液压伺服控制系统的工作原理.ppt

参考书 1TMS320LF240 xDSP结构 原理及应用 刘和平 北京航空航天大学出版社 2TMS320LF240 xDSPC语言开发应用 刘和平 北京航空航天大学出版社 3 TMS320LF240 xDSP原理及应用开发指南 赵世廉 北京航空航天大学出版社 4TMS320LF LC24系列DSP的CPU与外设 徐科军等编译 清华大学出版社 5TMS320LF LC24系列DSP指令和编程工具 徐科军等编译 清华大学出版社 6DSP控制器实用教程 牛小兵等 国防工业出版社 7DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用 韩安太等 清华大学出版社 8电机的DSP控制技术及其应用 谢宝昌等 北京航空航天大学出社 主要内容 主要内容 1 电机控制系统相关知识2 DSP2407内部结构3 汇编语言4 数字I O接口5 中断6 事件管理器考核方式 平时成绩 考试成绩 第1章绪论 1 1DSP概述1 2电机控制系统相关知识 1 1DSP概述 1 1 1DSP含义1 1 2DSP技术的发展及现状1 1 3DSP的应用1 1 4单片机 嵌入式微处理器和DSP1 1 5DSP基本结构及主要特征1 1 6DSP处理器的选择 1 2电机控制系统相关知识 1 2 1信号检测1 2 2逆变技术1 2 3PWM控制技术1 2 4空间矢量调制技术 SVPWM 1 1 1DSP含义 DigitalSignalProcessing 数字信号处理 DSPDigitalSignalProcessor 数字信号处理器 1 1 1DSP含义 数字信号处理 任务 对数字信号进行处理的理论和方法 信号分析 对信号特性进行测量和识别 谱分析 语音分析 特征识别 目标检测 信号滤波 从含有噪声的数据中提取有用信息 滤除背景噪声 干扰 频带分割 1 1 1DSP含义 数字信号处理器 早期 现在 DSP DSP技术 用于数字信号处理的可编程微处理器 算法只能在计算机上仿真实现 在DSP上实时处理 国内常用DSP代表数字信号处理器 用通用DSP处理器或基于DSP核的专用器件 来实现数字信号处理的方法与技术 1 1 2DSP技术的发展及现状 1965年FFT的推出 为数字信号处理的应用奠定了基础20世纪70年代集成电路技术的发展 用硬件实现FFT和数字滤波的算法已经成为可能 1978年AMI公司第一片单片DSP问世 1979年美国Intel公司发布了商用可编程器件29201980年日本NEC公司推出的 PD77201981年美国贝尔实验室推出16位字长的DSP芯片DSPI 1 1 2DSP技术的发展及现状 TI公司的主要产品包括 第一代DSP芯片 第二代DSP芯片 第三代DSP芯片 第四代DSP芯片 第五代DSP芯片 TMS32010 TMS32011 TMS320C10 C14 C15 C16 C17 TMS32020 TMS320C25 C26 C28 TMS320C30 C31 C32 C33 TMS320C40 C44 TMS320C50 C51 C52 C53 1 1 2DSP技术的发展及现状 TI公司的三大系列产品 1 面向数字控制 运动控制 2 面向低功耗 手持设备 无线终端应用 3 面向高性能 多功能 复杂应用领域 TMS320C2000系列 C24x F24x LC240 x LF240 x LC240 xA LF240 xA 320F28xx TMS320C5000系列 C54x C54xx C55x TMS320C6000系列 C62xx C64xx C67xx 1 1 2DSP技术的发展及现状 DSP芯片发展趋势 数字信号处理理论 向高性能 高速度 低功耗方向发展 在不断发展 1 自适应滤波 卡尔曼滤波 同态滤波等理论 2 各种快速算法陆续推出 3 声音与图像的压缩编码 识别与鉴别算法 4 加密解密 调制解调 信道辨别与均衡 智能天线 频谱分析等算法 1 1 3DSP的应用 1 数字信号处理运算 快速傅立叶变换 卷积 数字滤波 自适应滤波 模式匹配 加密等 2 通信 调制解调器 数据加密 数据压缩 纠错编码等 3 语音处理 语音编码 语音合成 语音识别 4 自动控制 机器人 磁盘 声控 发动机 电机 5 激光打印机 扫描仪和复印机 6 自动测试诊断设备及智能仪器仪表 虚拟仪器 7 医疗仪器 助听 诊断工具 超声仪 CT 核磁共振 8 家用电器 数字电话 电视 音乐合成 数码相机 掌上电脑电子辞典 录音笔 复读机 MP3 玩具与游戏等 9 汽车 自动驾驶 防滑刹车 引擎控制 伺服控制 振动分析 安全气囊的控制器 视像地图等 1 1 4DSP 单片机 嵌入式微处理器 单片机20世纪70年代任务 缺点 适用范围 微控制器或嵌入式控制器 是为中 低成本控制系统设计和开发的 单片机开始在电机控制系统中广泛使用 控制算法 输入输出处理 显示 外部扩展 可靠性 可维护性降低 速度慢 控制精度 性能要求不高的场合 1 1 4DSP 单片机 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器基础 与工控机相比 流行嵌入式微处理器 与DSP的相比 通用计算机中的CPU 优点 体积小 重量轻 成本低 可靠性高缺点 系统的可靠性低 技术保密性差 必须扩展ROM RAM 总线接口 各种外设 ARM7 ARM9系列 存储器空间大 可配置实时多任务操作系统 1 1 4DSP 单片机 嵌入式微处理器 DSP能够高速 实时地进行数字信号处理运算 1 DSP中设置了硬件乘法器 在单个指令周期内完成乘 加运算 2 在指令系统中设置了 循环寻址 及 位倒序 寻址指令 3 设置了单独的DMA总线及其控制器 4 DSP内部使用的流水线技术 DSP与单片机 嵌入式微处理器相比 在多DSP核并行工作 速度快 功耗低 完成各种数字信号处理算法方面尤为突出 1 1 4DSP 单片机 嵌入式微处理器 DSP 单片机以及嵌入式微处理器三者各有所长 可根据实际需要进行选择 单片机适于低功耗 低成本 小体积 并且控制性能和精度要求不高的场合 DSP则适利于成本和功耗相对较低 尺寸较小 但需进行数字信号处理的场合 1 1 4DSP 单片机 嵌入式微处理器 FPGA Field ProgrammableGateArray 结构 工作原理 现场可编程门阵列 半定制电路 逻辑模块 输出输入模块 内部连线 上电时 数据从EPROM 片内编程RAM配置完成后 FPGA进入工作状态 断电后 恢复成白片 1 1 5DSP基本结构及主要特征 一 采用程序和数据分开的哈佛结构二 流水线操作三 设置专门的硬件乘法器四 特殊的指令五 丰富的片内存储器件和外设六 独立的直接存储器访问总线及其控制器 1 1 5DSP基本结构及主要特征 一 采用程序和数据分开的哈佛结构1冯 诺依曼结构 程序存储器和数据存储器共用一个公共的存储空间和单一的地址和数据总线2哈佛结构 程序存储空间和数据存储空间分开 程序和数据都有各自的地址和数据总线冯 诺依曼结构哈佛结构 1 1 5DSP基本结构及主要特征 二 流水线操作指令执行 流水线技术 将各条指令的各个步骤重叠起来执行 取指 译码 取数和执行 1 1 5DSP基本结构及主要特征 三 设置专门的硬件乘法器有限冲击响应滤波器无限冲击响应滤波器卷积离散傅里叶变换 1 1 5DSP基本结构及主要特征 四 特殊的指令例如 DMOV指令 把数据存储器指定地址处的数据复制到该地址加1的单元中 原单元的内容不变 即数据移位 相当于数字信号处理中的延迟 例如x n 的延迟为x n 1 循环寻址 及 位倒序寻址 指令和其他特殊指令 使寻址 排序的速度大大提高 从而能方便 快速地实现FFT算法 1 1 5DSP基本结构及主要特征 五 丰富的片内存储器件和外设Flash和双访问RAM存储器独立的DMA总线及其控制器时钟发生器 振荡器与锁相环PLL 定时器 timer 软件可编程等待状态发生器 以便使较快的片内设施与较慢的片外电路及存储器协调 通用I O同步串口 SSP 与异步串口 ASP 主机接口 HIP JTAG边界扫描逻辑电路 便于对DSP处理器做片上的在线仿真以及多DSP处理器条件下的调试 1 1 6DSP处理器的选择 一 数据格式二 数据宽度三 速度四 存储器的安排五 开发的难易程度六 支持多处理器七 功耗和电源管理八 器件的封装 1 1 6DSP处理器的选择 一 数据格式定点DSP芯片数据长度通常为16位 24位 32位浮点DSP芯片数据长度通常为32位 40位结论 优点 体积小 成本低 功耗小 对存储器的要求不高 缺点 数值范围较窄 必须定点定标 优点 数据动态范围宽 开发较容易缺点 硬件结构相对复杂 功耗较大 价格高 浮点运算与定点运算相比灵活性和数据的动态范围都要大 编程比较容易 但因为电路更复杂 芯片也更大 所以成本和功耗也就比较大 浮点DSP芯片用于对数据动态范围和精度要求较高的系统中 1 1 6DSP处理器的选择 二 数据宽度三 速度 浮点DSP为32位定点DSP是16位 24 32位 数据字的长短是影响成本的重要因素 MIPS 每秒执行多少百万条指令MFLOPS 每秒百万次浮点运算DSP的输入时钟和指令速率一致 1 1 6DSP处理器的选择 四 存储器的安排五 开发的难易程度 哈佛结构 高速缓存 存储空间大小 双访问存储器单元多少 软件工具 编译器 汇编器 连接器 软仿真器 调试器 代码库和实时操作系统等 硬件工具 评估板和仿真器等 高级工具 如基于框图的代码产生环境等 编程语言汇编语言 C语言 汇编与C的混合编程语言 1 1 6DSP处理器的选择 六 支持多处理器专门的接口或DMA通道 支持多DSP的运行七 功耗和电源管理降低工作电压 3 3V 2 5V 1 8V 0 9V 提供体眠与等待模式外设控制八 器件的封装表贴TQFP封装 国内使用 BGA BallGndAarry 封装 1 2电机控制系统相关知识 电机控制的发展控制电路控制策略电力电子控制器结构 模拟电路 数字和模拟混合电路 全数字电路 低效有级控制 低效无级控制 高效率无级控制 高性能智能型控制 电子管 小功率晶体管 大功率晶闸管 全控型电力电子器件 1 2电机控制系统相关知识 电机控制目标速度控制 调速系统 位置控制 运动控制 位置伺服 应用于机械 冶金 化工 造纸 纺织 矿山和交通 系统功率不大 有定位精度要求 频繁启动和制动用于雷达 导航 数控机床 机器人 打印机 复印机 扫描仪 磁记录仪 磁盘驱动器和自动洗衣机 1 2电机控制系统相关知识 直流无刷电机速度控制 双闭环直流调速系统 位置传感器 电机转子位置信号 电机转速 电流参考信号 Iref 电流偏差 PWM信号 实现对电机转速和输出转矩的控制 1 2电机控制系统相关知识 电机控制相关知识电机运行状态信号的检测位置 速度 加速度 电流 电压 力或转矩 温度 振动和噪声 压力和流量等信号转换 A D转换电路电机控制 PWM 电压空间矢量脉冲宽度调制电机驱动 逆变技术 1 2电机控制系统相关知识 1 2 1信号检测1 2 2逆变技术1 2 3PWM控制技术1 2 4空间矢量调制技术 SVPWM 1 2 1信号检测 过电流 过电压 过热和欠电压等 位置 速度 加速度 电流 电压 力或转矩 温度 振动和噪声 压力和流量等 电机检测信号 电机极限参数 电机运行状态 电流 电压 温度 转子位置和转速 1 2 1信号检测 一 电流检测二 电压检测三 温度检测四 位置检测五 速度检测 1 2 1信号检测 电阻法 电流互感器法和霍尔效应电流传感器法 优点 成本低 线路简单 响应速度快缺点 消耗能量 精度受温度影响适用 电流比较小的场合 原理 电磁感应原理测量电流适用 高压大电流的情况缺点 测量动态或低频信号 精度不高 一 电流检测 1 电阻法 2 电流互感器法 1 2 1信号检测 利用霍尔效应和磁场平衡原理设计的精密型电流检测元件 缺点 价格昂贵需要外加恒压直流电源 3 霍尔效应电流传感器 优点 可以实现电气隔离交流与直流均可测量精度高 1 2 1信号检测 二 电压检测 直接测量 电压互感器法 霍尔效应电压传感器 1 直接测量 直接放大 被测电压较小 电阻分压法 被测电压较高 直流母线电压测量 2 电压互感器法 交流高压电时使用 原理 利用变压器原理将高压变为低压后再测量 注意 没有电气隔离作用 优点 有电气隔离 抗干扰能力较强 测量简单 缺点 动态或低频等信号的测量精度不高 1 2 1信号检测 3 霍尔效应电压传感器 工作原理 与霍尔效应电流传感器类似 电流传感器被测电流的导体匝数很少电压传感器的匝数相对较多 1 2 1信号检测 三 温度检测 接触式测量方法和非接触式测量 1 接触式测量 利用热敏元件和温度传感器等进行测量 如热电偶 温度计和热敏电阻 2 非接触式测量 利用物体的热辐射 色谱等进行测量 如红外测温 光纤光栅测温和图像测温 电机控制中 温度的检测采用接触式测量 1 2 1信号检测 四 位置检测 微电机解算元件 旋转变压器和同步感应器 光电元件 绝对光电编码器 增量光电编码器 直线光栅 磁敏元件 霍尔位置传感器 电磁感应元件 接近开关 开口变压器 微电机解算元件和光电元件 测量精度较高磁敏元件和电磁感应元件 只能检测某些固定的绕组换相位置 1 2 1信号检测 1 绝对式光电编码器 组成 光电传感器 光源 透镜 码盘 光敏二极管 驱动电路 原理 给定编码 圆盘分成若干等份 配置相应元件和电路 输出编码 扇区位置角 缺点 码道图案的变化数目不明确 输出电平变化频繁 容易产生较多误差 改进 格雷码编码盘 1 2 1信号检测 分辨率 位数n表示角度分辨率 360 2n 格雷码编码盘 特点 工作稳定可靠 编码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1000 绝对式光电编码器 确定绝对位置信息 高精度 达到17位和22位 1 2 1信号检测 2 增量式光电编码器 组成 光源 透镜 主光栅码盘 鉴向盘 光敏元件 原理 编码盘随位置的变化输出一系列脉冲信号 通过对脉冲个数的记录 确定电机转动的位置 绝对位置角 设有零位脉冲 适用 检测位置和速度 1 2 1信号检测 五 速度检测 测速发电机 光电编码器 光电编码器测速 测速发电机 将转子转速信号转变为电压信号 理想情况下 输出电压与转子的转速成正比 利用定时器 计数器配合光电编码器的输出脉冲来测电机转速 1 2 1信号检测 1 测速发电机 交流测速发电机 直流测速发电机 测量输出绕组的交流电压幅值 直接测量与转子速度成正比的电压信号 优点 线性度好 信号连续 缺点 输出信号变化幅度比较大低速时信号很微弱 线性度不能保证高速时信号很强 可能超过允许值 1 2 1信号检测 2 光电编码器测速 M法测速T法测速M T法测速 1 M法测速 原理 在规定检测时间Tc内 对光电编码器输出脉冲个数进行计数 N线光电编码器 每旋转一周输出4N个脉冲 若检测时间是Tc 计数器记录的脉冲数为M1 则电机转速为 提高精度 高线数的光电编码器 适用场合 测量高转速 1 2 1信号检测 2 T法测速 在一个编码器脉冲周期内 对时钟信号脉冲进行计数 原理 N线光电编码器 时钟频率为fclk 计数器记录脉冲数为M2 每转输出4N个脉冲 那么电机每分钟转速为 适用场合 低速运行 提高精度 高线数的光电编码器 1 2 1信号检测 3 M T法测速 原理 在一定的时间范围内 同时对光电编码盘输出的脉冲个数M1和时钟脉冲M2进行计数 则电机每分钟转速为 既有M法可测高速优点 又有T法可测低速优点 测速范围广 测量精度高 在电机控制中应用十分广泛 1 2 1信号检测 4 转向判别原理 电机正转 A相信号超前B相90 方向信号Dir输出高电平 电机反转 A相信号滞后B相90 方向信号Dir输出低电平 根据信号A B相位关系 确定电机转向 1 2 2逆变技术 一 逆变技术基本概念和分类二 逆变器基本工作原理 1 2 2逆变技术 一 逆变技术基本概念和分类 整流 交流电 直流电逆变 直流电 交流电 逆变电路 完成逆变功能的电路 逆变器 实现逆变过程的装置 逆变技术 逆变理论和逆变器应用及设计方法 将直流电能转换成交流电能的技术 研究 1 2 2逆变技术 变频调速 通过改变交流电机供电频率来达到调速的目的 好处 效率高 范围宽 精度高 比较合理和理想的交流电机调速方法 逆变器十交流电机 为核心的交流电机调速系统已广泛取代传统调速系统 成为交流电机调速的主要形式 逆变技术分类 1 2 2逆变技术 二 逆变器基本工作原理 电压型逆变器 电容滤波 电压波形平直 输出阻抗低 作用 将直流电压以一定的方向和次序分配给负载的各相 电流型逆变器 电感滤波 电流波形平直 输出阻抗高 作用 将直流电流以一定的方向和次序分配给负载的各相 1 2 2逆变技术 二点三相全桥式电压型逆变器电路 功率半导体器件均为理想器件 输入 恒定的直流输出 三相负载对称 理想电路 分布电感 电容忽略不计 T1一T6 输入为高时 导通输入为低时 截止 1 2 2逆变技术 180 导电型 120 导电型 180 导电型交流输出电压较高 便于实现脉冲宽度调制控制 电压型逆变器中都采用180 导电型控制 1 2 2逆变技术 为了避免上 下桥臂开关管同时导通 要求上 下桥臂开关管的控制信号要求互补 1 2 2逆变技术 1 2 2逆变技术 180 导电型控制 逆变器的输出电压特点 对于中间直流环节的中点O 三相相电压是宽度为180 的矩形波 三相线电压是宽度为120 的矩形波 2 对于三相对称星型连接负载的中心点N 三相相电压为六阶梯波 相电压UAN和线电压UAB 基波有效值 动态响应性能差 输出电压调节不方便 系统结构复杂 输出电压 需要的基波 大量的谐波 1 2 3PWM控制技术 一 PWM控制技术基本概念二 正弦脉冲宽度调制 SPWM 原理 1 2 3PWM控制技术 一 PWM控制技术基本概念 PWM技术改善逆变装置供电下电机的工作性能 减小电机转矩脉动 提高电机的效率 扩大调速范围 截止区 电流很小I 0 损耗P I U 0饱和区 Uces 0 3 损耗P很小放大区 P I U则较大 半导体器件工作区间 1964年 德国工程人员 调制概念应用到变频调速系统 PWM控制策略 逆变装置采用 开关工作模式 1 2 3PWM控制技术 PWM控制出发点 将希望得到逆变输出电压信号 用一串等效的脉冲信号来代替 当um uc时 比较器输出高电平 当um uc时 则输出低电平 具体作法 将希望得到的逆变输出电压与载波信号进行比较 1 2 3PWM控制技术 载波比 P 载波信号频率fc与调制信号频率fm之比 P fc fm 提高载波比对改善逆变器输出波形的质量和性能有很大的帮助 调制深度 M 调制信号幅值Um与载波信号幅值Uc之比 调制深度M可以用来对PWM输出的大小进行控制和描述 M Um Uc 高频电压谐波对感性负载影响远比低频谐波小 主要谐波频率提高到音频范围外 可降低负载的运行噪声 1 载波比 P 与调制深度 M 1 2 3PWM控制技术 调制深度M 1 调制深度M 1 实际使用时 取M 1 即线性调制区 1 2 3PWM控制技术 2 器件开关频率和开关损耗 线性调制区 开关器件的开关频率fs等于载波信号的频率fc fs fc Pfm 提高开关频率对改善逆变器的输出电压质量和负载性能有利 逆变器开关频率限制 1 器件开关速度限制 IGBT 开关频率 20kHz 2 器件开关功耗限制 开关损耗 开关频率 3 微处理器处理速度 4 产生的电磁干扰 电磁干扰 开关频率 开关频率是一个需要综合考虑和评价的重要技术参数 1 2 3PWM控制技术 3 调制方式 同步调制 异步调制 分段同步调制 1 同步调制 载波比P不变的调制方式 优点 保证输出波形的对称性和谐波分布特性 缺点 不利用微处理器进行数字化控制 2 异步调制 载波信号频率不变的调制方法 优点 载波频率是固定 利于微处理器进行数字化控制可更好地抑制谐波电流 载波边频带与基波之间的相互干扰减轻电动机的谐波损耗及转矩脉动 缺点 三相PWM脉冲无法保持严格的对称关系 载波比P取为3的整数倍 1 2 3PWM控制技术 3 分段同步调制 将调制波频率分为若干个频段 在每个频段内都保持载波比P恒定不变 不同频段的P值不同 频段的划分和载波比的改变主要考虑 充分利用功率半导体开关器件的开关频率 避免控制软件过于复杂 1 2 3PWM控制技术 二 逆变装置PWM技术性能指标 1 输出电压谐波分布 逆变器 谐波 逆变器供电的设备产生不利影响 电机噪声和震动增大 电机转矩脉动加剧 采取措施抑制或消除谐波影响 2 开关器件的开关损耗 开关频率的提高受开关损耗和开关器件的开关速度限制 在较低的开关频率下 尽可能保证输出电能的质量 1 2 3PWM控制技术 3 直流环节电压的利用率 在直流环节电压 Ud 一定条件下 PWM控制所产生的最高交流输出电压Ulpmax 代表了该PWM控制策略直流电压利用率的高低 线电压利用率 Ulpmax Ud 其中 Ulpmax PWM波基波线电压峰值Ud 直流环节电压 二电平三相全桥式电压型逆变器 1 2 3PWM控制技术 三 正弦脉冲宽度调制 SPWM 原理 正弦脉冲宽度调制 用正弦波作为调制信号来控制输出PWM脉冲的宽度 使它按照正弦波的规律变化 正弦脉冲宽度调制 准最优正弦脉冲宽度调制 消除特定谐波脉冲宽度调制 空间电压矢量脉冲宽度调制和瞬时值跟踪型脉冲宽度调制 1 2 3PWM控制技术 三相SPWM逆变器最高线电压幅值 1 2 4空间矢量调制技术 直流电机调速系统 控制简单 调速性能好特点 1 直流电机的励磁电路和电枢电路是互相独立的 而异步电机的励磁电流和负载电流都在定子电路内 无法将它们分开 2 直流电机的主磁场和电枢磁场互相垂直 而异步电机的主磁场与转子电流磁场间的夹角和功率因数有关 3 直流电机是通过独立地调节两个磁场中的一个来进行调速的 而异步电机不能 1 2 4空间矢量调制技术 20世纪70年代初德国学者 提出了感应电机矢量变换控制方法 基本思想 将感应电机的定转子绕组分别经过坐标变换后等效成两相正交的绕组 并从转子磁场的角度观测实现了感应电机电气变量的解耦控制 主要研究 感应电机动态控制过程促进了感应电机矢量控制系统的实用化 1 2 4空间矢量调制技术 一电压空间矢量的定义二任意电压空间矢量的调制 1 2 4空间矢量调制技术 一电压空间矢量的定义 SVPWM 通过控制交流电机磁链空间矢量轨迹 使实际磁链逼近圆形 来达到减小电机的转矩脉动 改善电机的运行性能的目的SVPWM 直流电压利用率更高 电机的谐波电流和转矩脉动更小 电压和频率控制能同时完成以及实现简单 1 2 4空间矢量调制技术 一电压空间矢量的定义假设交流电机由理想对称的正弦电压供电 任意时刻三相绕组的相电压瞬时值分别表示为uAN uBN和uCN 则任意时刻的电压空间矢量为 1 6 其中 单位复矢量a ej2 3 1 8 1 2 4空间矢量调制技术 例1感应电机定子三相绕组的相电压随时间按正弦规律变化表示为uAN Umcos t A 1 9 uBN Umcos t A 2 3 uCN Umcos t A 4 3 电压空间矢量uvS Umej t A 平均电压空间