀。一旦遠(yuǎn)程幀發(fā)送出去，CAN模塊就會(huì)清除郵箱的TRS位。本章小結(jié)：本章設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制器的軟件部分，首先簡要介紹了軟件的開發(fā)環(huán)境，其次將控制器軟件部分模塊化，分別介紹了各模塊的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)流程。對傳統(tǒng)的PID控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，重點(diǎn)提出了積分分離PID控制思想。總 結(jié)經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的不懈努力，基于DSP的小型地面移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)取得了一定的成果。總結(jié)如下：（1）選擇了適合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制且功能強(qiáng)大的DSP芯片TMS320F2812。采用TMS320F2812設(shè)計(jì)控制器，可以提高控制系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，增加了系統(tǒng)的可靠性。（2）為了減少電機(jī)在運(yùn)行過程中積分校正環(huán)節(jié)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，本設(shè)計(jì)對用于電機(jī)速度控制的PID環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，提出了積分分離PID算法。積分分離PID算法的優(yōu)點(diǎn)，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。以下簡要介紹整個(gè)控制系統(tǒng)的工作過程：運(yùn)動(dòng)控制器采用電流環(huán)和速度環(huán)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)控制。其外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用電流環(huán)。首先，通過霍爾位置傳感器信息計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行中的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，然后將實(shí)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和給定的參考值之間的偏差經(jīng)積分分離PID調(diào)節(jié)后，輸出電流參考值。其次，將電流參考值與電機(jī)實(shí)際電流進(jìn)行比較，得到的偏差送入電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的控制量用于改變PWM的占空比。最后，輸出的PWM信號(hào)經(jīng)電壓逆變后輸入電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的雙閉環(huán)控制。 （3） 建立了電機(jī)控制器的硬件平臺(tái)。以ARM9系列處理器和TMS320F2812為核心，設(shè)計(jì)了TMS320F2812所需電源電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。為了保護(hù)電機(jī)，還設(shè)計(jì)了電機(jī)過流、過壓及欠壓保護(hù)電路。同時(shí)控制板與驅(qū)動(dòng)板全部采用光耦隔離，使整個(gè)系統(tǒng)安全可靠。（4）完成了電機(jī)控制器的軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)初始化、中斷模塊、PID控制算法模塊、PWM輸出模塊等。軟件的模塊化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了程序的可讀性，有利于系統(tǒng)的調(diào)試、修改以及升級(jí)。由于時(shí)間及條件的限制，本課題中還有很多工作需要進(jìn)一步完善，整個(gè)控制器距離實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距。以后還需要在以下方面多做工作：（1）本控制器用6個(gè)MOSFET來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以考慮改用專用的IPM模塊，提高控制器性能，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，減小控制器的體積。 （2）與光電編碼器相比，通過霍爾位置信號(hào)測算電機(jī)的轉(zhuǎn)速很不精確。因此，在電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測這方面，可以考慮使用光電編碼器。 （3）如何把先進(jìn)的控制算法編寫成高效的控制程序，是控制器軟件設(shè)計(jì)中必須考慮的很重要的問題。 參考文獻(xiàn) [1] (美)Gordon McComb, Myke Predko (著), 龐明（譯）. 機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 北京:科學(xué)出版社,2008[2] (美)DavidCook (著), 崔維娜(譯). 機(jī)器人制作入門. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005[3] 劉金琨編著. 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與MATLAB仿真. 北京:清華大學(xué)出版社,2008[4] 夏長亮著. 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng). 北京:科學(xué)出版社,2009[5] 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