（精密仪器及机械专业论文）无刷直流电机的DSP调速控制的设计与模糊控制的仿真.pdf

摘要 摘要 一个多世纪以来，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍 及国民经济的各个领域和人们的日常生活。电动机的控制策略也发生了深刻的变 化，传统的模拟控制方法已逐渐被以微控制器为核心的数字控制方法所取代。采 用微处理器，通用计算机，f p g a c p l d ，d s p 控制器等现代手段构成的数字控制系 统得到了迅速发展。在电动机的数字控制系统中，一般采用的是p i d 控制，但由 于p i d 控制有其一定的局限性，在有些场合中难以获得满意的控制效果。因此， 在一些实际工业控制过程中，常常将先进的控制策略与常规的p i d 控制结合起来， 如自适应模糊p i d 控制、神经元p i d 控制等。 本文采用了p c 机、g m c 2 4 0 7 运动控制专业平台来构成一个基于d s p 的无刷直 流电动机控制的试验平台。首先，在所搭建的试验平台上，用软件设计了无刷直流 电动机的全数字双闭环调速控制，验证了d s p 控制器的高性能、高精度等优点。 其次，针对实际系统存在的各种误差，提出将先进的模糊控制策略和传统的p i d 控制相结合的方法，分析了在本试验系统上采用先进的控制策略后，系统的动态 性能和稳态精度都得到进一步的提高。论文在控制策略和控制算法的理论研究基 础上，用m a t l a b s i m u l i n k 软件进行了仿真和验证，得出了一些有用结论。 关键词：无刷直流电动机，d s p ，调速控制，模糊p i d 控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o no fm o t o rh a ss p r e a da l lk i n d so ff i e l d so fn a t i o n a le c o n o m ya n d p e o p l e sd a i l yl i f e a st h em a i nm e c h a n i c e l e c t r o n i c e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c ef o ra c e n t u r yo rm o r e t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fm o t o rh a sa l s ot a k e ng r e a tc h a n g e t r a d i t o n a l a n a l o gc o n t r o lh a v eb e e nr e p l a c e db yd i g i t a lc o n t r o ls t e pb ys t e p t h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e mm a d eo fm o d e mw a y s ，s u c ha s m i c r o p r o c e s s o r , c o m p u t e r , f p g a c p l d ，d s p c o n t r o l l e r , h a sd e v e l o p e dr a p i d l y p i dc o n t r o li so f t e na d o p t e di nt h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e mo fm o t o r b u tp i dc o n t r o lh a ss o m es c a r c i t y , g o o dc o n t r o le f f e c t sh a v eb e e n o b t a i n e d d i f f i c u l t l y i ns o m ei n s t a n c e s s ot h ew a yo fa d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g y c o m b i n e dw i t ht r i d i t i o n a lp i dc o n t r o li s a d o p t e dg e n e r a l l y , s u c ha sp i df u z z y c o n t r o l ，p i dn e r v ec o n t r o la n ds oo n i nt h i sp a p e r , ab r u s h l e s sm o t o rc o n t r o lp l a t f o r mw h i c hi sb a s e do nd s pa n dm a d e 0 fp ca n dg m c 2 4 0 7i sa d o p t e d f i r s t ，s p e e dc o n t r o lo fm o t o rb a s e do nd s p i sd e s i g n e d w i t ht h i sp l a t f o r m ，w h i c ha p p r o v e sg o o dp e r f o r m a n c ea n dg o o d p r e c i s i o no fd s p c o n t r o l l e r s e c o n d ，a i m i n ga ta l lk i n d so fe r r o r si na c t u a ls y s t e m s ，t h ew a yo fa d v a c e d f u z z yc o n t r o lc o m b i n e dw i t ht r i d i t i o n a lp i dc o n t r o li sp u tf o r w a r d p e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t yo fp i df u z z yc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e da f t e rt h ea d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g y i sa d o p t e d p i df u z z yc o n t r o li se m u l a t e dw i t hm a t l a b s i m u l i n ko nb a s eo fc o n t r o l s t r a t e g yt h e o r g y t h ev i r t u e so fp i df u z z yc o n t r o la r ep r o v e d k e yw o r d ：b r u s h l e s sm o t o r , d s p , s p e e dc o n t r o l ，f u z z yp i dc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 扬坐煎日期：砌多年二月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：扬迎生导师签名：翌至童： 日期：伽旃舌月日 第一章引言 1 1 电动机控制的概述 电动机控制的概念 第一章引言 一个多世纪以来，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍 及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国 防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消 费电子产品( 如电冰箱，空调，d v d 等) 中，都大量使用着各种各样的电动机。据 资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的 电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。 电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比 较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控 制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制， 是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 1 1 2 电动机控制策略的发展 随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来 越高，其应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准， 惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中 心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺 织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中 的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印 机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机， 冰箱，电扇等的控制。 随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电 动机的控制策略也发生了深刻的变化。传统的模拟控制方法已逐渐被已微控制器 为核，1 3 的数字控制方法所取代。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力 电力技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技 电子科技大学硕士学位论文 术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控 制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐 渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，f p g a c p l d ，d s p 控制器等现代 手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件 经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件m o s f e t 和 i g b t 逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电 动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制方法( p w m 和s v p l j | m ) ，变频技术在 直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术 的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声 波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所 以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以，应用先进控制算法，开发 全数字化的智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。 在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合( 如数控机床，工业缝纫机， 磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位) ，以m c s 5 1 为 代表的单片机己难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系 统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，系统芯片化的方向不断前进。 为了满足电动机控制系统的发展需要，2 0 世纪9 0 年代末，美国德州仪器( t i ) 公司推出了t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列数字信号处理器( d s p ) ，该系列d s p 芯片专为实现高 精度，高性能，功能多样化的单片电动机控制系统或运动控制系统而设计，所以 又称为t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 控制器。它将t i 公司的高性能1 6 位d s p 核c 2 x l p 和 丰富的功能外设电路集成在单个芯片上，为设计小体积，低功耗，高可靠性，高 性能的电动机控制系统提供了方便，同时也使系统的整体成本大大降低。自问世 以来，该系列d s p 芯片已在家用电器，智能仪表，机电一体化系统，顺序控制， 计算机外围设备等方面得到了广泛的应用，充分显示了其强大的生命力和广阔的 发展前景。小2 1 1 2t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 控制器概述 t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列数字信号处理器是t i 公司推出的一种面向数字马达控制、嵌 入式控制系统和数字控制系统开发的新型可编程d s p 芯片，般也称为d s p 控制 器。它将一个高性能1 6 位d s p 核c 2 x l p 和丰富的功能外设电路集成在单个芯片上， 提供了较高的集成度和较强的运算能力；同时，使目标系统的成本得到极大降低。 2 第一章引言 与传统的由8 位或1 6 位微控制器构成的系统相比，这种强大的处理能力和专用外 设电路的组合使所实现的目标控制系统效率更高、运行起来更安静、能量消耗更 低、可靠性更高。同时，由于减少了所需外部元器件( 如a d 转换器、串行通信 接口、串行外设接口等) 的个数，从而进一步减少了目标系统的成本和体积。 t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 控制器面向控制应用场合进行了优化。与具有相同外设 集成度的微控制器相比，它具有更高的处理能力和更快的速度。x 2 4 x 系列d s p 控 制器的运算速度为2 0 4 0m i p s ，同时片上集成了p w m 产生电路、多通道a d 转换 电路、c a n 控制器模块、串行通信接口电路、定时器、锁相环时钟产生电路等功能 外设和大容量的片上存储资源。 由于x 2 4 x 系列d s p 控制器具有很高的可用计算带宽，因此可以很容易地处理 一些复杂控制算法，而这些算法对于实现那些复杂的电动机功能( 如高精度定位 等) 来说是非常必要的。采用这些控制算法，不但可以使系统得到良好的动态性 能，还可以消除一些昂贵的系统组件，如采用无位置传感器算法，可去掉电动机 中的位置传感器( 如霍尔器件等) 。 另外，这种高处理能力和优化的芯片结构使得x 2 4 x 系列d s p 控制器可用于实 现多种电动机( 如交流感应电动机、直流无刷电动机、直流伺服电动机、步进电 动机等) 的精确控制，而不必像传统的微处理器那样使用查表法来得到一个近似 值。其字长一般为1 6 位，算术运算单元和累加器位3 2 位，内部的3 个硬件移位 器可独立地对数据进行定标，从而可进一步降低运算过程中的量化误差和截尾误 差，提高系统的处理精度。口1 从t i 公司推出第一片d s p 控制器t m s 3 2 0 c 2 4 0 以来，到目前为止，整个x 2 4 x 系列d s p 控制器已发展成为一个拥有2 0 多个产品型号的大家族。根据应用领域的 不同，x 2 4 x 系列d s p 控制器可分为3 类： ( 1 ) 面向消费应用，包括c 2 4 0 、c 2 4 2 、l f 2 4 0 2 、l c 2 4 0 2 、等型号。 ( 2 ) 面向工业系统和多功能应用，包括x 2 4 0 、f 2 4 1 、l f 2 4 0 6 、等型号。 ( 3 ) 面向高性能、高精度应用，包括x 2 4 0 、f 2 4 3 、l f 2 4 0 7 等型号。 另外，根据片内存储器的类型，x 2 4 x 系列d s p 控制器又可分为： ( 1 ) 片内具有f l a s he e p r o m 的产品，如f 2 4 0 、l f 2 4 0 7 等型号。 ( 2 ) 片内具有掩膜r o m 的产品，如c 2 4 0 、l c 2 4 0 2 等型号。 根据是否采用了可降低功耗的制造工艺，可分为： ( 1 ) 低功耗产品，如l c 2 4 0 2 、l f 2 4 0 6 等型号。 ( 2 ) 普通产品，如c 2 4 0 、f 2 4 0 、c 2 4 2 等型号。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 3 本课题的任务 本课题来源于实验室项目，它的主要目的和任务是搭建一个基于d s p 的电动 机控制的软硬件试验平台，并设计一个无刷直流电动机的全数字双闭环的调速控 制。并在此基础上，对运动控制的控制算法做了理论和实践上的研究，最终达到 提高电动机控制系统的动态性能和稳态精度的目的。 本论文采用了p c 机、g m c 2 4 0 7 运动控制专业平台来构成一个基于d s p 的无刷 直流电动机控制的试验平台。g m c 2 4 0 7 系统是一个基于t i 公司高性能的 t m c 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片开发板的d s p 控制系统。该系统包括g m c 2 4 0 7d s p 运动控制开 发实验板、功率模块、无刷电机( 带霍尔传感器和5 0 0 线编码器) 、处理器评估软 件p r o c e v 2 4 0 7 、d m c - p r o 数字运动控制开发平台专业版等。 首先，在所搭建的试验平台上，用软件设计了无刷直流电动机的全数字双闭 环调速控制，验证了d s p 控制器的高性能、高精度等优点。其次，针对实际系统 存在的各种误差，提出将先进的模糊控制策略和传统的p i d 控制相结合的方法， 详细分析了在本试验系统上采用先进的控制策略后，系统的动态性能和稳态都得 到进一步的提高。论文在控制策略和控制算法的理论研究基础上，用m a t l a b 软件 进行了仿真和验证，得出了一些有用结论。 4 第二章无刷直流电动机的基本工作原理 第二章无刷直流电动机的基本工作原理 2 1 无刷直流电动机的基本结构和组成环节 无刷直流电动机的结构原理如图2 1 所示。它主要由电动机本体、位置传感 器和电子开关电路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似。但 没有笼型绕组和其他启动装置。其定子绕组一般成多相( 三相、四相、五相不等) ， 转子由永久磁钢按一定极对数( 2 ，4 ，) 组成。图2 1 中的电动机本体为三相 两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接。在图2 - i 中a 相、b 相、c 相绕组分别与功率v 、v 。、v 。开关管相接。位置传感器的跟踪转 子与电动机转轴相联接。玛) 鲫 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相 互作用而产生转矩，驱动转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从 而使定子各相绕组以一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次 序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换 向器的换向作用。 电动机 电子 开关 线路 图2 - i 无刷直流电动机系统的结构原理图 因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开 关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框 图如图2 - 2 所示。 电子科技大学硕士学位论文 图2 2 无刷直流电动机的原理框图 电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似。 都是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于无刷直流电动机中永久 磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的磁钢装在定子上。 无刷直流电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各绕组通电的顺序和 时间。主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率 逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给 无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导 通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号 一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后力能控 制逻辑开关单元。综上所述，组成无刷直流电动机主要部件的框图如图2 3 所示。 图2 3 无刷直流电动机的组成框图 2 。2 无刷直流电动机的主要特点 无刷直流电动机主要有以下几个特点： 1 高效率：无刷直流电动机转子上既无铜耗也无铁耗，其效率比同容量异步 6 第二章无刷直流电动机的基本工作原理 电动机高。 2 功率因子高：无刷直流电动机无需从电网吸取激磁电流，功率因子接近1 。 3 启动转矩大，启动电流小：无刷直流电动机的机械特性和调节特性与他激 直流电动机枢控时相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动电流小，调节范围 宽，但没有因电刷换向器引起的缺点，电子换向取代了机械换向。 4 电动机输出功率高：该电动机的体积和最高工作转速相同时，比异步电动 机输出功率高。 5 调速精度高，调速范围广，过载能力强；制动特性良好；气隙磁通密度高， 动态性能好。 6 转子转动惯量小，响应速度快；相同功率电机可以显著减小电机的体积和 重量。 7 结构简单、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单。 8 无刷直流电动机适合长期低速运转、频繁启动的场合。n 2 3 无刷直流电动机的基本工作原理 普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流 电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个 磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体， 这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即使这样改变还不够，因为定子上 的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电 动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子 磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持9 0 度左 右的空间角，产生转矩推动转子旋转。 为了更加清楚地说明无刷直流电动机地工作原理和特点，下面以三相星型绕 组半控桥电路为例来分析。图2 4 为三相无刷直流电动机半控桥电路原理图。此 处采用光电器件v p 。、v p ：、v p 。作为位置传感器，以三只功率晶体管v 。、v 。、v 。构成 功率逻辑单元。在图2 - 4 中，三只光电器件v p 。、v p ：、v p 。的安装位置各相差1 2 0 度，均匀分布在电动机一端。由于安装在电动机轴上的旋转遮光板( 亦称截光器) 的作用，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器 件是否被照射到光线来判断转子磁极位置。图2 - 4 所示的转子位置和图2 - 5 a ) 所 7 电子科技大学硕士学位论文 示的位置相对应。6 瑚1 垮蒋 c )d ) 图2 4 三相无刷直流电动机半控桥电路原理图 图2 - 5 开关顺序及定子磁场旋转示意图 由于此时光电器件v p 。被光照射，从而使功率晶体管v 呈导通状态，电流流入 绕组a a ，该绕组电流同转子磁极作用后产生的转矩使转子的磁极按图2 - - 5 中的 箭头方向( 顺时针方向) 转动。当转子磁极转到图2 - 5 b ) 所示的位置时，直接装 在转子轴上的旋转遮光板也跟着同步转动。并遮住v p 。而使v p ：受光照射，从而使 晶体管v ，截止、晶体管v ：导通，电流从绕组a - a 断开而流入绕组b - b7 ，使得转 子磁极继续朝箭头方向转动，并带动遮光板同时朝顺时针方向旋转。当转子磁极 转到图2 5 c ) 所示位置时，此时旋转遮光板已经遮住v p ：，使v p 。被光照射，导致 晶体管v 。截止、晶体管v 。导通，因而电流流入绕组c - c7 ，于是驱动转子磁极继 续朝顺时针方向旋转，使转子磁极转到图2 - 5 d ) 所示位置，即重新回到了图2 - 5 a ) 所示位置。 ： 这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器v p 。、v p ：、 v p 。的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流地换相。不难看出， 在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种 旋转磁场在3 6 0 度电角度范围内由三种磁状态，每种磁状态持续1 2 0 度电角度。 各相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图2 5 所示。图2 - 5 a ) 为第一状态， f a 为绕组a a 通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用， 使转子沿顺时针方向旋转；转过1 2 0 度电角度后，便进入第二状态，这时绕组a a 断电，而绕组b b 随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了1 2 0 度，如图 2 - 5 b ) 所示，电动机转子继续沿顺时针方向旋转：转子转过1 2 0 度后，便进入第 三状态，这时绕组b b 断电，绕组c - c7 通电，定子绕组所产生的磁场也同时转 8 第二章无刷直流电动机的基本工作原理 过了1 2 0 度电角度，如图2 - 5 c ) 所示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过1 2 0 度 后就恢复到初始状态了。这样周而复始，电动机转子便连续不断地旋转。图2 6 是各相绕组导通顺序的示意图。 a a b b c c 图2 - 6 各相绕组的导通示意图 三相半控电路的特点是简单。但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电 1 3 时间，另外2 3 时间处于断开状态，没有得到充分的利用。因此，在运行过程 中其转矩的波动较大，所以在要求比较高的场合，一般均采用三相全控电路。众 所周知，三相绕组的联结方式有和y 之分。下面我们分析一下如图2 - 7 的y 型 联结两两导通方式的工作情况。 图2 - 7y 联结三相全控桥式电路 9 电子科技大学硕士学位论文 所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1 6 周期( 6 0 0 电 角度) 换相一次，每一次换相一个功率管，每一个功率管导通1 2 0 0 电角度。 各功率管的导通顺序是v f 。v f ：、v f ：v f 。、v f 。v f 4 、v f 。v f 。、v f 。v f 6 。当功率管 v f 。和v f ：导通时，电流从v f 。管流入a 相绕组，再从c 相绕组流出，经v f ：管回到 电源。其转子位置如图2 8 所示。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正， 那么从绕组流出所产生的转矩为负，它们合成的转矩如图2 - 9 a ) 所示，其大小为 3 t ，方向在t 。和一t 。的角平分线上。当电动机转过6 0 0 后，e hv f v f ：通电换成v f ：v f 。 通电。这时，电流从v f 。流入b 相绕组，再从c 相绕组流出，经v f ：回到电源，此 时合成的转矩如图2 9 b ) 所示，其大小同样为3 t ，但合成转矩矢量方向就随着 转过6 0 0 电角度，但大小始终保持4 3 t 不变。图 示出了全部合成转矩的方 2 - 9 c ) 向。 寝彰磅二玲枣碜二 a 、b 相通电a 、c 相通电b 、c 相通电b ，a 相通电c 、a 相通电c 、b 十通电 图2 8y 联结两两通电模式转子位置示意图 a )b )c ) v f l 和v f 2 合成转矩v f 2 和v f 3 合成转矩两两通电时合成转矩 图2 - 9y 联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图 1 0 第三章基于d s p2 4 0 7 a 的硬件试验平台的构成 第三章基于d s p2 4 0 7 a 的硬件试验平台的构成 3 1 电动机控制专用芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的介绍 3 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的特点 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 属于t i 公司t m s c 2 0 0 0 系列定点d s p 中的c 2 4 x x 产品系列。它 有如下特点：口钔盯1 由于采用了高性能的静态c m o s 制造技术，因此该d s p 具有低功耗和高速度 的特点。工作电压为3 3 v ，有四种低功耗工作方式。单指令周期最短为2 5 n s ，最 高运算速度可达4 0 m i p s ，四级指令执行流水线。 ， 由于采用了t m s 3 2 0 c 2 x xd s pc p u 的内核，因此保证了与t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列 d s p 的代码兼容性。 片内集成了3 2 k 字的f l a s h 程序存储器、2 k 字的单口r a m 、5 4 4 字的双e 1 r a m 。因而时该芯片可用于产品开发。 提供外扩展6 4 k 字程序存储器、6 4 k 字数据存储器、6 4 k 字i 0 的能力。 两个专用于电动机控制的事件管理器( e v ) ，每一个都包含：2 个1 6 位通用 定时器；8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 输出通道；1 个能够快速封锁输出的外部引脚 p d p i n t x ( 其状态可从c o m c o n x 寄存器获得) ：可防止上下桥臂直通的可编程死区 功能；3 个捕捉单元；1 个增量式光电位置编码器接口。 可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。 - 1 6 通道1 0 位a d 转换器，具有可编程自动排序功能，4 个启动a d 转换的 触发源，最快a d 转换时问为3 7 5 n s 。 控制器局域网( c a n ) 2 0 b 模块。 串行接口s p i 和s c i 模块。 基于锁相环的时钟发生器( p l l ) 。 4 1 个通用i 0 引脚。 3 2 位累加器和3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) ；1 6 位x1 6 位并行乘法器， 可实现单指令周期的乘法运算；5 个外部中断。 1 1 4 9 1 1 9 9 0 i e e e 标准的j t a g 仿真接口。 电子科技大学硕士学位论文 很宽的工作温度范围，普通级：一4 0 8 5 ；特殊级：一4 0 1 2 5 。 3 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的结构 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的结构见图3 1 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 采用了改进的哈佛结构， 该结构支持分离的程序总线和数据总线。 由图3 - 1 ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 可分成三部分：d s p 内核、存储器和外围设备。 d s p 内核使d s p 的核心，它担负着数据运算、信号处理的任务。它包括了累加 器、中央算术逻辑单元c a l u 、状态寄存器s 0 和s 1 、辅助寄存器、乘法器、移位 器、临时寄存器t 和乘积寄存器p 。 存储器包括了3 2 k 的f l a s h 程序存储器、2 k 的单口r a m ( s a r a m ) 和5 4 4 字的 双口r a m ( d a r a m ) 。 外围设备指的是d s p 芯片中集成的除内核以外的功能模块，习惯上称之为外 设。它包括事件管理器、a d c 转换器、s p i 和s c i 串行接口、c a n 接口等。 数据蝴程序r o m f l a s h 事件管理器 5 4 4 字1 6 k 字 1 5 嚣 3 个定时器 6 个比较单元 、 程序( 数据) i 0 总线 1 2 个p w m 输出y l g 1 5 ：0 ) 死区控制逻辑 c 2 x l p 内核 4 个输入捕获 1 6 位t 寄存器 正交编码脉冲 1 6 位桶式 1 6 x 1 6 位乘法器 外 控制 左移移位器 3 2 位p 寄存器 设 一n 4 + 8 位i o1 2 左移移位器 n一 ( o ，1 ，4 ，6 ) 总 3 2 位a i 1 ， 。n，看门狗定时器 线 3 2 位累加器g 刮 s p i 串e l 左移移位器( o 7 ) s f i 审口 8 个辅助寄存器 a d 转换器 8 层硬件堆栈 8 路l o 位a d 、j 叫 重复计数器转换器1 8 路1 0 位a d 2 个状态寄存器 转换器2 图3 - 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的结构 第三章基于d s p2 4 0 7 a 的硬件试验平台的构成 3 1 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的存储器及映射 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 由三个独立的地址空间结构：6 4 k 字的程序地址空间、6 4 k 字的数据地址空间和6 4 k 字的i o 地址空间。 程序存储器 程序存储器包括3 2 k 字的f l a s h 内部r o m ( 地址0 0 0 0 h 7 f f f h ) 和3 2 k 字可 扩展的外部r o m ( 地址8 0 0 0 w - - f f f f h ) 。 程序存储器的0 0 0 0 h - 0 0 3 f h 用来作为复位入口地址和中断地址。d s p 芯片的 一个引脚m p m c 上的电平决定了d s p 是使用外部还是使用内部程序存储器。当 m p m c = o 时，d s p 使用内部程序存储器，复位时从内部程序存储器0 0 0 0 h 处读取 程序；当m p m c = 1 时，d s p 在复位时从外部存储器0 0 0 0 h 处读取程序。 状态寄存器s t i 的c n f 位决定了d a r a m ( b 0 ) 双口r a m 是否用作程序存储器， c n f = o 时( 系统复位时默认值) ，b o 块作为数据存储器使用；c n f = 1 时，b o 块作 为程序存储器使用，将占用f f o o h f f f f h 地址，同时f e o o h - - - f e f f h 作为b 0 的映 射区。 数据存储器 数据存储器是由3 2 k 字的内部数据存储器和3 2 k 字的外部数据存储器组成。 内部数据存储器有5 4 4 字的双口r a m ( b o 、b 1 、b 2 ) 、2 k 字的单口r a m 和专用寄存 器，有相当一部分内部数据存储器空间是非法区。 双口r a m ( d a r a m ) 允许在一个机器周期内对其进行读操作和写操作，也即在 一个机器周期内可以进行两次访问，因此速度较快。 双口r a m 分成b o ( 2 5 6 字) 、b 1 ( 2 5 6 字) 、b 2 ( 3 2 字) 三个块。 其中b o 可以选择作为数据存储器或程序存储器：当状态寄存器的s t l 的c n f = 0 时，b 0 作为数据存储器使用，数据存储器的0 1 0 0 h 0 1 f f h 作为b o 的映射区， 而程序存储器f e o o h f f f f h 的作为外部程序存储器地址；当c n f = 1 时，b 0 作为 程序存储器使用，数据存储器的o i o o h - - - , 0 2 f f h 地址作为保留区。 b l 、b 2 只能用作数据存储器，其中0 4 0 0 h 0 4 f f h 是b l 的映射区。 单口r a m ( s a r a m ) 允许在一个机器周期内对其进行一次读操作或一次写操作， 也即在个机器周期内只能进行一次访问，因此其速度比双口r a m 慢。 单口r a m ( s a r a m ) 既可以作为数据存储器，也可以作为程序存储器，由系统 控制和状态寄存器s c s r 2 的d o n 和p o n 位来决定。 为了提高数据存储器的访问速度，6 4 k 字数据存储器分成5 1 2 个页，每页1 2 8 电子科技大学硕士学位论文 个单元。对数据存储器访问必须先将页号赋给9 位d p 数据页指针( 在状态寄存器 s t o 中) 。d p 指定了当前数据页，在当前数据页中通过7 位偏移地址进行寻址。 对外部数据存储器操作时，引脚d s 和s t r b 发出低电平信号。 i o 空间 i 0 地址中的0 0 0 0 h , - - 一f e f f h 作为外部i 0 地址。另有f l a s h 控制方式寄存器 和等待状态控制寄存器占用了f f o f h - - - f f f f h 的地址。 使用i n 和o u t 指令对i o 操作。只有对外部i o 进行操作时，引脚i s 和s t r b 才发出低电平信号。 3 1 4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的中断结构 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 同时支持软件和硬件中断，软件中断由特定指令进行初始化， 而硬件中断一般由物理器件发出的信号请求。可产生硬件中断请求的物理器件有 两种类型： 连接至外部中断引脚上的外部物理器件。这些物理器件所触发的硬件中断 的极性和优先级都是可编程的，受外部中断控制寄存器控制，一般称这些中断为 外部硬件中断。 挂接在外设总线上的片内外设，一般称片内外设引起的中断为内部硬件中 断。 另外，还有一种由复位引起的中断。复位是中断系统中最高优先级的中断请 求。 3 1 5t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的片内外设 1 事件管理器 事件管理器是一个专门用于电动机控制的外设模块，主要包括定时器、单比 较单元、全比较单元、正交脉冲编码电路、p w m 脉冲产生电路等单元。使用这些单 元电路，事件管理器模块可产生用于驱动绝大多数电动机的p 删脉冲信号，较好 地满足了工业现场中的各类电动机驱动系统和运动控制系统地需要。 2 模拟数字转换器 模拟数字转换器模块( a d c ) 是一个带有内部采样保持电路的1 0 位串行电容 转换器。它包括两个独立的带有内部采样和保持电路的模拟数字转换单元，每个 1 4 第三章基于d s p2 4 0 7 a 的硬件试验平台的构成 模拟数字转换单元提供8 个模拟输入通道，通过一个8 选1 多路转换器与内部连 接。每个模拟数字转换单元的最大转换时间大约为6 6 p s 。模拟数字转换模块正常 工作所需要的基准电压由外部电源提供，小于或等于5 v 的直流基准电压可通过基 准电压输入引脚v r e f h i 和v r e f l o 得到。 3 串行通信接口模块 串行通信接口模块( s c i ) 用来实现t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 与其他异步外设之间的串 行通信。主要包括以下单元： 1 ) 发送器及其主要的控制寄存器。 2 ) 接收器及其主要的控制寄存器。 3 ) 可编程的波特率发生器。 4 ) 映射到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片内的局部数据存储空间的状态寄存器。 4 串行外设接口模块 串行外设接口( s p i ) 模块是一个高速同步串行输入输出端口，它允许 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和片外外设或其他控制器进行串行通信，典型的应用包括与外部移 位寄存器、数字模拟转换器、l e d 显示驱动器等器件的通信。在通信过程中，s p i 能够以任意给定的位传输速率对具有可编程长度( 1 8 位) 的串行比特流进行收 发。 5 看门狗实时中断模块 看门狗实时中断模块( w d r t i ) 用来监控系统软件和硬件的操作，它可以按 照用户设定的时间间隔产生中断。如果软件的执行进入一个不正确的循环或者c p u 的运行出现异常时，看门狗计数器就产生数据溢出，从而实现系统复位，使系统 进入预定义状态。这个模块保证了系统运行的可靠性和完整性。 看门狗实时中断模块主要由看门狗( w d ) 定时器逻辑和实时中断( r t i ) 定 时器逻辑两部分组成。 6 数字i 0 端口 数字i o 端口模块为控制专用i o 引脚和一些复用引脚的功能提供了一种灵 活的方式。用户可通过该模块内的8 个1 6 位控制寄存器对片上所有i o 引脚和复 用引脚的功能进行控制。数字i 0 端e l 模块最多可实现对3 2 个输出内部控制功 能、3 2 个输入内部状态功能及3 2 个双向i o 引脚功能的监控。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 3 2g m c 2 4 0 7d s p 运动控制专业平台简介 g m c 2 4 0 7 系统是一个基于t i 公司高性能的t m c 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片开发板的d s p 控 制系统。该系统包括g m c 2 4 0 7d s p 运动控制开发板、功率模块、无刷电机( 带霍 尔传感器) 、处理器评估软件p r o c e v 2 4 0 7 、d m c - p r o 数字运动控制开发平台专业版 等。在这里主要介绍它的开发板和集成调试环境d m c p r o 。嘲硎 3 2 1g m c 2 4 0 7d s p 运动控制开发板 g m c 2 4 0 7d s p 运动控制开发板开发功能强大，特别适合于电力系统中对电机 的控制及对电力装置的检测，用户可根据的实际要求开发相应的产品装置，软件 可以采用c 语言源代码和汇编语言源代码调试，可以观察c p u 等的状态。它的配 置如下： t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片一片； c a n 与c a n 卡相连的接口电路； 异步串口与p c 及相连的接口电路； 6 4 k 1 6 位s r a m ； 2 m 采样转换频率的6 路交流信号采样，1 0 路直流信号采样； 6 路p w m 输出，3 路c a p 输入； s p i 接口的数模转换d a 输出模块。 g m c 2 4 0 7d s p 运动控制开发板的特性有： 存储器和寄存器的显示和修改； 汇编器连接器； 软件单步运行和断点功能； 片上存储器； 主机装入和卸载功能； i o 功能； 高级语言调试接口。 g m c 2 4 0 7d s p 运动控制开发板是电动机控制系统的核心，主要作用是根据上 位机传送的指令和采集来的传感信号进行控制运算，如控制系统中的p i d 控制算 法，输出控制量，同时向上位机反馈状态信息。 g m c 2 4 0 7d s p 运动控制开发板通过板上的j 8 接口与p c 机直接相连。与一般 的e v m 板不同的是，e v m 板需要通过接仿真器再与p c 连接，才能进行调试和仿真， 1 6 第三章基于d s p2 4 0 7 a 的硬件试验平台的构成 但这套开发板可以通过j 8 接口与p c 机直接相连后就可以进行调试和仿真。通过 这个接口，不但能控制和观察系统中处理器的运行，还可以把程序下载到芯片上。 同时还有一个分析模块支持断点的设置和程序存储器、数据存储器、d m a 的访问， 程序的单步运行和跟踪，以及程序的分支和外部中断的计数等。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片内含有1 0 位单极性