一种基于DSP的伺服控制系统设计

青岛科技大学本科毕业设计（论文）前言DSP芯片也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器具。其内部集成了模/数转换、数字输入/输出、串口通信、电机控制PWM信号输出等接口，因此在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用，然而DSP和数字处理器已不再局限于这些特殊应用领域，手机、通讯卫星和机顶盒均对DSP提出了完全不同的要求和功能1。此外，一些消费类电子产品(如视频游戏机)正将一些功能(如音频处理)作为一种数字处理功能增加到系统中，这一多样化将DSP作为一个功能模块集成到系统级芯片中去的趋势仍在继续增长。电动机的DSP控制是电机控制的一个新领域，Motorola公司生产的数字信号处理器DSP56F807整和了通用数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰富的特点，使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能力，同时又要有较多控制功能的应用中，对直流伺服电机的控制就是这一系列DSP的典型应用之一。DSP型直流位置伺服系统大都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，因此在电机的DSP控制系统中，通常存在模拟信号和数字信号，既有连续信号，又有离散信号，而全数字控制系统则是当前发展的方向。而DSP操作运算时只能识别和处理数字量，只能依次处理，所以DSP与外界信息传递和处理总是一个采样过程，电机的DSP控制系统也必然是一种离散系统2。脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM模块对电动机的控制是PWM技术的主要应用方面，DSP56F807已经包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。一个完整的伺服控制系统包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。为减少硬件资源，我们采用软硬件相结合的方法实现对伺服系统的控制，该DSP芯片支持C语言和汇编语言所编写的控制程序。光电编码器检测的位置信号与给定值产生的偏差值，通过PD控制器运算处理后，形成占空比可调的PWM输出信号，再经过驱动电路放大后实现对直流伺服电动机的控制。1 直流伺服控制系统的简介1.1伺服控制系统伺服就是一个提供闭环反馈信号来控制位置和转速，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分3。控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作；执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作；检测环节则是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般由传感器和转换电路组成；比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。伺服系统的原理结构图如下：被控对象执行元件调节元件比较元件输出输入 测量、反馈元件 图1-1 伺服系统的组成框图Fig.1-1 Block diagram of servo system1.1.1伺服技术发展简况伺服控制技术的发展是和控制理论及控制器件的发展紧密相连，功率驱动装置的发展历史就是伺服控制技术的历史。世界上第一个伺服系统是美国麻省理工学院辐射实验室于1944年研制成功的火炮自动跟踪目标伺服系统。这种早期的伺服系统是采用交磁电机扩大机直流电动机的驱动方式，由于交磁电机的频率响应差，电动机转动部分的转动惯量及电气时间常数都比较大，因此响应速度比较慢。第二次世界大战期间，由于军事上的需要，武器系统和飞机的控制系统以及加工复杂零件的机床控制系统均提出了大功率、高精度、快响应的系统要求。首先液压伺服技术迅速得到发展，到了50年代末、60年代初，有关电液伺服计算的基本理论日趋完善，电液伺服系统被广泛应用于武器、军舰、航空、航天等军事部门及高精度机床控制，伴随机电伺服系统元器件性能的突破，尤其是1957年可控的大功率半导体器件晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能还是可靠性都表现出明显的优势，二十世纪70年代以来，国际上电力电子技术突飞猛进，推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件，如晶闸管、大功率晶体管、场效应管等。与此同时，稀土永磁材料的发展和电机技术的进步，相继研制出了力矩电机、印制绕组电机、无槽电机、大惯量宽调速电机等执行元件，并与脉宽调制式变压器相配合，进一步改善了伺服性能4。控制技术的发展不断对伺服系统的性能提出更高的要求，近年来，随着数字技术和计算机技术的高速发展，新型传感器件的大量涌现，使得伺服驱动控制技术有了显著进步。特别是将计算机与伺服系统相结合，使计算机成为伺服系统中的一个环节，在伺服系统中利用计算机来完成系统的校正、改变伺服系统的增益、带宽、完成系统管理、监控等任务，使伺服系统向智能化，数字化的方向发展。伺服控制技术新的发展和变化的主要方面如下：（1）从直流伺服驱动系统向交流伺服驱动系统的发展趋势20世纪以来，在需要可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域，相当长的时期内几乎都是采用直流电气传动系统。随着电力电子学、微电子技术、现代电机控制理论和计算机技术的发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利条件，使得交流传动逐渐具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良好的技术性能，并实现了交流调速装置的产品系列化，由于其良好的技术性能，取代直流电动机调速传动已是必然的发展趋势。（2）从模拟伺服系统向数字伺服系统的发展趋势在我国，数字伺服系统的研究已由实验室研究阶段步入应用阶段，在许多行业已批量生产，数字伺服系统在大多数应用场合取代模拟伺服系统将是必然趋势，产生这一趋势的原因如下：自动控制理论和计算机技术是数字伺服系统技术的两个最主要的依托，自动控制理论的高速发展，为数字伺服系统研制者提供了实现这些控制规律的现实可能性。以计算机作为控制器、基于现代控制理论的伺服系统，其品质指标无论是稳态，还是动态都相应达到了前所未有的水平，比模拟式伺服系统高得多。（3）从经典传统伺服控制向现代伺服控制的发展趋势应用经典理论来分析伺服系统，首先必须建立数学模型，但是由于许多因素难以一一考虑，许多参数难以精确确定，这种数学模型常常不能很好地反映系统的实际情况，有时甚至会得出错误的结论，60年代前后发展起来的现代控制理论适应了计算机的发展，具有许多经典理论难以比拟的优点，现代控制理论在伺服系统中将得到广泛的应用，如模糊控制，自适应控制，专家控制、最优控制等先进的控制策略。（4）高精度发展的趋势随着伺服控制系统所用的器件的高速发展、先进的控制算法在伺服控制的应用和位置测量元件的测量精度的提高，使伺服控制系统向高速、高精度方向发展，以适应现代国民经济的发展要求。1.1.2伺服控制的技术特征伺服控制技术是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个分支。它经历了发电机电动机系统、交磁电机扩大机控制、晶闸管控制、晶体管控制、集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今进入了全新的鼎盛时期。现代伺服控制技术的主要特征为：（1）全控型电力电子器件组成的脉冲宽度调制技术在伺服系统中广泛应用。（2）各种伺服控制元件与线路向着集成化、功能化、模块化、智能化、便于计算机控制的方向发展。（3）伺服系统的可靠性设计及自诊断技术伴随着系统功能、性能复杂化程度的升级而受到人们的普遍重视。1.1.3伺服系统的技术要求（1）系统精度伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。（2）稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。 （3）响应特性响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。（4）工作频率工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。1.2开环控制与闭环控制在生产和科学的发展过程中，自动控制起着重要的作用。目前，自动控制广泛地应用于现代的工业、农业、国防和科学技术领域中。可以这样说，一个国家在自动控制方面水平的高低是衡量它的生产技术和科学技术水平先进与否的一项重要标志。自动控制涉及的范围很广，除了在宇宙飞船、导弹制导、飞机驾驶系统等领域中，自动控制系统具有特别重要的作用之外，它在电力、机械、冶金、化工以及对人体有害的部门，如原子能反应堆等领域，自动控制也占据着十分重要的地位。 所谓自动控制就是在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控制对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。所谓自动控制系统是由控制装置和被控制对象所组成，它们以某种相互依赖的方式结合成为一个有机整体，并对被控制对象进行自动控制，显然，这些控制装置至少完成人所起的某种作用：测量、比较和执行。控制系统按控制装置与被控对象之间的作用形式来分，可分成开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统。1.2.1开环控制 开环控制是指控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没有反向联系的控制过程，在开环系统中，不需要对输出量进行测量。其结构图如下所示：控制器被控对象输入量输出量 图1-2 开环控制的方框图 Fig.1-2 Block diagram of open-loop control开环控制的特点：（1）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常较容易实现。（2）组成系统的元、部件精度高，系统的精度才能高。（3）系统的稳定性不是主要问题。开环系统存在的问题：（1）要求元、部件的精度要高。（2）当存在变化规律无法预测的干扰时，不容易实现。1.2.2闭环控制闭环控制是指控制装置与被控制对象之间既有正向作用，又有反向联系的控制过程。在闭环系统中，需对输出量进行测量，其结构图如图1.2所示。典型的闭环系统，如小功率随动系统，雷达自动控制系统等。显然，闭环系统是反馈系统，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：如通过反馈是使系统偏差增大，即为正反馈；反之，称为负反馈。我们所讲述的反馈系统，如果无特殊说明，一般都是指负反馈。控制器被控对象输入量 输出量图1-3 闭环控制的方框图Fig.1-3 Block diagram of closed-loop control 闭环控制的特点：（1）输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰。（2）低精度元件可组成高精度系统。（3）因为可能发生超调、振荡，所以稳定性问题很重要。一般说来，当系统控制的规律能预先确定，并对系统可能出现的干扰可以做到有效抑制时，宜采用开环系统。因为开环控制系统结构简单，易于维护，成本低，试用期短，特别当被控制量很难进行测量时更是如此。只有在系统的控制量和扰动量均无法事先预知的情况下，闭环系统才有其明显的优越性。值得重视的是，控制系统的干扰往往是未知的，加之其它原因，所以常见的大多数系统是闭环系统。1.2.3控制系统的一般要求为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。（1）稳定性被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态过渡到另一种状态，如能做到，我们认为该系统是稳定的。（2）精度要求以输入阶跃信号为例，单位阶跃响应如图1-3 所示。精度要求一般以稳态误差来表示，即实际输出与期望值之差是否进入允许误差区。（3）超调量 它是说明系统阻尼性即振荡性的，阻尼大则振荡小。对于稳定系统而言，第一次超调量为输出最大超调量，取其为性能指标之一，即： 也可以用振荡次数来说明，在确定后，振荡次数越小，说明反馈控制系统阻尼性越好。（4）过渡过程时间 系统达到给定区所需的时间，这个指标反映系统的惯性，即响应速度。（5）上升时间 从原始状态开始，第一次达到单位阶跃输入对应的时间，定义为上升时间。综上所述，对自动控制系统的要求，在时域中一般可归纳为三大性能指标：（1）稳定性：稳定性是保证系统正常工作的先决条件。为保证系统能很好地工作，要求系统稳定并且有一定的稳定裕度。（2）快速性：为了很好完成控制任务，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。（3）准确性：要求系统最终的响应准确度，应限制在工程允许的范围内。上述要求，简称稳、快、准。不同的系统对稳、快、准的要求一般是不同的，对同一系统的稳、快、准是相互制约的。各系统对稳、快、准的要求应有所侧重，如何来分析和解决这些问题，将是本课题研究的重要内容。 图1-4 单位阶跃响应Fig.1-4 Unit step response 1.3直流伺服控制系统的原理直流伺服控制系统是一种恒值闭环系统，根据恒值系统的定义，可知该系统的特点是：（1）输入信号是常量或是变化极为缓慢的信号；（2）主要任务是补偿干扰，使系统输出保持恒值。DSP是伺服控制系统的控制器，它兼有微处理器的功能，可以通过汇编语言或高级语言对芯片所编写的程序，节约芯片的硬件资源和确定控制算法。光电编码器是位置或速度的检测装置，速度检测值作为闭环控制系统的反馈信号，它与给定的信号值比较后产生误差输入值，再通过DSP控制器的处理实现对直流伺服电动机的控制5。控制系统的结构简图如下所示： 伺服电机功率放大器数字控制器给定值 偏差值 控制信号 驱动信号 输出 光电编码器图1-5 控制系统的结构框图Fig.1-5 The structure diagram of the control system2 直流伺服控制系统的硬件设计2.1系统的硬件配置DSP是专业化程度很高的微控制器，其结构适合于以尽量快的速度运行数目较少的专用指令和专项操作。高速执行能力是数字环境下对实时模拟信号进行处理所必需的，而数字信号处理算法正适合于这些运算。56F807DSP 是Motorola公司生产的面向新一代电机的控制器，具有电机控制必需的PWM输出控制器，该PWM波形发生器通过编写程序产生所需的电压平均值，以驱动直流伺服电动机。本文提出的基于该DSP的全数字直流位置伺服系统，将DSP的高速运算能力和面向电机的高效控制能力集于一体，充分利用其丰富的周边接口以及系统软件的开发功能，使系统的结构大为简化。光电编码器检测位置信号并将其反馈至输入端，它与给定的位置信号形成偏差值对伺服控制系统实现闭环控制，从而实现控制的时实性、准确性。24V的直流伺服电动机是伺服控制系统的执行单元，它由脉宽调制器（PWM）产生占空比不同的波形控制电机中转子的电枢电压，从而实现对直流伺服电动机转动和转向的控制6。伺服控制系统的硬件结构图如下所示：直流伺服电动机光电编码器功率放大器 PWM QEP DSP56F807 SPI/SCI 通信端口图2-1控制系统的硬件框图Fig.2-1 Hardware diagram of the control system 2.2 DSP控制器DSP（数字信号处理器）内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。DSP芯片一般具有以下特点：在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；快速的中断处理和硬件I/O支持；具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。DSP控制器还具备十分丰富的逻辑接口，因此其主要应用是实时快速地实现各种信号处理算法。2.2.1 DSP和MCU技术特征的比较DSP的第一个基本要求就是通过专用硬件执行MAC操作以及累器(结果)寄存器中的保护位操作，保护位可防止一系列MAC指令结果溢出。很多MCU也带有MAC指令，但远远不能与高性能专用DSP的并行MAC功能相媲美(在单个周期中可以完成多次运算)。DSP的另一特性是具有同时访问多个内存空间的能力，通过同时存取数据和指令，可极大地提高数据吞吐量。这种结构称为哈佛(Harvard)结构，该结构采用分离的数据总线和指令总线。尽管很多MCU仍然使用传统的冯诺曼结构(采用单总线存取地址和数据)，但越来越多的MCU现在已经开始使用哈佛结构。DSP第三个性能是在不形成瓶颈的条件下产生地址并提取操作数，该特性一直被视为DSP所特有。为了将地址馈送至DSP的执行单元，在指令执行的同时，地址生成单元也将自动运行。这种寻址模式通过优化可以支持对存储数据的连续内存空间进行反复读取。该特性目前在MCU的寻址模式中应用相当普遍，例如“带后增量的寄存器间接寻址”，这种寻址模式允许MCU访问结构组织形式类似于DSP的数据。柱式移位器(barrel shifter)是DSP的第四大硬件特征，柱式移位器是为了对寄存器内容进行快速处理的特定电路。定点DSP需要进行数据换算以得到与浮点处理器相同的动态范围。当然，柱式移位器的操作也可用软件实现，但由于需要耗费大量的时间而不适用于实时视频或音频应用。最始采用硬件柱式移位器。传统MCU区别于DSP的最大特征在于其通用特点，这反映在指令集和寻址模式中。MCU包含丰富的控制指令和位操作指令，并能使用堆栈指针方便地编译器操作，并能有效地优化代码，使其尽可能短小。MCU的另一大特性是包含片上外设。虽然现有的DSP都包含某些外部模块，如存储器和串行通信控制器，但MCU能更多地集成一些电路板上常用的外围器件。与DSP相比，MCU的快速中断功能更强。当芯片上集成了多个外设时，由于控制系统需要处理更多的中断源，因此需要快速的中断处理功能。DSC是DSP和MCU的混合体，并将在一段时间内与这些器件共存, 该类器件是不带片上外围器件(如存储器阵列)的高集成度处理器。 DSP是专业化程度很高的微控制器，其结构适合于以尽量快的速度运行数目较少的专用指令和专项操作。高速执行能力是数字环境下对实时模拟信号进行处理所必需的，而数字信号处理算法正适合于这些运算。数字信号处理功能通常采用硬件模拟滤波器，而不是采用基于软件的数字技术。信号处理功能的一项关键特性是实时性能。由于需要处理的输入信号通常涉及电话、电视、多媒体系统和CD播放器等领域，这些信号必须在瞬间进行处理。如果DSP不能对信号进行快速处理，这些应用将不能实现。MCU的可编程特性能实现很高的灵活度，但另一方面却较大地牺牲了性能。所有能在DSP上进行的运算均能在MCU或MPU上进行。两者之间的差异在于：MCU处理特定信号的速率较慢，但适合于进行很多其它类型的数据处理。因此MCU适用的应用系统通常有一个控制周期并要求进行各种各样的操作，而非大量的重复数值运算，DSP则擅长于很多重复数据运算的应用。总之，MCU适合于对不同信息源的输入数据进行各种逻辑、诊断和算术运算处理，而DSP则能有效地执行大量的重复算术运算2.2.2 DSP芯片的选型摩托罗拉DSP56F807内核的指令集面向DSP和控制领域的应用均进行了优化。DSP56F807内核为双哈佛结构，共有3个并行的执行单元，分别为运算逻辑单元（ALU）、地址产生单元（AGU）和程序控制单元（PCU）。每个指令周期这3个执行单元共可完成6次操作。在一个指令周期内，DSP内核即可执行一次16位16位的乘法累加操作（MAC）。另外，DSP内核还提供了硬件循环操作。芯片内核最高可工作于80MHz，在此工作频率下，指令执行速度可达40MIPS。内核的这种高效结构和高速运算能力，为DSP56F807系列DSP在运算复杂、实时性较强的控制领域中的应用提供了保证。本文提出的基于DSP的伺服控制系统，要求控制精度高，且系统的稳定性和静态性好。因为摩托罗拉公司的DSP56F807芯片的主要参数适合上述设计目标和应用场合实时性的要求,因此选择它作为伺服系统的控制器。2.2.3 DSP56F807的结构简介摩托罗拉56F807DSP是新一代数字信号控制器，其内部集成了传统DSP和MCU的所有主要硬件组成部分，其内核如图2-2所示。构成DSP56F807内核的四个功能单元分别为：程序控制器、地址生成单元、数据算术逻辑单元和位处理单元。由于每个功能块均自带寄存器组和控制逻辑，因此都能独立于其它三个模块进行工作。这四个功能单元并行工作，增大了数据吞吐量。每个功能单元都通过内部地址和数据总线与其它功能块和内存映射外设进行接口。（1）程序控制器（PCU）程序控制器PCU包括计数器PC、状态寄存器MR/CCR、运行模式寄存器OMR以及专门用于循环指令的循环地址寄存器LA、循环次数寄存器LC和硬件堆栈HWS。（2）地址生成单元（AGU）地址产生单元AGU中主要有4个通用地址寄存器R0，R1，R2，R3，一个堆栈指针SP，一个地址偏移量寄存器M01。AGU的主要作用是给数据空间地址总线XAB1提供地址，并能在指令执行前或指令执行后实现自动加减1的地址操作。同时给XAB1和XAB2提供2个不同的地址，并能在指令执行后自动完成刷新。AGU中的R0、R1、R2、R3和SP都可以当作通用寄存器用，不同的是只有R0和R1可以与M01合作完成循环存储域的运算；而R3是在存储器的并行处理时，用作读/写片内存储器的。复位后要首先对堆栈指针SP做初始化。由于DSP并行处理和流水线结构的特点，当使用MOVE指令和位操作指令改变上述积存器，包括改变M01积存器的值，紧接着执行下一条指令时，上述积存器的新值还不能起作用，要到再下面一条指令时才能使用该新值。AGU中的运算器包括两部分，一部分完成简单的加1减1运算；另一部分实现复杂的、存储块大小可以由用户定义的存储空间的运算，目的是使AGU能在1个指令周期内同时刷新2个地址，或者是在1个周期内完成存储器和寄存器之间的地址信息传输。系统时钟发生器JTAG/OnCE16位56800内核CAN积分解码器中断控制器24/32GPIO四进制定时器SCI（2）SPI6输出PWM6输出PWM8KBDFLASH4KBDRAM外部总线桥COP电源管理器电压调节器120KBPFLASH1KBPRAM4KBBOOTFLASHIP 总线桥输入12位元ADC输入12位元ADC图2-2 摩托罗拉56807DSP芯片结构图Fig.2-2 Motorola 56807DSP chip structure drawing（3）算术逻辑单元（ALU）算术逻辑单元ALU内部有3个16位的数据输入寄存器X0、Y0、Y1，其中Y0和Y1可以看成1个32位的寄存器，2个32位的累加器A和B。A和B又可看成是2个16位的寄存器A0，A1，B0，B1。A2和B2是2个4位寄存器可以将A，B两个寄存器扩展成36位。算术逻辑单元中的乘/加器MAC在1个周期内可以以并行方式完成乘、加运算。ALU中的累加移位器与循环移位器用于算术和逻辑左移、右移。1个极值限制器用于处理包含扩展寄存器的36位或32位操作，使在执行从36位到32位或从20位到16位的传输、运算指令时不至于出现错误。乘/加器MAC可完成又符号或无符号16位乘以16位的分数运算或16位乘以16位的有符号整数运算，32位的乘积可以加到36位的A或B寄存器中去，或者加到16位的X0、Y1、Y0寄存器中去。算术逻辑单元中还有1个极值限制器，使用极限制器做饱和处理是DSP中处理数据溢出的一种手段。2.2.4 DSP56F807存储空间的分配分为程序空间和数据空间，各有64K字，字长16位，128个中断向量占据程序空间底端，从 $0到$7F。外设的I/O短寻址空间占据数据空间的高端，从$FFC0到$FFFF共64个数据空间的实际字节数为64K * 2B。DSP56F807的程序空间加数据空间的总和为128K字。这128K又分为片内存储器和可扩展片外存储器。它可以工作在单片方式下，不需要外部扩展ROM和RAM；而外部扩展的RAM对程序的调试是有用的。在调试。程序时，将程序下载到外部RAM中比下载到内部Flash中要快的多。程序空间又分为程序ROM（Flash）和程序RAM。DSP56F807片内还有4KB启动（boot）Flash，可以用于加电复位时的系统初始化与系统启动；DSP的启动有多种方式，可从片内Flash启动，也可以从片外Flash启动，也可以从I/O口下载一段程序到片内程序RAM中启动。综上所述，DSP56F807片内有：程序Flash、程序RAM、数据Flash、数据RAM、启动Flash几种。2.3脉宽调制（PWM）技术采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式7。2.3.1 DSP56F807的PWM模块M56F807DSP芯片包含电机控制必需的PWM输出控制器。为了控制直流电动机，需要半导体功率器件进行驱动。大多数直流电动机驱动采用了开关型驱动方式，其中又以定频脉宽调制（PWM）为常见。其优越性在于驱动电子设备的简单性和计算机接口的容易性。PWM信号是一个周期固定而脉冲宽度可变的脉冲序列。在每个固定长度的周期中有一个脉冲出现，该固定长度的周期称为PWM周期，它的倒数称为PWM频率。通常，在一个电机控制中，通过功率器件将所需的电流和能量传送到电机线圈绕组中来控制电机的速度和转矩，而PWM信号即是用来控制功率器件的开启和关闭时间的。PWM输出的信号与电动机的电枢电流成正比关系，其比例关系图如图2-3所示。通信与控制PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。Current151050-5-10-15 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Ratio图2-3 PWM输出信号与电枢电流的关系图Fig.2-3 The related diagram between PWM output signal and the armature current 2.3.2 PWM控制器的结构Motorola DSP56F807系列模块有6个输出引脚，称6通道，PWM发生器的6个输出引脚从PWM0PWM5（AH、AL、BH、BL、CH和CL）产生3对高电平有效的PWM信号，这6通道的输出可以被配置成1对、2对、3对互补通道对或6个独立的通道方式。在互补操作方式下，允许可编程的死时间插入，通过电流传感的输出波形扭曲矫正和独立的顶、底输出引脚极性控制，支持无级变频。边对齐和中心对齐的脉宽产生方式，支持占空比从0%到100%。PWM模块可以支持大多数电机类型：交流感应电机ACIM、无刷直流电机BLDC和有刷直流电机BDC、开关磁阻电机SRM和变磁阻电机VRM以及步进电机。PWM发生器具有两种不同的工作方式：单脉冲更新方式和双双脉冲更新方式。在单脉冲更新方式中，工作时间的值在每个PWM周期只能写一次，以使合成的PWM模式关于PWM周期的中点对称。在双脉冲更新方式中，PWM信号工作时间的第二次更新在PWM周期的中点实现，这样可产生不对称的PWM模式，但会在三相PWM逆变器中产生低次斜波。这种方式还允许闭环控制器以更快的频率改变电机绕组端的平均电压，并获得更快速的闭环脉宽。PWM模块采用单脉冲或双脉冲更新哪一种工作方式由方式控制MODECTRL寄存器的一个控制位编程选择。DSP芯片的PWM发生器还提供一个内部PWMSYNC信号，该同步信号使PWM的开关频率与模/数转化操作同步。在单脉冲更新方式中，PWMSYNC脉冲在每个PWM周期起始时刻产生，而在双脉冲更新方式中，除了在每个PWM周期起始时刻产生PWMSYNC脉冲外，还在每个PWM周期的中点产生一个PWMSYNC脉冲。PWMSYNC脉冲的宽度由PWMSYNCWT寄存器编程控制。PWM控制器的功能框图如图2-3所示。PWM输出引脚AH(PWM0)、AL(PWM1)、BH(PWM2)、BL(PWM3)、CH(PWM4)和CL(PWM5)上的6个PWM脉冲由4个重要模块控制：（1）三相PWM定时器：它是PWM控制器的核心，产生3对互补，死区时间可调，基于中心对称的PWM信号。（2）输出控制单元：它允许三相定时器每个高压侧或低压侧输出通道的输出重定向。另外，输出控制单元允许每个PWM信号进行独立允许/禁止控制。（3）门极驱动单元：它允许产生高频斩波频率信号，与PWM信号相叠加。（4）PWM禁止控制管理器管理3个PWM禁止模式，并为定时器产生正确的复位信号。（5）PWM控制器由与DSP内核指令频率CLCOUT相同频率的时钟驱动，并能向DSP内核产生2个中断信号：一个出现PWMSYNC脉冲时产生，另一个在出现任意一个PWM禁止作用时产生。 三相PWM定时单元CLK SYNC RESETPWMTMPWMDTPWMPDPWMSYNCWTMODECTRLPWMCHAPWMCHBPWMCHC输出控制单元SYNC门极驱动单元CLKPWMSEGPWMGATE到中断控制器逻辑OR过电流检测PWMSWTAHALBHBLCHCLCLKOUT 图2-4 DSP芯片内部PWM控制器总体结构Fig.2-4 The interior PWM controller overall structure of the DSP chip2.3.3 PWM占空比控制占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率，通过控制一个恒定的工作频率的直流工作电压在一个工作周期内的占空比，（也就是对直流脉冲宽度的控制）利用电子控制电路进行高速的开关动作控制，从而控制了受控电路的接通和关断的时间比，实现了对受控元件工作电压平均值的控制，事实上控制了流经受控元件的工作电流值。PWM发生器用一个15位的增量/减量计数器来产生输出信号，同时有以下几个选项可以选择。对齐方式：通过配置寄存器FMCFG中的EDGE位设置来决定是边沿对齐还是中心对齐。周期：通过对PWM计数模块寄存器PWMCM设置来决定。实际上还受预分频因子和对齐方式的影响。在中心对齐方式下：PWM周期=（PWMCM）*（PWM时钟周期）* 2在边沿对齐方式下：PWM周期=（PWMCM）*（PWM时钟周期）脉宽：由PWM模块的计数值寄存器PWMVAL决定。占空比：PWM模块的计数值寄存器PWMVAL/PWM模块的计数寄存器PWMCM。2.4光电编码器位置检测在电机控制中是十分重要的，特别是需要根据精确转子位置控制电机运动状态的应用场合，即位置伺服系统。常用的位置检测有：微电机解算元件，如旋转变压器和同步感应器；光点元件，如绝对光电编码器、增量光电编码器和直线光栅；磁敏元件，如霍尔位置传感器；电磁感应元件，如接近开关、开口变压器等。这些位置检测传感器或者与电机非负载端同轴连接，或者直接安装在电机的特定部位。下面主要介绍精度相对较高的光电编码器。光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。光电编码器可以定义为：一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成8。光电编码器每转输出600个脉冲，五线制。其中两根为电源线，三根为脉冲线(A相、B相、Z相)。电源的工作电压为 （+5V+24V）直流电源。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图2-5所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。当光电编码器的轴转动A、B两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差90度相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。Z线为零脉冲线，光电编码器每转一圈产生一个脉冲，主要用作计数。A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向。转轴脉冲输出码盘透镜光敏元件放大整形透镜光源 图2-5 光电编码器的原理图Fig.2-5 The schematic diagram of the optical encoder根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。2.4.1绝对式光电编码器绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的，它与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码。编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘，将组成编码的圈称为码道每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧是最低位，最里侧是最高位。通常根据读出码盘上的编码，检测绝对位置编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失，但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。绝对型编码器的每一个位置是唯一的(即绝对的)，与增量型编码器不同。增量型编码器的位置是由原位基准的计数脉冲累计来决定位置，读数状态要始终连续，不可间断，抗干扰能力差，主要用于短时的相对位移或速度测量；绝对型编码器是以即时读出数据码系统，以建立信息，没有两个位置是相同的。当掉电时，绝对型编码器的位置不会丢失，其数据码盘通过转轴与机械联动，每一个位置是唯一的，一旦电源接通，它即可读出现时准确的位置信号，不需要退回到基准原点使系统从初始位置开始。同样，在经过一阵干扰后，可通过复读重新获得准确的位置信号。因此，绝对型编码器与增量型编码器相比，不存在掉电信号丢失问题，抗干扰能力强，可用于长期的定位控制。绝对型编码器读出的信号可以是格雷码等数字信号，其错码几率较小，对于后部二次仪表的运算，因是数字量计算，不易增加其误差，因此，其传输及计算的数据的可靠性高。本文提出的位置检测单元就是采用的绝对型光电编码器。2.5伺服电动机伺服在微动或定位保持上是一种动态的平衡，它是系统通过检测的位置信号进行的负反馈PID调节，伺服电机可使控制速度、位置精度非常准确。伺服电动机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置又称为执行电动机，在自动控制系统中用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。它的作用是驱动控制对象，被控对象的转矩和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。伺服电动机可使控制速度，位置精度非常准确，分为直流和交流伺服电动机两大类。我们所提出的伺服控制系统的执行机构就是下面介绍的直流伺服电动机。2.5.1直流伺服电动机的简介直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，直流电动机就会转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制（如图2-6所示）；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。磁场控制有严重的缺点（调节持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号），使用的场合很少9。直流伺服电动机进行电枢控制时，电枢绕组即为控制绕组，控制电压直接加到电枢绕组上进行控制。而励磁方式则有两种：一种用励磁绕组通过直流电流进行励磁，称为电磁式直流伺服电动机；另一种使用永久磁铁作磁极，省去励磁绕组，称为永磁式直流伺服电动机。它具有良好的线性调节特性及快速的时间响应的特点。直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。它还具有起动转矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性的线性度好，控制方便等优点，但换向电刷的磨损和易产生火花会影响其使用寿命。近年来出现的无刷直流伺服电机避免了电刷摩擦和换向干扰，因此灵敏度高，死区小，噪声低，寿命长，对周围电子设备干扰小。 图2-6 直流伺服电动机电枢控制线路图Fig.2-6 Armature control wire road map of the direct current servo motor2.5.2 直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构主要包括三大部分：（1）定子：定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式直流伺服电动机可分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成，他励式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。（2）转子：又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。（3）电刷与换向片：为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。图2-7直流伺服电动机Fig. 2-7 Dirct current servo motor2.5.3 直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理与直流电动机的基本相同，如图2-7所示，靠近N极的电枢从左到右是ab，与电刷A接触的是换向片1，而靠近B极的电枢是cd，换向片2与电刷B相接触。直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就