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基于dsp的直流電機(jī)pwm控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-展示頁

2024-11-19 22:05本頁面
  

【正文】 上升段,脈沖形狀不同時(shí) i(t)的形狀也略有不同,但其下降段幾乎完全相同。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié) 的 RL 電路上,設(shè)其電流 i(t)為電路的輸出。 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 f ( t )0tf ( t )0tf ( t )0tf ( t )0t a ) b )c )d )邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 6 abcda ) b )ii ( t )i ( t )e ( t )圖 a 的電路是一個(gè)具體的例子。例如圖 中 a、 b、 c 所示的三個(gè) 窄脈沖形狀 不同,其中 圖 的 a 為矩形脈沖,圖 的 b 為三角脈沖,圖 的 c 為正弦半波脈沖,但它們的面積(即沖量)都等于 1,那么,當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí),其輸出響應(yīng)基本相同。這里所說的效果基本相同,是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 PWM 控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。 PWM 脈沖控制技術(shù) [7] PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù) 。在正常工作情況下,程序周期性對定時(shí)器進(jìn)行清零;若程序出錯(cuò),飛出或死機(jī),則定時(shí)器溢出,產(chǎn)生復(fù)位信號。 串行外設(shè)接口 ( SPI) 是高速的同步串行 I/O 口,用于同步數(shù)據(jù)通信,支持 125種不同的波特率,例如系統(tǒng)時(shí)鐘 SYSCLK 是 30MHz ,波特率可達(dá) 7 .5Mbps。 串行通訊接口 ( SCI) 提供了通用全雙工的異步接收 /發(fā)送 ( UART) 通信模式 ,可與 PC 機(jī)串口、打印機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)器件通訊,可采用 RS- 232- C 協(xié)議。對這些外設(shè)的每次訪問需要多于一個(gè)的周期。 ( 3) 片內(nèi)外設(shè) TMS320F2407 總線結(jié)構(gòu)支持對豐富的片內(nèi)外設(shè)的訪問。 CALU在完成算術(shù)或邏輯運(yùn)算后,結(jié)果存儲在累加器中。除了常用的算術(shù)指令外, CALU 還可完成布爾運(yùn)算。 32 位的乘積結(jié)果存放 在乘積寄存器中。 片上的硬件乘法器能實(shí)現(xiàn) 1616 二進(jìn)制補(bǔ)碼乘法運(yùn)算,輸出 32 位結(jié)果。這對于定標(biāo)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的調(diào)整標(biāo)志是必要的。 TMS320F2407 提供了一個(gè)輸入數(shù)據(jù)定標(biāo)移位單元,它連接 16 位的數(shù)據(jù)總線和CALU 的 32 位輸入。 TMS320F2407 器件由三個(gè)主要的功能單元組成: ( 1) 內(nèi)核 CPU TMS320F2407 與所有的 240x 器件具有相同的 CPU 內(nèi)核。 TMS320F2407 的結(jié)構(gòu) [4] TMS320F2407 是 TI 公司的基于 TMS320C2XXDSP 的 CPU 核的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器。 ( 12)家用電器 :數(shù)字電話,數(shù)字電視,音樂合成,音調(diào)控制,玩具與游戲,高保真音邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 4 響,數(shù)字收音機(jī)、數(shù)字電視。 ( 10)自動控制 :機(jī)器人控制,磁盤控制,自動駕駛,聲控,發(fā)動機(jī)控制。 ( 9)軍事 :保密通信,雷達(dá)處理,導(dǎo)航,導(dǎo)彈制導(dǎo)。 ( 7)自動測試診斷設(shè)備及儀器儀表、虛擬儀器:現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)備中,有近百分之六十的設(shè)備及資金是用于測試設(shè)備,自動測試設(shè)備集高速數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、實(shí)時(shí)處理于一體,又一廣闊應(yīng)用領(lǐng)域。 ( 5)通訊 :調(diào)制解調(diào)器 ,自適應(yīng)均衡 ,數(shù)據(jù)加密 ,數(shù)據(jù)壓縮 ,擴(kuò)頻通信 ,糾錯(cuò)編碼 ,傳真 ,可視電話。 ( 3)激光打印機(jī)、掃描儀和復(fù)印機(jī): DSP 不僅僅是控制,還有繁重的數(shù)字信號處理任務(wù),如字符識別、圖像增強(qiáng)、色彩調(diào)整等。 ( 2)電機(jī)和機(jī)器人控 制 :在單片內(nèi)集成多個(gè) DSP 處理器可采用先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制等人工智能算法。其控制器的基本原理如圖 。 圖 DSP 控制器的基本原理圖 數(shù) 據(jù) 總 線中央處理單元程序儲存單元數(shù)據(jù)儲存單元數(shù)字 I / O 接口串行接口串行通信模數(shù)轉(zhuǎn)換事件管理地 址 總 線內(nèi) 部 外 設(shè)片 內(nèi)片 外外部設(shè)備邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 3 ( 5) 快速指令周期 哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)可使 DSP 芯片的主頻不斷提高。由此可見,對于運(yùn)算較復(fù)雜的算法, DSP 的速度比微處理器快很多。在 TMS320 系列中,由于具有專用的硬件乘法器,乘法可在一條指令周期內(nèi)完成。例如 ,執(zhí)行一條字相乘, 80C196 系列芯片要 20 個(gè)狀態(tài)周期(如 16MHz 的晶振,約要 )。乘法速度越快, DSP 處理器的性能越高。也就是說,處理器可以并行處理二到四條指令,每條指令處于流水線的不同階段。 TMS320 系列處理器的流水線深度從二到四級不等。 TI公司的 DSP 芯片結(jié)構(gòu)是基本哈佛結(jié)構(gòu)的改進(jìn)類型,改進(jìn)之處是在數(shù)據(jù)總線和程序總線之間進(jìn)行局部的交叉連接,這一改進(jìn)允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中,并被算術(shù)運(yùn)算指令邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 2 直接使用,增強(qiáng)了芯片的靈活性,只要調(diào)度好兩個(gè)獨(dú)立的總線就可使處理能力達(dá)到最高,以實(shí)現(xiàn)全速運(yùn)行。諾依曼 ( Von Neuman) 結(jié)構(gòu)相比,其主要特點(diǎn)是程序和數(shù)據(jù)存儲具有獨(dú)立的存儲空間,有各自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線,每個(gè)存儲器獨(dú)立編址,獨(dú)立訪問。在本章中先概括的介紹 DSP 特點(diǎn),接著介紹了我們課題中用的具體芯片 TMS320F2407 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能 [1][2]。因此 DSP 采用了多組總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行機(jī)制, 從而極大的提高了運(yùn)算速度,也提供了非常靈活的指令系統(tǒng)。 DSP 最早是針對數(shù)字信號處理,特別是語音、圖象信號的各種處理而開發(fā)的。采用微機(jī)控制后 , 整 個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化 , 結(jié)構(gòu)簡單 , 可靠性高 , 操作維護(hù)方便 , 電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平 , 靜動態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。 直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性 , 調(diào)速平滑、方便 , 調(diào)速范圍廣 ; 過載能力大 , 能承受頻繁的沖擊負(fù)載 , 可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn) ; 能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 1 1 概況 近年來 , 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展 , 數(shù)字信號處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電子、通信、計(jì)算機(jī)等眾多領(lǐng)域 ,成為最熱門的技術(shù)之一 。 數(shù)字信號處理器 —— DSP 的功能日益強(qiáng)大 , 技術(shù)不斷升級 , 系統(tǒng)不斷完善 , DSP 技術(shù)的應(yīng)用和普及 ,已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的潮流。電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制 , 是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。 DSP 器件的簡介 DSP( Digital Signal Processor) 實(shí)際上是一種單片機(jī),它是將中央處理器單元、控制單元和外圍設(shè)備集成到一塊芯片上。由于這類信號處理的算法復(fù)雜,要求 DSP 必須具有強(qiáng)大快速的運(yùn)算能力。 由于電力系統(tǒng)是一個(gè)非線性的、動態(tài)的、實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)的系統(tǒng),所以傳統(tǒng)的器件很難滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求,因此, DSP 器件以其高速的處理速度和豐富的片上資源被引入到我們的控制平臺,在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了以 DSP 為核心的諧波的實(shí)時(shí)檢測算法和數(shù)字化控制方案。 DSP 器件的特點(diǎn) ( 1)改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的馮大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力,非常適合于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號處理。 ( 2) 流水線操作 與哈佛結(jié)構(gòu)相匹配, DSP 芯片指令系統(tǒng)廣泛采用 流水線操作以減少指令執(zhí)行時(shí)間,增強(qiáng)處理器的處理能力,把指令周期減小到最小值。第一代 TMS320 處理器采用二級流水線,第二代采用三級流水線,而第三代則采用四級流水線。 ( 3) 專用的硬件乘法器 在一般形式的 FIR 濾波器和 FFT 變換中,乘法是其中的重要組成部分。在通用的微處理器中,乘法指令是由一系列加法和移位來實(shí)現(xiàn)的,故需要許多個(gè)指令周期來完成。相比之下 , DSP 芯片的特征就是有一個(gè)專用的硬件乘法器。如 TMS320F2407 的一條指令周期為 50ns。 ( 4) 特殊 的 DSP 指令 DSP 芯片為了方便數(shù)字信號處理、提高運(yùn)算速度采用了一套專用的特殊指令系統(tǒng),隨著特殊指令的不斷豐富和完善, DSP 的運(yùn)算效率將越來越高。目前, TMS320 系列處理器的指令周期已從第一代的 200ns 降低至現(xiàn)在的 5ns( TMS320C6000 系列及 TMS320C5000 系列)。 DSP 器件的應(yīng)用 [3] ( 1)信號處理 :數(shù)字濾波,自適應(yīng)濾波, FFT,相關(guān)運(yùn)算,譜分析,卷積,模式匹配,加密,波形產(chǎn)生。機(jī)器人智能的視覺、聽覺和四肢的靈活運(yùn)動必須有 DSP 技術(shù)支持才能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。 ( 4)網(wǎng)絡(luò)控制及傳輸設(shè)備:網(wǎng)絡(luò)功能和性能的不斷提高,如視頻信箱、交互式電視等,要求更寬、更靈活的傳輸帶寬,實(shí)時(shí)傳輸和處理數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)都需要 DSP 的支持。 ( 6)語音處理:語音編碼 ,語音合成 ,語音識別 ,語音郵件 ,語音存儲。 ( 8)圖像處理:二維三維圖形處理,圖像壓縮、傳輸與增強(qiáng),動畫,機(jī)器人視覺,模式識別。如機(jī)載空 空導(dǎo)彈,在有限的體積內(nèi)裝有紅外探測儀和相應(yīng)的 DSP 處理部分,完成目標(biāo)的自 動鎖定 與跟蹤,戰(zhàn)斗機(jī)上的目視瞄準(zhǔn)器和步兵頭盔式微光儀,需 DSP 完成圖像的濾波與增強(qiáng),智能化目標(biāo)的搜索、捕獲。 ( 11)醫(yī)療儀器 :助聽、診斷工具、超聲儀 ,CT、核磁共振。 ( 13)汽車 :防滑剎車、引擎控制、伺服控制、振動分析、安全氣囊的控制器、視像地圖。 TMS320F2407 具有兩個(gè) 16 位 通用定時(shí)器、 8 個(gè) 16 位的 PWM 通道、3 個(gè)捕捉單元、 16 通道 A/D 轉(zhuǎn)換器、 同步通信接口、 異步通信接口、 544 字雙尋址 RAM (DARAM)和 32K 字 Flash 程序存儲器等功能。中央處理單元 CPU包括一個(gè)輸入定標(biāo)移位器 ,1616 位硬件乘法器,中央算 術(shù)邏輯單元( CALU), 32 位累加器以及輸出移位器。它用于把來自存儲器 的 16 位數(shù)據(jù)調(diào)整至 32 位 CALU。該移位器作為從程序或數(shù)據(jù)空間至CALU 數(shù)據(jù)通路的一部分,并不需要周期開銷。乘法器接收的兩個(gè)輸入,一個(gè)來自 16 位的臨時(shí)存儲器( TREG),另一個(gè)來自數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器。 CALU 是中央算術(shù)邏輯單元,它對取自數(shù)據(jù)存儲器或來自立即數(shù)指令的 16 位字進(jìn)行操作。 CALU 的一個(gè)輸入總由累加器提供,另一個(gè)輸入可由乘積定標(biāo)移位器或輸入數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器提供。 ( 2) 存儲器 TMS320F2407 片內(nèi)包含有一個(gè) 544 字的雙口( Dualaccess)隨機(jī)存儲存儲器( DARAM) , 2K 字的單口 RAM( SARAM) ,高達(dá) 32K 字的 FLASH 程序存儲器,高達(dá) 字的數(shù)據(jù) /程序 RAM。絕大多數(shù)的外設(shè)通過外設(shè)總線進(jìn)行訪問,如雙模擬 — 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 ( A/D) 、串行外設(shè)接口 ( SPI) 、串行通訊接邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 5 口 ( SCI) 、看門狗 ( WD) 。而事件管理器能直接與數(shù)據(jù)總線匹配,從而能得到全速的 CPU 處理能力。通過一個(gè) 16位波特率選擇寄存器可獲 得 65535 種不同的可編程波特率 [5][6]。 看門狗定時(shí)器 ( WD) 是一個(gè)增量計(jì)數(shù)器。 事件管理器包括通用定時(shí)器、脈寬調(diào)制 ( PWM) 通道、捕獲 (capture)單元、片內(nèi)光電編碼器接口電路以及 16 通道 A/D 轉(zhuǎn)換器 。即 通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。沖量即指窄脈沖的面積。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析,則其低頻段非常接近,僅在高頻段略有差異。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D 的 d 所示的單位脈沖函數(shù) )(t? 時(shí),環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù) 。圖中 e(t)為窄脈沖,其形狀和面積分別如圖 的 a、 b、 c、 d 所示,為電路的輸入。圖 b 給出了不同窄波時(shí) i(t)的響應(yīng)波形。脈沖越窄,各 i(t)波形的差異也越小。用傅立葉級數(shù)分解后將可看出,各 i(t)在低頻段的特性非常接近,僅在高頻段有所不同。 則上式可化為: UU ???0 (U 為脈沖幅值 ) () U ( t )0tTt 0U邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 7 PWM 為周期性脈沖時(shí),等效直流電壓的計(jì)算方法和上訴相同,此時(shí)如圖 所示: 圖 周期性 PWM 脈沖 由式 可知,要改變等效直流的電壓大小,可以通過改變脈沖幅度 U或占空比 ? 來實(shí)現(xiàn),在一般情況下脈沖幅度 U 是一定的, ? 的變化范圍為 0≤? ≤1。這就是 PWM 調(diào)速原理??焖傩院?。 ( 3)電源的功率因數(shù)高: SCR 系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響,使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾,降低了電源功率因數(shù)。 ( 4)動態(tài)硬度好:校正瞬態(tài)
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