自动化论文电动汽车驱动电机与控制系统.doc

毕 业 设 计 论 文题 目 电动汽车驱动电机及控制系统 （院）系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级0102班 学号 0101120203 号学生姓名 熊 志 勇 导师姓名 谢 卫 才 完成日期 2005年6月8日 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 电动汽车驱动电机及控制系统 姓名 熊志勇 系别 电气与信息工程专业 电气工程及其自动化 班级 0102 学号 03 指导老师 谢 卫 才 教研室主任 石 安 乐 一、 基本任务及要求： 研制一套电动汽车驱动电机及控制系统 1.掌握电动汽车驱动电机及控制系统的系统结构及设计方法，了解电动汽车电机及驱动系统的发展。 2.确定总体方案，完成总体设计与论证 3.电机电磁方案设计与研究 4.控制系统硬件和软件设计 5.编制技术文件 二、 进度安排及完成时间： 3月7日 老师布置任务，下达设计任务书 3月7日-26日查阅资料、撰写文献综述和开题报告 3月27日-4月9日 毕业实习、撰写实习报告 4月10日-5月30日 毕业设计 6月1日-6月14日 撰写毕业设计论文 6月15日-6月17日 指导教师评阅、电子文档上传FTP 6月17日-6月20日 毕业设计答辩（公开答辩、分组答辩） 6月21日-6月23日 毕业设计成绩评定 6月24日-6月30日 毕业设计资料归档 湖南工程学院毕业设计论文目 录摘 要1Abstract 2 第1章 绪论 31.1电动汽车的发展背景31.1.1资源问题 31.1.2环保问题 31.1.3汽车产业结构问题31.1.4电动车目标市场分析31.2电动汽车的行业风险分析41.2.1产业风险 41.2.2技术风险41.3 电动汽车行也的前景与展望51.4 课题研究的内容与意义 5第2章 稀土永磁无刷直流电动机的组成与原理 62.1 电动汽车用电动机的种类 62.2 组成环节 62.2.1电动机本体72.2.2 逆变器72.2.3 转子位置传感器72.3 工作原理8第3章 TMS320LF2407的简介113.1 DSP的发展现状113.1.1 DSP芯片的基本结构和特征 113.1.2 DSP芯片的结构特点153.2 TMS320LF2407 DSP控制器163.3 TMS320LF2407 DSP控制器主要功能173.4事件管理模块203.5CAN控制模块213.6片内外设223.7DSP仿真开发工具的选择22第4章 系统总体设计方案与控制策略研究264.1系统总体设计方案264.1.1 主回路264.1.2位置检测方案264.1.3 速度检测方案264.1.4 电流检测方案264.1.5 速度调节方案274.1.6 电流调节方案274.2 PID调节的基本原理284.2.1 PID调节器各参数对控制效果的影响294.2.2 常用的PID参数的整定方法294.2.3 PID控制器的局限性和及其发展方向30第5章 系统软硬件实现方案 325.1 数据处理板325.1.1 速度及其位置检测器-QEP电路325.1.2 用比较单元和PWM电路产生PWM波形335.1.3 A/D转换电路及实现345.1.4保护电路355.2 功率驱动板355.2.1驱动集成电路PM300CVA060355.2.2光耦电路365.3 COFF文件格式365.4 汇编语言的编程实现365.4.1 主程序的实现375.4.2 中断程序的实现375.4.3 CAN总线通讯设计39参考文献 45致谢48附录 A TMS320LF2407功能结构图49附录 B 调速系统硬件结构原理图50 湖南工程学院毕业设计论文电动汽车驱动电机及控制系统摘 要：随着石油资源的减少和人们环保意识的提高，电动汽车的发展越来越受到人们的重视，各大汽车公司都投入到了电动汽车的开发当中，我国也将电动汽车作为开发的重点，投入了大量的资金支持开发。电动汽车的开发呈现一种欣欣向荣的景象。本课题是电动汽车电机及控制系统，电动汽车采用永磁无刷直流电机作为驱动电机，本设计使用TI公司的TMS320LF2407DSP芯片作为其核心控制芯片，利用DSP芯片的高速计算能力和先进的外设，实现其驱动装置的全数字化控制。其核心控制算法采用双闭环PID算法，采用了TMS320LF2407以后，不仅简化了系统的外围设备，降低了系统的功耗，而且还提高了系统的准确性和实时性，获得了更好的控制效果。本论文重点进行了下面几个方面的研究工作：了解稀土永磁无刷直流电机的工作原理；仔细研究了TMS320LF2407的结构和工作原理；控制方案的选择和制定；编写驱动装置控制器的软件部分；程序的调试 和结果分析；CAN协议的研究和CAN通讯的实现。实验证明了控制软件的正确性和控制方案的可行性。关键词:电动汽车，永磁无刷直流电动机，DSP, CAN，全数字化The Driving Electric Machinery and the Control System of Electrical VehicleAbstract：Along with the reduce of petroleum resource and enhancement of environment protecting consciousness, electric motor becomes more and more important to people. What is more, some famous motor manufacturers begin to research electric motor. The government of China has already plough a large quantity of fund into the development of electronic motor. TMS320LF2407 DSP of TI corp. will become core of controlling. Using speed calculating capability and advanced peripheral device to realize digitalized control of driving device. Core of control arithmetic is double closed loop arithmetic. Exterior facility of system become simple, reduces power and enhances veracity by using DSP chip. The paper emphasis on several work described as follows: Theory of thulium no-brush DC motor will be research. The framework and theory of TMS320LF2407 will be research. Selecting and establishing the method of control. Writing the soft of control arithmetic. Debugging program and analyzing result. The research of CAN protocol and the realization of CAN communication.Keywords: Electrical Vehicle, BLDC, DSP, CAN, figure第1章 绪 论1.1 电动车的发展背景分析电动汽车是最近几年，汽车工业研究和开发的重点，全世界各大汽车公司全都投入了大量的资金进行电动汽车的开发，我国也将电动汽车作为汽车工业的重点发展方向。1.1.1 资源问题研究表明，目前世界石油蕴藏量按现在的消耗量(消耗增量)仅可供50-70年，此研究已为世界所公认。中国国防报2000年8月16日报道，中东地区的石油开采年限为87年，亚太地区为16年，北美为16年，欧洲为9年。我国石油储量仅占世界2%，自1993年开始，我国己变为石油净进口国，2000年我国进口石油7000万吨，预计2005年后将超过1.5亿万吨，相当于科威特一年总产量。随着我国进入汽车消费普及期，汽车拥有量将迅速增加，能源紧张状况将日趋严峻。近年来，石油价格猛涨。石油与国家安全密切相关，其作为一种战略物质大量进口必然受制于人，该问题己引起各国的极大重1。1.1.2 环保问题从环境角度讲，我国的环境污染十分严重，世界环境污染最为严重的十大城市中，我国就占了7个。汽车排出污染物有HO, HC. NOx和微粒等，它们会对人类的身体健康造成危害;另外，汽车排出的CO2虽然对人体的健康无害，但它会造成温室效应，破环大自然的生态平衡，对大气环境造成严重的影响。特别是在中国加入WTO后，汽车关税逐年下降，2006年7月降到25%，进口汽车的环保性具有很强的竞争力。发展电动汽车，实现汽车工业的可持续发展，已经形成了共识。1.1.3 汽车产业结构问题面对国外竞争对手强大冲击，我国弱小的汽车工业举步维艰，新一代汽车，实现产业化，可以促进我国汽车工业实现跨越式发展发展。开发电动车有两次高潮，一次是二战期间，当时汽油都用于战争；另一次是第一次中东战争期间，美国联合其他国家开发电动车，水平又有所提高。目前各国电动车研发水平差距并不太大，基本在一条起跑线上。因此，电动车的开发有利于调整我国汽车产业结构，提高竞争力，努力缩短与其他国家的差距。1.1.4 电动车目标市场分析迫于能源与环保的压力，世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域，但是由于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车要实现商品化还有相当长的路要走，而混合动力汽车技术相对较为成熟，由于采用了精湛的机电祸合技术和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能、低能耗和低排放。因此，日本、美国等多家汽车公司己经和正向市场推出各种混合动力汽车产品，最近欧洲六大汽车公司联合就混合动力汽车技术进行了研讨和综合论述，认为其技术成果有望使混合动力汽车的成本接近于传统汽车，使用户有能力支付，生产厂商也有利可图。专家普遍评价:混合动力汽车是21世纪初汽车产业界的一场革命，只有混合动力汽车才能满足世纪之初对汽车的环保与节能要求。从国内市场来看，由于经济的持续快速增长，城市规模不断扩大，大型公交车数量将呈现迅速增加的趋势。近年来，各大城市已纷纷将推广使用清洁公交车作为净空气、改善环境的一项重要措施，特别是北京申办2008年奥运会的成功，更为洁净型城市公交车的迅速发展提供了极佳的市场机遇。1.2 电动车行业的风险分析电动汽车的开发也是具有很大的风险性，电动汽车的开发需要投入大量的资金和人力，这就不可避免的带来了产业的风险性。1.2.1 产业风险电动汽车在社会与经济可持续发展过程中的作用是无可质疑的，电动汽车代表了21世纪汽车工业的发展方向，这是行业的共同认识。但是，真正将电动汽车发展提上议事日程并完全产业化有待时日，这是因为在关键技术上还有待突破性的进展。电动汽车某些技术的不成熟性似乎成了否定电动汽车发展的重要理由。普通消费者在技术信心和环保意识方面的认识不到位，也成为了制约电动汽车产业迅速发展的重要因素。1.2.2 技术风险蓄电池是电动汽车的动力源泉。目前，制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想。电动汽车蓄电池的主要性能指标是能量、功率和使用寿命等。要使电动汽车能与内燃机汽车相竞争，关键是开发出能量高、功率大、使用寿命长、成本低的蓄电池。此外，在控制系统等相关领域的技术也有待突破。我国在电动汽车领域与国外同行的综合差距约为5年，较之传统汽车领域具有明显的后发优势。但是，加入WTO之后，国内电动汽车将面临来自世界汽车跨国公司在电动汽车技术领域的强力竞争。电动车的四大构件中，车架、控制器、电机已经不是问题，但电池仍是一大瓶颈。国际上现有的解决方案有三种:常规蓄电池(如铅酸、镍氢和锉离子电池)，城内电动、郊外汽油的混合方式以及氢氧、铝空气、锌空气等燃料电池。混合方式是最容易做到的，但只能是过渡办法;蓄电池最大的问题是重量太重，性能最好的铿电池速度快了又容易爆炸；在燃料电池中，氢氧燃料电池无疑是最好的，但储氢困难以及催化剂铂全球储量极低，使之在20到30年内很难商业化。铝空气在充电时退氧还原很困难，锌空气的民用还需要时间。1.3 电动车行业的前景展望我国政府十分重视电动车辆的研究和开发，在“八五”和“九五”期间，已先后将电动汽车列为国家重大科技攻关和产业工程项目。“十五”国家863计划“电动汽车重大专项”是科技部己确定的12个重大科技专项之一，于2001年10月正式启动，国家直接投入大量的资金，资金投入量位居第二位。电动汽车重大专项首批一共启动了5个整车课题，根据963课题管理“择优支持、动态调整”的原则，通过对前期课题执行情况进行验收、评审和答辩、国家科技部对项目单位、项目资源进行了整合、筛选，并在2003年实行课题滚动实施，进一步收缩战线，加大支持力度。在今后5年里，该项目将获得国家10亿元资金的支持，同期地方和企业配套的资金合计约40亿元。因此，随着国家“十五”863电动汽车重大科技专项的正式启动，全国各地将掀起一股研制和开发电动汽车热潮，产业化步伐将明显加快，我国汽车工业开始面临由传统内燃机汽车向电动汽车转型的关键时期。1.4 本课题研究的内容和意义本课题采用的驱动电机为稀土永磁无刷直流电机，控制器主要是采用德州仪器公司的2000系DSP中的TMS320LF2407作为核心控制芯片，利用其先进的外设和高速的运行速度实现无刷直流电机的全数字化控制和提高控制系统的性能。采用 TMS320LF2407进行全数字化有下面几点意义:(1) 采用了TMS320LF2407进行全数字化设计后，控制器的体积较以前模拟控制器的体积将大为减小，这样更有利于在电动汽车上进行安装 。(2) 采用了TMS320LF2407进行全数字化设计后，利用DSP的高速的计算速度可以进一步提高控制的准确性和实时性，从而实现更好的控制效果。(3) 采用了TMS320LF2407后进行全数字化设计后，利用TMS320LF2407的高速的计算速度可以通过数字滤波等方法进一步提高控制器的抗干扰的能力，降低控制器对工作环境的求。本课题实现过程中的关键性技术问题主要有:磁极位置检测、PWM波的产生和电动机速度的控制。第2章 稀土永磁无刷直流电动机的组成与原理2.1 电动汽车用电动机的种类作为电动汽车的驱动装置有交流电机和直流电机两种选择。因直流电动机控制系统简单，不需要逆变装置，响应快速性好，因而在早期被广泛的使用。但是直流机采用电刷和换相器进行电流换相，会产生电火花并有磨损，加上直流机体积、重量都较大等缺点，使人们一直在思索一种更好的驱动系统。随着电力电子技术的迅速发展，最近的电动汽车上已经开始大量的采用交流电机。电动汽车中用的电机，到目前为止主要是直流电机、开关磁阻电机、改进了控制性能的感应电机和永磁无刷直流电机等。永磁无刷直流电机同其它电机相比具有几个明显优点:永磁无刷直流电动机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了任何由电刷引起的问题。永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易散发出去;结构也变得简单，并且节省了空间使其磁场损失也得到了减少。它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震荡等现象。它的起动、调速特性类似于直流电机，控制简单，同时也克服了同步机的缺点，又具有功率因数好的优点。有刷直流电动机作为控制用电动机，有着优良的特性。如果把作为有刷直流电动机唯一缺点的机械换向机构用电子元件替代，去掉电刷和换向器，则有刷直流电动机就变成了无刷直流电动机。为实现电子逆变，必须检测转子的磁极位置、使用半导体开关元件。但直接把以前的电动机的换向机构进行电子化并不是良策，经过不懈的努力变成了现在的能方便实现无刷换相的电动机结构形式-稀土永磁无刷直流电机。2.2 组成环节稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、逆变器(电子开关线路)和转子位置传感器三部分，如图2.1所示4。 图2.1 无刷直流电机的结构当某一相定子绕组通电时，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电磁转矩，驱动转子旋转。由转子位置传感器将转子磁钢的位置变换成电信号，去控制电子开关线路，使定子各相绕组按一定次序导通，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。因此，所谓稀土永磁无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电动机本体、电子开关线路、以及转子位置传感器三者组成的“电动机系统”。2.2.1 电动机本体稀土永磁无刷直流电动机所采用的电动机本体，在结构上与稀土永磁同步电动机相似，但是没有笼形绕组和其它起动装置。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由稀土永磁体按一定极对数(2p=4.)组成。电动机转子的稀土永磁体磁钢与稀土永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢作用相似，均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安装在转子上，而有刷直流电动机的磁钢安装在定子上。2.2.2 逆变器稀土永磁无刷直流电动机的逆变器用来控制电动机定子上各相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的逻辑关系分配给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才能去控制逻辑开关单元。逆变器主电路有桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与逆变器的联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态和三相星形三状态。早期的无刷直流电动机的逆变器多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零， 造成换流困难，而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型器件的发展，现在的逆变器在大功率、低频时多由GTO,GTR器件组成，在中小功率的电动机中逆变器多由功率MOSFET或IGBT构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。2.2.3 转子位置传感器转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，并向控制器提供位置信号的一种装置。它有直接式和间接式两类。直接式位置传感器，由于其检测精度和可靠性高而被广泛采用。典型的直接式位置传感器有下列几种:(1) 光电式它是由发光二极管和光敏晶体管等光电元件组成的电路，利用有槽口的旋转圆盘的位置进行通断变化。这种方法检测分辨率高，适用于高速运转的电动机。(2) 电磁式它是由跟随着电动机转子转动的带缺口的导磁圆盘和固定不动的三只差动变压器组成。转动圆盘体现转子位置信号，差动变压器作为检测元件检测转子位置信号并向逆变器的控制电路输出控制信号。这种方法结构简单、检测可靠，经常采用。(3) 磁敏式常见的磁敏式传感器有霍尔元件、霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。其主要工作原理是电流的磁效应，这包括霍尔效应和磁阻效应。它的转子是永磁结构，其极数与同步电动机的一样，而定子用霍尔元件等磁敏元件来感受转子磁极位置，发出相应信号。这种方法信号较弱，且精度易受温度影响，但体积较小，多用于中小型电动机。(4) 接近开关式利用磁性旋转圆盘的远近来改变固定部分的电感，并利用振荡条件的变化建立通断信号。这种方式结构简单，输出电平高，适用于大中型电动机。间接式位置传感器是利用电枢绕组的感应电动势间接检测转子位置。但是种方法只能在有感应电动势的情况下有效。2.3 工作原理一般的直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电动机运转。无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通过的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。BLDC的运行还需要转子位置检测器检测出转子位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的旋转，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢的通电状态使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变，因此就可以产生恒定的转矩使BLDC电动机运转起来。由于转子的气隙磁通为梯形波，由电机学原理可知，电枢的感应电动势亦为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。BLDC电动机三相电枢绕组的每相电流为120。通电型的交流方波，反电动势为120“梯形波。只要控制逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。但是定子方波电流的通电时刻与感应电动势波形、转子磁极位置有严格的对应关系，不然会产生大的转矩脉动，使平均转矩减小。BLDC 三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点是简单，一个可控硅控制一相的通断，每个绕组只通电1/3的时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用，在运行过程中的转矩波动较大，从Tm/2到Tm。所以最好采用三相全控式电路。如图2.2示出了一种三相全控电路，在该电路中，电动机的绕组为Y联结。V1, V2 . . V6为六个功率器件，起绕组的开关作用。采用两两通电，三相6状态方式，所谓两两通电方式就是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期(60。电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管一次导通120。电角度。各功率管导通顺序一次是TIT6- TIT2- T3T2- T3T4- T5T4- T5T6。 图2.2 BLDC三相全控电路如图2.3所示，就是在这种换相方法下的绕组导通顺序。功率管各有三个状态，即高阻状态(F)绕组不导电;高电压状态(H)绕组接到电源正端，有电流六入；低电压状态(L)，绕组接到电压负端，有电流流出。 图2.3 定子三相电流导通顺序相电流和相电动势波形如图2.4所示，各相电流每次导通时间均为120电角度。图2.4 理想的相电流和相电动势波形第3章 TMS320LF2407简介3.1 DSP的发展现状当前，电子产品正在经历着从模拟到数字的转化，在这场数字化的革命当中，DSP器件适时而动，取得了飞速的发展，成为集成电路中紧随微处理器与微控制器之后，升起的又一颗引人注目的“明星”。DSP从广义上可以翻译为数字信号处理，而狭义上又可以翻译为数字信号处理器。它属于MPU的范畴，它的发展大致可以分为以下四个阶段:20世纪60到70年代，是数字信号处理的理论研究阶段，比较有代表性的著作是Digital Signal Processing。在此阶段，在通用计算机上进行算法的研究和系统的模拟和仿真。受当时的电子发展水平的限制，信号处理基本上都是模拟的方法。20世纪70年代，数字处理算法、数字滤波、频谱分析采用通用计算机实现。在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU(微处理器)来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直到70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。20世纪80年代，开始采用专用的DSP器件。70年代末到80年代初产生第一代DSP。第一代的DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音成和编码解码器中得到了广泛应用。这类器件采用哈佛结构，即将指令和数据的存储空间分开，各自具有自己的地址和数据总线，计算能力得到提高。1982年，TI生产出他们的第一款DSP芯片TMS32010，它的运算能力是5MIPS (Million Instructions Per Second)。DSP芯片的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。80年代后期第三代DSP产生，运算速度进一步提高，其应用范围也逐渐扩展到计算机和通讯领域。20世纪90年代，DSP发展最快，相继出现了第四代、第五代DSP.现在的DSP属于第五代，与第四代相比，他的集成度更高，将DSP芯核、存储器以及外围器件集成到单一芯片内部。DSP内部使用流水线(Pipeline)、并行指令和多核结构。应用范围大大扩展，逐渐渗透到人们日常生活的方方面面。现在TI生产的TMS320C64x系列DSP最高运算速度可以达到5760 MIPS，也就是每秒执行57.6亿个指令。而目前速度最快的DSP已经达到9000MIPS。在七八十年代，DSP还是个费解的名词，只有在大学里和军用航空航天部门才能偶尔听到。而在数字化和信息化的今天，DSP己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电子产品中不可或缺的基础器件。DSP技术的提高和CPU相似，己经成为决定电子产品更新换代的决定因素。最早开展DSP业务的是美国的几家大公司。TI声称是它在1982年首先将DSP器件引入市场;而Lucent则说，它的前身在1978年就做出DSP器件，供其集团内部通信产品应用。1978年AMI公司发布的S2811, 1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920都是DSP芯片诞生的一个主要里程碑。这几种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的UPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。 表3-1 TI DSP发展比较表经过20年的发展，DSP产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面。有人预言，二十一世纪将是一个数字化世纪，而DSP则是这个数字化世纪的信息处理核心。3. 1.1 DSP芯片的基本结构和特征DSP芯片，也就是数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。它最大的特色是强大的数据处理能力和高速运行速度。为了达到快速进行数字信号处理的目的，DSP芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。为了快速地实现数字信号处理运算，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下面以TMS320系列为例介绍DSP芯片的基本结构。TMS320系列DSP芯片的基本结构包括56。(1)哈佛结构；(2)流水线操作；(3)专用的硬件乘法器；(4)特殊的DSP指令；(5)快速的指令周期。这些特点使得TMS320系列DSP芯片可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算(例如乘法)能够在一个指令周期内完成。下面分别介绍这些结构特789。哈佛结构:在计算机、微处理器和单片机中，为了既实现各部分之间的数据传输，又能最大限度的简化硬件电路，普遍采用了总线结构。图3.1所示为微处理器或单片机系统的总线结构:总线上数据采用分时操作的方法，在任何时刻，系统中只能有两个电路与总线实现有效连接。这就是目前所有的计算机和微机的串行总线结构，也就是冯诺曼(Von Neuman)结构。 图3.1 微处理器或单片机总线结构哈佛结构是不同于传统的冯诺曼结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中的程序总线和数据总线是分开独立的，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指令和执行指令能完全重叠运行。也就是在取指令的同时可以执行另外一条指令。为了进一步提高运行速度和灵活性，TMS320系列DSP芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性:二是指令存储在高速缓冲器(Cache)中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令。节约了一个指今周期的时间。其结构如图3.2所示。流水线操作10。流水线操作是与哈佛结构相关的。为了加速DSP的指令执行速度，DSP芯片都采用流 图3.2 DSP中的哈佛结构水线操作。在指令执行期间，指令流水线由几个阶段组成，根据不同的DSP一条指令可以分为2-6段不等。TMS320LF2407流水线具有4个独立的阶段:取指令、指令译码、取操作数、执行指令。这样在任何给定的操作之内，1-4条指令可以被激活，在同一时刻每条指令处于不同的阶段。图3.3示单字、单周期指令且无等待状态执行的4级流水线操作: 图3.3 四级流水线操作专用的硬件乘法器11:在数字信号处理当中，乘法运算是出现频率最高的运算之一，乘法速度越快DSP处理器的性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成。DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。在TMS320系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。特殊的DSP指令12。DSP芯片的另一个特征是采用特殊指令。例如DMOV就是一个特殊的DSP指令，它完成数据移位功能。在数字信号处理中，延迟操作非常重要，这个延迟就是由DMOV来实现的。TMS32010中的另一个特殊指令是LTD，它在一个指令周期内完成LT, DMOV和APAC三条指令。LTD和MPY指令可以将FIR滤波器抽头计算从4条指令降为2条指令。在第二代处理器中，如TMS320C25，增加了2条更特殊的指令，即RPT和MACD指令，采用这2条特殊指令，可以进一步将每个抽头的运算指令数从2条降为1条:RPTK 255 ；重复执行下一条指令256次MACD ；LT， DMOV， MPY及APAC快速的指令周期：哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令，再加上集成电路的优化设计，可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。TMS320系列处理器的指令周期己经从第一代的200ns降低至现在的20ns以下。快速的指令周期使得DSP芯片能够实时实现许多DSP应用。3.1.2 DSP系统的结构特点DSP就是一个高速高性能的微处理器，与单片机数字系统相似，图3.4所示典型的带模拟信号的DSP系统13。 图3.4 典型的DSP系统输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作(MAC)。数字处理是DSP的关键。最后，经过处理后的数字样值再经D/A变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。必须指出的是，上面给出的DSP系统模型是一个典型模型，但并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件。如语音识别系统在输出端并不是连续的波形，而是识别结果，如数字、文字等;有些输入信号本身就是数字信号(如CD: Compact Disk)，因此就不必进行模数变换了。数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点:(1)接口方便:DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多;(2)编程方便:DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级;(3)稳定性好:DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高;(4)精度高:16位数字系统就可以达到10-5的精度;(5)可重复性好:模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产;(6)集成方便:DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。所有这些突出的优点己经使其在众多领域得到越来越广泛应用。3.2 TMS320LF2407 DSP控制器TMS320LF2407芯片作为DSP控制器24x族TMS320LF24x系列的新成员，是TMS320C2000平台下的一种定点DSP芯片。几种先进的外设被集成到芯片内，形成了真正的单芯片控制器，是一种低成本，低功耗，功能强大的电机运动数字化控制升级产品。其DSP芯核为16位，运算速度是30MIPS。如图3.5为TMS320LF2407的PGE封装图14。 TMS320LF2407芯片内含 10位单极性A/D转换模块，A/D采样总共有 16个通道，最小转换时间为500ns，即可实现对电机的三相电压采样无需进行相位补偿。但由于是单极性的，所以对交流采样时要加提升电路，使交流信号电压范围在0.3V-3V之间。6路脉宽调制PWM输出，可用于变频调速系统中对电机的控制。3路捕获单元CAP，可用于记录脉冲的宽度，从而可以为FFT算法提供时间基准以及与转速测量用的光栅编码器接口，以测量电机转速。如图3.6是TMS320C24x DSP控制器的CPU结构框图，图2.7是TMS 320LF2407 DSP控制器的功能块框图15。3.3 TMS320LF2407 DSP控制器主要功能TMS320LF2407芯片主要功能介绍:(1)高性能静态CMOS技术33ns指令周期时间(30MHz )； 图3.5 TMS320LF2407的PGE封装图30MIPS的执行速度；低功耗3.3V设计。 (2)基于TMS320C2xx DSP的CPU核:代码与F243/F241/C242兼容；指令周期和模块与F240/C240兼容；源代码与TMS3201x/2x兼容。(3)片内存储器高达32K字(X16位)的FLASH EEPROM程序寄存器(4个部分)；高达2.5K字(X16位)的数据/程序RAM544字的DARAM;2K字的SARAM(4)ROM引导SCI/SPI FLASH引导装入(Bootloader )。(5)两个事件管理器模块EVA和EVB，每个模块包括:两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制(PWM)通道，它们使能:(a)三想变换器控制；(b)PWM可中心或边缘调整；(c)当外部引脚出现低电平时，快速关闭PWM通道。可编程的死区时间以防止出故障时。 图3.6 TMS320C24x DSP控制器的CPU结构图动作；用于外部事件时间捕获的3个捕捉单元；片内正交编码器接口电路；同步A/D转换:控制交流感应、BLDC、开关磁阻、和步进电机的设计；适用于多电机和变换器控制。 图3.7 TMS320C24x DSP控制器功能快框图 (6)外部存储器扩展接口总共192K字(X16位)的存储器:64K字程序存储器;64K字数据存储器;64K字I/O存储器。(7)看门狗定时器模块(WDT )(8)10位A/D转换器8或16个多路输入通道；最小转换时间500ns；可选择由两个事件管理器来触发两个8输入通道的A/D转换。(9)控制器局域网(CAN) 2.0B模块。(10)串行通信接口(SCI)(11)16位串行外围接口模块(SPI )(12)基于锁相环(PLL)的时钟发生器。(13)高达40个可单独编程或复用的输入/输出引角(GPIO ).(14)电源管理3种低功耗方式:能独立将外围器件转入低功耗方式。(15)基于扫描的JTAG实时仿真接口，符合IEEE标准1149.1(JTAG) e(16)封装形式为:(17)工作温度范围(A和S)A:-40到85V;S:-40到125 0C。TI公司的TMS320LF240x系列是专门为控制应用和数字运动控制领域设计的DSP控制器。TMS320LF2407芯片是DSP控制器24x族TMS320LF24x系列的新成员，是TMS320C2000平台下的一种定点DSP芯片，几种先进的外设被集成到芯片内，形成了真正的单芯片控制器，是一种低成本，低功耗，功能强大的电机运动数字化控制升级产品。其CPU芯核为16位，运算速度是30MIPS16171819。TMS320LF247芯片内含10位单极性A/D转换模块，A/D采样总共有16个通道，最小转换时间为500ns，可实现对电机的三相电压采样无需进行相位补偿。但由于是单极性的，所以对交流采样时要加提升电路，使交流信号电压范围在0.3V-3V之间20。6路脉宽调制PWM输出，可用于变频调速系统中对电机的控制。3路捕获单元CAP，可用于纪录脉冲的宽度，从而可以为FFT算法提供时间基准以及与转速测量用的光栅编码器接口，以测量电机转速。3.4 事件管理器“事件管理器”可输出PWM脉冲，直接控制电机功率驱动器，是专门为电机控制而设计的，它还包括定时器、捕获/比较、死区控制逻辑、空间矢量PWM发生器和直接与光电编码器接口的编码单元等功能模块。通用定时器:TMS320LF2407共