（电机与电器专业论文）全数字随动控制器的软硬件设计.pdf

塑望查堂堡主堂垡笙奎型型竺l a b s t r a c t d i g i t a l f o l l o w i n g u p c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d f o r i m p r o v i n g t h e d e r f o r m a n c eo fm o d e r nw e a p o n s ， a c c o r d i n gt ot h ec l a i mo fm o d e r n i z a t i o n o ft h en a t i o n a ld e f e n s e s a n a l o gf o l l o w i n g u ps y s t e mi n u s e1 i m i t st h e f u r t h e ri m p r o v e m e n to fw e a p o np r e c i s i o n ，s o i t i sq u i t em e a n i n g f u lt o c o n v e r tt h o s ea n a l o gs y s t e m st od i g i t a ls y s t e m s c o n t r o l l e ri st h ec e n t e ru n i to ft h i sf o l l o w i n g u ps y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo f c o n t r o l l e ri st h em a j o rf a c t o ra f f e c t i n gs y s t e mf u n c t i o n a sar e s u l t ，h o wt od e s i g n a b e t t e rc o n t r o l l e ri si m p o r t a n t m ys t u d yf o c u s e so nt h ed e s i g no fd i g i t a lf o l l o w i n g u p c o n t r o l l e r t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h ed e s i g no fc o n t r o l l e r i ti n c l u d e st h e d e s i g no fc i r c u i ta n dp r o g r a m m i n g t h em a i nc o n t e n t i sf o l l o w i n g ： l 、a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f t h ed o u b l e p i p es e l s y ns y s t e m ，a c o n v e r s i o nm o d u l ei sd e s i g n e d i th a sas t a n d a r dc o n v e r s i o n i n t e r f a c e ( g u l t i b u s i i ) w h i c hm a k e s i tp r o v i d ead i g i t a lp o s i t i o na n g l eo fh i g h p r e c i s i o nt oc o r ec o n t r o l m o d u l ei nt i m e 2 、d e s i g n i n gac o r ec o n t r o lm o d u l eb a s e do nd s p i tn o to n l yp r o v i d e s t h es t a n d a r di n t e r f a c e ，w h i c hc o n n e c t st oc o n v e r s i o nm o d u l e ，i ta l s oc a n p r o t e o t sc o n t r o ls y s t e ma n ds h o wm a n yp a r a m e t e r so fs y s t e n l 3 、d e v e l o p i n go p t i m u mc o n t r o ls t r a t a g e mb yc o m p a r i n gm a n yc o n t r o l s t r a t a g e m sb a s e do nt h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co ft h ef o l l o w i n g u ps y s t e m s y s t e m r e a l i z e st h e s e l f a d a p t i v e c o n t r o ld u e t o a d o p t i n g f o r w a r d f e e d b a c ka n df e e db a c km u l t i p l ec o n t r o ls t r a t a g e m s 4 、p r o g r a m m i n gb a s e d o ns i m u l a t o r ( s e e d - x d s p p ) a n dc o d ec o m p i l e r ( c c 4 1 0v e r s i o n ) a n df i n i s h i n gt h ec o n t r o la l g o r i t h m 5 、d i g i t a lc o n t r o l l e rc a nc o n t r o lo b j e c t s i no p e n l o o pc o r r e c t l y i i 第一章绪论 1 1 问题的来源 随着现代科技的发展及国防现代化建设的要求，军队的武器装备正朝着高、 精、尖的方向发展。即在保证可靠性的前提下，要求武器的控制精度越来越高， 响应速度越来越快，环境适应性越来越强，控制部分的体积越来越小，操纵也越 来越方便。因此，对于一支现代化的国防军队，如何使其武器装备全面信息化已 成为当务之急。 一方面，自动控制理论的高速发展，为数字控制系统的研制与完善提供了许 多新的控制规律。另一方面，计算机技术的飞速发展，尤其是微控制芯片技术的 日益成熟，为控制系统的数字化提供了实现的可能。此外，各种大功率电力电子 器件在工业控制领域的长期成熟使用也为其在武器控制领域的应用提供了宅贵 的实践经验。 在武器控制领域中，随动控制系统的应用极为广泛。这使得对原有模拟随动 控制系统的数字化改造尤为重要。这因为，若不对模拟随动控制系统进行数字化 改进，则对已经数字化了的指挥系统而言，很难进一步提高整个系统的各项作战 性能。另一方面，控制系统的数字化有利于系统中各作战部门之间高精度信息的 传递。再者，数字化了的随动控制系统中，大部分硬件功能的软件化方便了各种 新控制策略的实现，这不仅提高了随动控制系统的灵活性与适应性，且大大降低 了系统电子线路的复杂程度，进一步提高了系统的可靠性。 由此可见，随动控制系统的数字化是武器装备现代化的要求，是现代国防科 技发展的必然趋势。 数字随动控制系统中的控制器是整个系统的核心，它的性能好坏直接影响着 随动控制系统的整体性能。因此，如何设计出一个性能优越的数字随动控制器至 关重要，本课题研究正是在这样的背景下展开的。 浙江大学硕士学位论文 第一常 1 2 随动系统数字化的意义 计算机的不断发展，极大地推动了电气传动控制系统的全面发展。且随着自 动化程度的不断提高，不仅要求随动控制系统具有精度高、响应快等特性，还要 求能与上级指挥系统( 通常是计算机系统) 进行信息的交换，以实现上级指挥系 统对随动控制系统进行管理和控制。这些功能用模拟电路较难实现，且不经济， 因而应用微控制芯片进行控制的随动系统便应运而生。嵌入了微控制芯片的随动 控制系统具有结构简单、体积小、重量轻、生产周期短等优点，而且还可以方便 设计监控程序，使之具有故障自诊断和故障处理功能，大大提高了整个系统的可 靠性。同时，由于微控制芯片可以方便、精确地构成任意形式的函数发生器，能 够准确地模拟自动控制系统中所要求的各个非线性的环节，这就进一步提高了控 制系统的品质。此外，在硬件结构确定的情况下，充分利用软件可灵活修改的特 性，便于实现不同的控制方案，以实现外围硬件的标准化。可见，随动控制系统 数字化以后与原有的模拟随动控制系统相比，有如下优点： ( 1 ) 数字随动控制系统的控制方案是通过软件实现的，因而具有很大的灵活 性。这不仅表现在可用数字触发和数字p i d 调节器取代常规触发器和调节器， 而且可方便引入各种先进的控制规律，如非线性控制、前馈控制等。 ( 2 ) 数字控制器的形式和动态参数改变灵活。在系统硬件结构不变的条件 下，只需适当修改程序，即可适应各种不同控制对象和控制规律的要求。因此设 备的通用性强、易于实现硬件设备的标准化。 ( 3 ) 可用软件程序实现系统的监控保护、故障自诊断、故障自修复等多种功 能。这大大降低了系统的故障率，提高了系统的可靠性。 ( 4 ) 便于对系统的外部或内部信息实现数字滤波，以增强系统的整体抗干扰 能力。 ( 5 ) 数字化了的随动控制系统体积小，重量轻，结构与布线简单，功耗也大 大降低。 ( 6 ) 模块化的设计使得系统功能结构清晰，硬件结构简化，易于系统的检修 和维护。 综上可见，计算机技术在随动控制系统中的应用，为实现系统的高可靠性、 高精度、智能化、多功能开辟了条新路。数字化了的随动控制系统在实现原有 浙江大学硕士学位论文 第一章 模拟随动控制系统各项功能的基础上，在许多方面对之进行了改进和提高，这必 将使整个随动控制系统的各项技术指标有很大的提高。相信在不久的将来，数字 随动控制系统必将在我军的武器装备中得到广泛的应用，使我军向武器装备的现 代化迈进重要的一步。 浙江大学硕士学位论文 第二章 第二章全数字随动控制器的设计思想 数字随动控制器是整个数字随动系统的核心部分，它的性能好坏直接影响 着系统的整体性能。可见，数字随动系统设计的主要任务是根据系统的性能指标， 设计出合适的数字随动控制器。本章将在说明数字随动系统的工作原理基础上， 着重阐述数字随动控制器的设计思路。 2 1 数字随动系统的概述及原理 想设计出一个性能优越的数字随动控制器，了解数字随动系统的工作原理是 十分必要的。 2 1 1 数字随动系统概述 位置随动系统应用十分广泛，它的根本任务是实现执行机构对位置变化( 给 定量) 的准确跟踪，被控制量( 输出量) 一般是负载的空间位移，当给定量随机 变化时，系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量，位置随动系统简称随 动系统。近年来，随着微机及其相关控制技术的迅速发展，随动系统的数字化技 术水平已经有了显著的提高。在这里，数字随动系统是指以计算机( 包括微控制 芯片在内) 作为核心控制器的随动系统。在国外，数字随动系统在很多应用中已 完全代替了模拟随动系统。在我国，数字随动系统的研制工作也已开始步入应用 阶段，但应用范围有待扩展。数字随动系统在很多应用场合代替模拟随动系统， 这是科技发展的必然趋势。其原因如下： 自动控制理论和计算机技术是数字随动系统技术的两个最主要的依托。自动 控制理论的高速发展，为数字随动系统的研制与完善提供了不少新的控制规律以 及相应的分析和综合方法。计算机技术的飞速发展，为其提供了实现这些控制规 律的现实可能性。以计算机或微控制芯片作为核心控制器、基于现代控制理论的 数字随动系统，其品质指标无论是稳态精度还是动态响应都达到了前所未有的水 平。 计算机之所以能实现这些控制规律，是由于它具有精度高、运算速度快、存 储器容量大、输入输出功能强以及具有很强的逻辑判断功能等优点。 近年来，随着微控制芯片技术的日益成熟，且由于其工作可靠、体积小，重 量轻、价格低廉，使得控制计算机( 作为数字随动系统核心控制器的计算机) 这 一角色常由以微控制芯片为核心加上相应的外围电路而组成的基本系统来扮演。 2 1 2 数字随动系统的工作原理 在数字随动系统中，作为数字随动控制器的输入信号与输出信号均为数字信 号，功率放大元件、执行元件等的输入信号与输出信号均为模拟信号。因此，数 字随动系统是一个数字一模拟混和的控制系统。 图2 一i 为一简单的数字随动系统原理图( 注：此图并非最终的系统原理图， 再此仅以之作为例子进行说明) 。其中，目，为来自上级汁算机的数字给定量( 若 为模拟量应先离散化处理) ；检测装置可以看成一只量角器，它测量被控装置( 负 载) 的轴位置，测量的结果只为数字随动系统的主反馈信号。 l 一一l i控制计算机及其接e l! 图2 1简单数字随动系统的原理图 数字随动系统是这样工作的：每个采样周期一开始，控制计算机通过其一个 输入接口读入来自上级计算机的数字给定量口，通过其另一个输入接口读入来自 检测装置的主反馈信号见；控制计算机根据本采样周期采到的b ( ”) 和只，( ”) 、上 一个采样周期采到的谚0 1 ) 和配铆一1 ) 、上上个采样周期采到的只0 2 ) 和 吼伽一2 ) 、，把它们作为计算本次采样周期的控制变量c ( ) 的原始数据， 去执行体现数字随动系统所选定的控制规律，在该系统控制器中已固化了的控制 算法程序，求出c ( n ) ，最后，将c ( n ) 送至d a 转换线路，这相当于合一下采 浙江大学硕士学位论文 第二章 样开关i i 。从控制计算机来看，这个d a 转换线路为其一个输出接口：从信号 的转换来看，它包含一个d a 转换器和一个零阶保持器。它的输出控制信号c 直接加到功放的输入端。到此，控制计算机在本采样周期的任务已全部完成，等 待下一个采样周期的来到。 从采到臼，( n ) 和目。( ”) 数据量至输出控制量c ( n ) ，有- - + 段延时，它取决于控 制器的运算速度以及固化在控制器中体现控制规律的程序算法的好坏。设汁时应 确保此段延时远小于采样周期。 2 2 全数字随动控制器的设计思想 由上一节中的数字随动系统的工作原理部分可以看出，数字随动系统设计的 主要任务是根据系统的性能指标，设计出合适的数字随动控制器。本节将就数字 随动控制器的结构、控制策略及微控制芯片的选择做重点阐述。 2 2 1 全数字随动控制器的总体结构 在本数字随动系统中，角位移检测装置采用自整角机。由于系统要求的精度 较高，故采用粗一精双通道白整角机系统。两个自整角机的三相电压e 。p 。b 。， 分别送入固态转换模块上的两片自整角机一数字转换器( s d c ) 中，并通过一些 硬件上的处理转换即可得出数字角信号，粗通道和精通道的数字角信号分别输入 控制计算机，在控制计算机内进行合成处理，可得到高精度的数字主反馈角信号 矿，。可见，固态转换模块在此充当了a d 转换器的功能，成了控制计算机的一 个输入通道，相当于原理图2 1 中的采样开关i 。 基于模块化的设计思想，将此数字随动控制器按功能划分并相应地设计成三 块板卡的结构。一块是以微控制芯片为核心加上相应的控制、显示和保护电路构 成的中央控制模块；其余两块是功能完全一样的固态转换模块，它是基于被控对 象有两个自由度的考虑，即两路随动控制。三块板卡均设计成标准接口的即插件 形式，通过一块无源母板进行连接，构成本数字随动控制器的硬件电路。 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 2 2 控制策略的选择 由上节可知，数字随动控制器设计的主要内容是选择合适的微控制芯片与控 制策略，并依据控制策略求出相应的控制算法，最后将控制算法程序化，固化到 所选的微控制芯片中。由此不难看出，影响数字随动控制器的因素主要有两个， 一是控制策略的好坏，二是微控制芯片的性能。 首先来看看控制策略的选择。要想提出合适的控制策略，首先必须对系统特 性有比较清楚的了解。由于直流电机良好的调速特性，使得数字随动系统中的执 行机构这角色通常由它来担当。对数字随动系统的一般要求是定位精度高、无 超调、无振荡、响应速度快，也就是系统要求具有良好的静态和动态特性。如最 大超调量、调整时间、振荡次数等为系统的动态指标，稳态误差为系统的静态指 标，这些参数在分析中都是必须考虑的。 理想情况下，只时时等于曰但由于电机轴承和传动机构的摩擦及外界干 扰等因素的影响，都会造成误差，因此在实际上这是做4 ；到的，这样就存在着静 差。静差必须控制在允许的范围内。 在自动控制系统中，按偏差的比例、积分、微分进行的控制称为p i d 控制。 假设系统的偏差为p ( f ) ，则h d 控制的模型为 “( f ) = k p 【e ( f ) + 告如) a t + r a 丝d t 它是一种应用很广泛的控制规律，而且，p z d 控制在很多场合下，都能获得 令人满意的控制效果。 但是，在本数字随动系统中，若仅考虑采用负反馈控制，则只有当系统的被 控量偏离给定值时，数字调节器才会起控制作用，改变对象的输出，从而修正偏 离量。这种靠偏差来消除误差的负反馈控制系统，控制作用总是落后于系统给定 信号的改变，使系统的静差始终存在，系统的控制特性无法得到很大的改善。因 此有必要考虑添加前馈控制环节( 如图2 - - 2 所示) ，以利用前馈控制对系统控制 的及时性、能实现对给定不变性、可直接按照给定信号对输出信号进行控制等特 点。加入前馈控制将会使系统的静态特性得到很大的改善。这对数字随动系统而 言，是改善系统跟随性能的一个有效的方法。 浙江大学硕士学位论文 第二章 图2 2复合控制系统 其中，h ( s ) 为零阶保持器，g 2 ( s ) 为系统的固有传递函数。 由上述分析可见，系统应选择采用前馈一反馈控制的复合控制策略。由此而 设计的数字随动控制器应由两部分组成：p i d 控制器、前馈控制器。其中，p i d 控制器在系统中起主要调节作用，且在一定条件下还应具体选择为积分分离型 p i d 控制器。这是因为在实际系统中，控制变量的实际输出值往往因受到执行机 构性能的约束而被限制在有限的范围内，所以变化率也被局限在一定的范围内。 如果d s p 输出的控制变量在上述范围内，那么控制可以达到预期的效果。旦 超出上述范围，则实际执行的控制量就不再是计算值，而是系统执行机构的饱和 临界值，从而引起不期望的效应。在数字p i d 控制系统中，当系统开、停或大 幅度变动给定值时，系统输出会出现较大的偏差，经过积分项积累后，可能使控 制量u ( k ) “。或“( 女) “。即超过执行机构由机械或物理性能所决定的极限， 控制量并不能真正取它的计算值，而只能取 。x 或“。此时，系统变量输出值 虽在不断上升，但由于控制量受到限制，其增长要比没有限制时慢。误差e 的值 将比正常情况下持续更长的时间保持在正值，而使积分项有较大的累积值。当过 程变量输出值超过给定值后，开始出现负误差，但由于积分项的累积值很大，还 要经过一段时间后，控制变量才脱离饱和区，这样就会使系统出现明显的超调。 因为p i d 运算的“饱和”主要是由积分项的存在所引起的，所以这种饱和称为 “积分饱和”。积分饱和增加了系统调整时间和超调量，称为“饱和效应”，显然 它对控制系统是不利的。为此，有必要采用积分分离手段，即在被控制量开始跟 踪时，取消积分作用，直到被控制量接近当前给定量时，才产生积分作用。这样 可以显著降低控制量的超调量，并缩短调节时间。 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 2 3 微控制芯片的选择 数字随动控制器的中央控制模块是以微控制芯片为核心加上相应的控制、显 示和保护电路构成，可见，微控制芯片的性能对控制器起着决定性的作用。能否 选择出一个合适的微控制芯片取决于数字随动系统对微控制芯片的要求以及微 控制芯片是否达到了这个要求。 2 2 3 1 数字随动控制器对微控制芯片的要求 由前面的分析可以看出，数字随动控制器的核心部分一一微控制芯片应具备 以下基本要求： 存储器容量足够大。r o m 能足以存放控制算法等程序，r a m 能足以存放 计算的中间结果等数据。 运算速度足够快。这有利于减小数字随动系统的采样周期，从而提高其品 质指标。 输入输出功能与逻辑判断功能足够强，这不仅为数字随动系统的程序设计 提供了方便，而且有利于降低系统的采样周期。 能方便产生p w m 波。这是因为被控对象为直流电机，通过控制p w m 便 于实现直流电机的斩波调压调速。 具有通讯功能，以便实现与上级指挥系统( 通常为计算机) 的通讯。 此外，还有微控制芯片的功耗、稳定性、体积、价位要求等等，但这些都是 次要的，可在满足上述五条必需要求的基础上再给予适当的考虑。 2 2 3 2 微控制芯片的比较 在电气传动系统中、广泛地使用着p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制技 术。而本数字随动控制器中恰恰用到了p w m 技术，因此，电机控制类芯片是考 虑的首选。电机控制类芯片是专为电机控制系统而优化的微控制芯片，通常都有 专用的p w m 控制单元，可方便地实现电机的p w m 控制。常用的电机控制类芯 片有i n t e l 公司的8 x c l 9 6 m c m d m h 系列、t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列、模拟 器件( a d ) 公司的a d m c x x x 系列等等。这些电机控制类芯片的共同特征是它们 都有一个功能强大的计算内核与p w m 控制单元，除此之外，还有一些附加片内 塑垩查堂堡主兰堡垒奎 一羔兰显一 外设，如快速高分辨率的a d 变换器、多路输入输出i o 口等，这些片内外设大 大简化了生成p w m 波的控制软件和外部硬件。( 详细性能比较参见作者己发表 于微特电机2 0 0 2 年第六期的电机控制芯片性能比较与选型参考一文。 文章对这些芯片如何实现p w m 控制等交流电机控制系统所必须的性能进行了 较详细的比较。) 其中，i n t e l 公司的8 x c l 9 6 m c m d 是典型的1 6 位电机控制类单片机，它不 仅片内外设丰富，还可通过对波形发生器( w g ) 的特殊功能寄存器 ( w g _ r e l o a d 、w g c o m p x 、w gc o n 、w g _ o u t p u t 和w g _ p r o t e c t ) 进行编程，并利用w g 中断可方便产生各种p w m 信号以驱动各种由电力电子器 件构成的电机驱动设备。因此，它把必需的外接芯片和元件数量降到最低，使得 价格与d s p 器件相比要便宜得多。在一些控制要求彳i 太高的场合，它是理想的 选择。 与单片机相比，d s p 器件集成度高，c p u 速度快，存储容量大。d s p 大都 采用改进的哈佛结构，独立的程序空间和数据空间使之允许同时读取程序和存取 数据。内置高速的硬件乘法器以及增强的多级流水线结构，使d s p 器件具有高 速的数据处理能力。而单片机大都采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间，同 一时刻只能单独访问指令或数据。算数逻辑单元( a l u ) 只能作加法，乘法需要 用软件来实现，对一些复杂的运算如s i n 、c o s 等，需采用查表方式，因而需要较 多的时间和空间。结构差异使1 6 位的d s p 器件比1 6 位的单片机单指令执行时 间快8 1 0 倍，完成一次乘加运算快1 6 3 0 倍。t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列与 模拟器件( a d ) 公司的a d m c x x x 系列都具有d s p 内核，从而将d s p 的高速运算 能力与面向电机的高效控制能力集于一体，在应用于交流电机控制系统过程中均 可获得较好的控制效果。可见，d s p 器件比同等单片机更具有竞争力，但器件自 身的价格及配套的软硬件开发工具的价格都较为昂贵。 在模拟器件( a d ) 公司的a d m c x x x 系列电机控制类芯片中，a d m c 3 3 1 很具 有代表性。芯片的p w m 发生单元灵活性和可编程性，使之能够产生多种p w m 信号；其内部程序存储器固化了许多电机控制系统中矢量控制所必须的子程序， 它方便了控制系统的程序设计，大大减少了控制系统的开发周期。而 t m s 3 2 0 c 2 4 0 7 是t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列电机控制类芯片中的典型芯片， 馥江炎学颈士擘证论文 嚣= = 二耄 宅糖鸯6 熬撬获单元，拣获擎元技焉子离遮i o 鹣氧魂蛰趱，宅簸粳输入s l 辫 上信号的变化，记录输入事件发生时的计数嚣使，即记录下所发生零件的时亥。 该郝件的工作由内部定时器葡梦，不用c p u 干预；而a d m c 3 3 1 没有设计这种 拣获单元。其它详细洼髭参数魄较参霓下表。 表2 1几种典型电机控制类微控制芯片性能对照表 8 x c l 9 6 m c ( 1 6 m h z )t m s 3 2 0 c 2 4 0 a p m c 3 3 l 最离频率1 6 m h z4 0 m h z1 3 m h z 捂令褥窥鳕2 5 0 n s 3 0 0 0 n s2 5 n s3 8 5 n s 乘加指令3 0 个周期、1 9 0 0 n s单周期、2 5 n s单周期、3 8 5 n s 轰莲a e 体系结构冯诺依曼多总线哈佛结构多总线哈佛结构 h a r v a r d )( 差a r v a r d ) 内核c 1 9 6 ( 寄存器一寄存1 6 位定点d s p 内核1 6 位定点d s p 内核 器缝稳)c 2 碡0 l 量文d s p 2 1 7 1 算术逻辑1 7 位( 最高位为符号3 2 位1 6 位 单元使) ( a l u ) 程序，数据6 4 k b 存储器空间1 5 k xt 6 德数据，程2 k 2 4 经程彦r o m 窆滴序r a m2 k 2 4 位程序 2 k 1 6 位s a p , a m 5 4 4 x 1 6 使d a r a ml k 6 盈数据 3 2 k x l 6 位f l a s h p w m 控剑波形发耋器( w g )2 个攀替警骥篓模块三攘1 6 霞p w m 擦餐 和2 个通用p w m 模( e m a 、e m b )器和2 个8 位辅助 块p w m 输出 p w m 毓疆 1 41 68 个 a d 转换1 个1 3 路8 1 0 位、2 个8 路1 0 位、5 0 0 n s 1 个7 路1 2 位、3 1 5 9 s 爨 l l g s 1 6 位定时2 个6 个1 个 器 输入捕获 46无 l ，o 盈7 路4 l 潞2 垂潞 看秘獬定有有有 时器 缡羁器接有有无 口 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 2 3 3 选择t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的原因 鉴于数字随动控制器对微控制芯片的要求以及电机控制类微控制芯片性能 上的差异，本数字随动控制器的中央控制模块选择以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核 心加相应的控制、显示及保护电路构成。这是因为： 1 ) 、1 6 位的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t i 公司专门为满足复杂的电机控制需求而设 计的单片d s p 芯片。由于具有硬件乘法器及多总线结构，t m s 3 2 0 c 2 4 0 7 支持高 速指令周期及单周期乘法，1 6 位定点d s p 内核的计算速度高达4 0 m i p s 。 2 ) 、它有1 5 k 字的数据程序r a m ，2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 和5 4 4 k 字的双口r a m ( d a r a m ) ，3 2 k 字的f l a s h ，且可扩展1 9 2 k 字的外部存储器： 6 4 k 字的程序空间，6 4 k 字的数据空间及6 4 k 字的i o 空间。 3 ) 、两个事件管理器模块e v a 和e v b ，各包括8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：p w m 的对称和非对称波形；当外部引脚p d p i n t x 出现 低电平时快速关闭p w m 通道( 此功能可用于电机保护) ；可编程的p w m 死区 控制可防止上下桥臂因同时输出触发脉冲而导致功率器件击穿的现象；便于实现 对电机的p w m 控制。一块芯片内含有两个事件管理器模块，可方便实现两路随 动控制，这是基于被控对象有两个自由度的考虑。 4 ) 、片内外设有一个1 6 通道1 0 位的a d 转换器，一路转换时间仅为5 0 0 n s ； 4 个1 6 位定时器；6 路捕捉比较模块，可以和4 个1 6 位的定时器共同完成对 事件监测与控制；5 个外部中断，可用于电机驱动的保护和复位。这些片内外设 大大增强了它的逻辑判断功能。 5 ) 、一个控制器局域网络( c a n2 o b ) 模块，一个1 6 位的串行通信接口模 块( s c i ) ，一个1 6 位的串行外设接口模块( s p i ) ，使得其网络与通讯功能很强。 由于系统的采样时间定为1 0 0 us ( 原因分析参见4 1 1 的软件设计总要求一 节) t 因此，所选的微控制芯片要保证在单周期内完成两次典型的p i d 运算( 这 是基于两路随动控制的考虑) 。经实际编程可知，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 一次典型p i d 运算大约需要2 1us ，而8 x c l 9 6 m c 芯片大约需要3 6t as 。考虑到系统的其它开 销，应留有一定的时间裕度。 可见，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核心组成的基本系统是有能力担当数字随动 控制器这角色的。 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 2 4 全数字随动控制器的功能框图 在选定了控制策略与微控制芯片后，本数字随动系统的最终功能框图如图2 3 所示。其中，虚框内为全数字随动控制器的功能图。 厂。圣赢磊赫一 图2 3数字随动系统的功能框图 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片在系统的每个采样周期开始，通过其a d 采样来判断 系统是否有过压、过流和过热现象发生。若有，则封锁p w m 的输出，系统终止 工作，并显示故障状态：若无，则芯片通过其通讯接口输入来自上级指挥系统( 通 常为计算机) 的数字给定量只( 1 6 位) ，通过总线接e l 输入来自周态转换模块的 主反馈信号吼；接着芯片根据本次采样周期采到的目，( ) 和以( ”) 、上一个采样周 期采到的只0 1 ) 和p 。0 1 ) 和上上个采样周期采到的口，0 2 ) 和巩0 2 ) 进行 前馈一反馈运算( 其中，臼，( ) 、谚( 一1 ) 与目，( 一2 ) 用于前馈运算，日。( ) 、只，一1 ) 与以一2 ) 用于p i d 的反馈运算) 。运算结果控制p w m 波的输出占空比，p w m 波的输出直接加到功放驱动电路的输入端。到此，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片在本采样 周期内的任务已全部完成，等待下一个采样周期的来到。 至此，“全数字随动控制器”中的“全数字”含义已不难理解。首先，控制 器的输入是上级指挥系统给定的指令信号，它是数字信号；其次，主反馈信号( 位 置量) 经固态转换模块( s d c ) 变换为数字信号；再次，控制器的输出为p w m 波，它也是数字信号；更重要的是程序的控制算法全部是按数字量进行处理的。 可见，此数字随动控制器的核心是“全数字式”的。 当然，在现实的客观物质世界中，存在着大量的模拟物理量。要想使设计的 控制器应用于实践，必然涉及到模拟量与数字量的转换，这就使得控制器不可缺 浙江大学硕士学位论文第章 少的要有a d 、d a 的转换，只有如此，才能将数字随动控制器用于实际的控制 系统中，用于控制现实世界中的对象。可见，此处的“全数字”又是相对的，是 相对于原有系统而言的。 4 浙江大学硕士学位论文 第三章 第三章全数字随动控制器的硬件设计 任何个复杂系统的正常工作几乎都离不开合理的硬件结构设计与良好的 软件代码编写，系统的性能是由软硬4 孛共同决定的。全数字随动控制器的设计+ 也 同样包含硬停设计部分与软件编写部分，本章将着重阐述全数字髓动控制器的硬 件设计部分。有关软件编写部分将在下一牵中给予叙述。 3 。1 总体设计要求与工 乍原理 由2 , 2 1 节全数字随动控制器的总体结构可知，此控蒂8 器的硬 牛电路按功能 划分成三块叛卡结构，一块是以微控制芯片为核心加上相应的控制、艇示和傈护 电路构成的孩心控割模块；两块是功能完全样的固态转换模块，这三块板卡均 设计成标准接翻扮即插件形式，遥过块无源母板连接。可见，全数字随劝控割 器的硬件设计主要集中在核心控制模块和固态转换模块上。两无源母板刚仅仅是 供连接之用，结构并不复杂。 3 1 1 总体设计要求 箬想使所设诗的硬静电路满足系统的要求，就必须清楚系统的硬件电路要实 现哪些功能。根据2 2 4 节中介绍的数字随动系统的_ l ：= 作原理，可以把系统硬 件部分的功能分森在圈态转换模块与核心控铝4 模块中实觋。其中，隧态转换模块 应能实现以下其俸功能： 1 、自糨一精双逶道鲁整角帆系统韵模拟位置燕转换成数字位置蟹，便于 d s p 对此位譬燕的处理。 2 、对转换来的瓯个数字位踅鬣进行临时性的锁存，直至下一个证置登的到 来止，方便d s p 的随时读取。 3 、一块圈；泰转换模块应该有鼹个地址，分另h 对应粗通道数擐秘精通道数据。 4 、为了增加圃态转换稹块的通用性，每个模块的两个地址都可通过物理跳 线实现6 4 k 地址空闯内的变化。 5 、为了便于备板卡间数据的传递，在与无源母板的连接上采样工业上较鬻 浙江大学硕士学位论文 第三章 使用的m u l t i l 3 u s i i 总线接口。 不难看出，固态转换模块在此数字随动系统中实现了模拟位置量的采样与转 换的作用，测量的结果以作为系统的主反馈信号，相当于一只量角器。 核心控制模块在全数字随动控制器中占有核心重要的地位，负责对给定量与 反馈量的读入与处理，控制输出变化及实现保护等。具体说来，核心控制模块应 能实现的功能主要有： 1 、模块通过总线接口分别读入粗通道位置量和精通道位置量，在d s p 内处 理合成高精度的数字位置量。 2 、模块通过通讯口读入给定的数字位置量，d s p 对它与反馈来的数字位置 量按既定的控制规律( 控制算法) 进行处理，控制p w m 波输出占空比，进而控 制电机驱动电路，使被控设备以最快，最优的速度转到给定位置，实现随动控制 的目的。 3 、从控制安全角度考虑，模块应能实现对过流、过压和过热等非安全信号 的分等级处理，达到分级保护的目的。 4 、模块要能实现对被观测量的显示，对故障状态记录与显示，便于系统的 调试。 5 、为了便于此模块与固态转换模块间的数据传递，在与无源母板的连接上 同样采取m u l t i b u s i i 总线接口。 当然，在实际的硬件电路设计过程中还会涉及到许多问题，诸如芯片的选择、 电磁干扰、结构布局、以及接口的具体定义等。但这些问题几乎是任何硬件电路 设计都要考虑的问题，在此处所列的是本系统的特有要求，是有别于其它系统硬 件要求的。 3 1 2 硬件工作原理简述 由上节的设计要求可见，硬件部分的具体工作流程如下：首先，固态转换 模块采样来自粗一精双通道白整角机系统的两个模拟位置量，通过模块上的两片 精度不同的s d c 芯片把粗通道的模拟位置量与精通道的模拟位置量分别转换成 对应的数字位置量，并把两个转换结果分别锁存在两个不同的位置，供核心控制 模块随时读取。核心控制模块一方面通过通讯方式读入来自上级指挥系统的给定 浙江大学硕士学位论文 第三三章 位置量，另一方面通过m u l t i b u s i i 总线接口读入固态转换模块中已转换好的两 个反馈位置量，然后粗通道的数字位置量与精通道的数字位置量在d s p 内合成 一个高精度的主反馈位置量，此反馈位置量与给定的位置量共同作为数字调节器 的两个输入，通过数字调节器的运算调节控制输出量( 调节p w m 波的占空比) ， 进而控制h 桥驱动电路，使被控对象按既定规律运转到给定位置，达到随动控 制的目的。核心控制模块上的保护电路可具体分为电压保护电路、电流保护电路 与温度保护电路三部分。这些保护电路的工作原理都相同，1 ；同的是保护等级不 同。核心控制模块上的显示电路可具体分为故障状态显示电路与调试参数显示电 路，前者用于监视系统的运行状态，后者用于随时显示要观察的数据，以供调试 方便。系统硬件功能框图如下： 图3 1 系统硬件功能框图 3 2 固态转换模块的设计 3 2 1 固态转换模块的结构设计 固态转换模块的结构参见图3 一l 。其中，数据转换芯片选用a n a l o gd e v i c e s 公司的s d c l 7 x x 系列芯片，这是因为此系列芯片是专用的自整角机一数字转换器 塑婆查兰堡主堂些堡苎堑三兰一 ( s d c ) ，它有如下优点：动态响应好，在数字随动系统中使用时，可略去其 延时及滞后。抗振性好，能用于各种野战兵器。工作可靠。体积小 重量轻。图3 - - 2 为该芯片与自整角机的连线图。 图3 - - 2 自整角机与s d c 的连线图 s d c 需要+ 1 5 v 、一1 5 v 和+ 5 v 三个电压供电，其中+ 5 v 为模块的供电电源。 可见，若使s d c 正常工作，还需要一个+ 5 v 到1 5 v 的电压转换模块。在设汁中 选用了l a m b d a 公司的p p d x x x x x x 模块。至此，在数字随动系统中，当自整角 机的激磁绕组r l o r h i 接上电源时，s d c 即可转换出负载转轴的当前位置角( 其 工作原理将在3 2 3 节中详述) 。 为了减小固态转换模块的体积、简化布线复杂度及提高模块的抗干扰能力， 采用四层板结构。其中，中间两层为电源层面，且要求模拟电源部分与数字电源 部分分开( 具体原因分析参见3 5 节) 。 此外，模块的地址设景区选用a t m e l 公司的a t f x x x x x 芯片，它是一种通用 阵列逻辑( g a l ) ，共有3 0 个输入引脚和8 个t o 引脚，在此除了选择其中2 个 i o 引脚作为锁存信号( 一个作为粗通道数据的锁存信号，一个作为精通道数据 的锁存信号) ，其余均作为输入引脚使用。g a l 的1 6 个引脚直接接到板卡上的跳 线输入，另1 6 个引脚接m u l t i b u s i i 的地址总线，通过编写g a l 的逻辑，可使 浙江大学硕士学位论文 第二章 地址跳线设置与地址总线的高1 5 位一致且地址总线的最低位为0 时，选中粗通 道地址：而当地址跳线设置与地址总线的高1 5 位一致且地址总线的最低位为i 时，选中精通道地址：否则不选中模块。即一个模块含有两个连续的地址，其偶 地址存放粗通道数据，其奇地址存放精通道数据。可见，通过设置各模块的地址 设置区，可使各模块的地址在6 4 k 地址空间内变化，大大增加了模块的通用性。 固态转换模块采用m u l t i b u s i i 总线接口，此总线是一种高性能的同步3 2 位总线，是m u l t i b u s - i 总线的改进型，在高端应用中( 如通信系统) 占据着主 要的地位。m u l t i b u s i i 总线接口共1 5 0 脚，分为p 1 区和p 2 区，其中，p 1 区为 系统定义区，p 2 区为用户自定义区。p 2 区的存在大大方便了用户的设计，增加 了m u l t i b u s i i 总线的通用性。 3 2 2 自整角机一数字转换器( s d c ) 的转换原理 为了正确使用s d c ，有必要了解该芯片的工作原理。图：j - 一3 为s d c 内部的 功能框图。 r e f 兰。融霖胆变压器h 射m c o 嫌懈r 1 七k l r 下l l 中( 数字) lj ( 0 一日) ) 1 计数器 垂v 集c o 鞠鬯器 数字信号 ( 输出) 图3 3s d c 的功能框图 上图中，s d c 并无引脚s 4 ，所以画了虚线。图中所示微型变压器为s c o t t 变压器，它能将来自自整角机的模拟信号转换成解算形式，即 引眈岛舛一町一h丽 塑坚查堂堡主兰焦堡苎 一笙三：! ! 一 k = k e os i n w t s i n t 9 = k e os i n w t c o s o 式中，0 为自整角机的轴角。 为了叙述工作原理方便，我们假设l 计数器现在的状态字为中。则k 乘以 c o s ( d ，乘以s i n 中( 由高速数字s i n c o s 乘法器完成) ，有 c o s 巾= k e os i n w t s i n 8 c o s d o s i n = k e os i n w t c o s _ f 9s i n 中 误差放大器将它们相减，得 k e os i n w r ( s i n 口c o s 巾一c o s ss i n 中) 即 k e o s i n w ts i n ( 0 一中) 鉴相器、积分器和电压控制振荡器( v c o ) 等使之构成闭环系统，寻找s i n ( 0 一中) 的零点。找到后，1 计数器的状态字中等于自整角机的轴角0 。s d c 输出的数字信号就是中，此时，它等于0 。轴角编码的功能就是这样实现的。 如图3 3 ，忙信号b u s y 是s d c 的输出信号。当b u s y = 1 时，表示v c o 正在 对1 计数器进行操作，此时s d c 输出的数字信号不可信，麻在b u s y = o 时采样 s d c 输出的数字信号。该数字信号与忙