常用自动控制系统设计硬件电路设计

基于LF2407的数字PID控制器和模糊PI控制器的DSP实现电路原理图是一样的，如图1所示。图1 用DSP实现数字PID控制器和模糊PI控制器的电路原理图从图2中可以看出，模拟量输入，也即被控电机的实际输出转速，通过一个限流电阻RI送到由AD8041构成的电压跟随器里，经过放大后，再经二极管D1和D2嵌位以及电阻V限流，送到LF2407的片上AD转换器中，使得AD的输人限制在0mV3300mV。LF2407一共有16路复用的片上AD转换器，本实例只采用第0通道的AD转换。由DSP计算出控制量，通过外部数据总线送给DA转换器，采用AD公司的AD7237芯片，它是8位DA转换器，由DSP的外部地址总线A2、A1、A0构成DA转换器的译码电路，DA转换器的输出采用AD7237的A相输出。LF2407由外部提供复位信号，由无源晶振提供6MHz时钟。片上AD转换器的参考电压高电平端Vrefhi接DSP电源33V，参考电压低电平端Vreflo接DSP的地。TI公司的TMS320LF24xx系列DSP是一种定点型DSP，它的功能强大的CPU为C2000DSP的应用提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力，并且该芯片集成了多种集成外设，对工业应用中的电机数字化控制非常有用，是电机数字化控制的升级换代的产品。该系列DSP具有如下一些优点。 采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压为33V，减小了控制器的功耗，另外30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns（30MHz），从而提高了控制器的实时控制能力。 片内有高达32KB的Flash程序存储器，高达15KB的数据程序RAM，544Byte的双口RAM（DARAM）和2KB的单口RAM（SARAM）。 两个事件管理器模块EVA和EVB，每个都包括：2个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制（PWM）通道。它们能够实现：三相反相器控制；PWM的对称和非对称波形；当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM通道；可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16通道AD转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机等。 可扩展的外部存储器最大共有192KB空间；64KB程序存储器空间；64KB数据存储器空间；64KB IO寻址空间。 看门狗定时器模块（WDT）。 10位AD转换器的最小转换时间是500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输人的AD转换器或者一个16通道输人的AD转换器。 控制器局域网络（CAN）20 B模块。 串行通信接口（SCI）模块。 16位的串行外设（SPI）接口模块。 基于锁相环的时钟发生器。 高达40个可单独编程或复用的通用输人输出引脚（GPIO）。 5个外部中断，其中2个电机驱动保护、复位和2个可屏蔽中断。 电源管理包括3种低功耗模式，能独立地把外设器件转入低功耗工作状态。本案例选用的TI公司的TMS320LF24xx系列的DSPTMS320LF2407A，它的PGE形式的封装图如图2所示。 图2 TMS320LF2407A DSP的PGE形式的封装图另外一个涉及到系统性能指标的关键芯片是DA转换芯片，本案例中选用美国AD公司的AD7237来进行数模转换，它的原理结构示意图如图3所示。AD7237具有如下的一些关键特点。图3 AD7237的原理结构示意图 具有完全的双12位DA转换通道，可以提高整个系统的可靠性，改善系统的稳定性，特别适用于小结构的嵌入式系统。 片上具有电压参考输人。 DA转换的输出端具有放大电路，带载能力强。 芯片的操作电压是1215V，可以双电源供电，也可以是单电源供电。 DA转换输出的典型的数据建立时间是30ns 单电源供电时，典型的芯片功耗是165mW。如图1所示的硬件电路中，AD8041构成了电压跟随器，对输入信号放大，再经二极管D1和D2嵌位以及电阻R2限流，送到LF2407的片上AD转换器中，本案例选用美国AD公司AD8041，它具有如下的一些关键特点。 多种电源形式供电，可以是3V或5V单电源供电，也可以是5V双电源供电，兼容性好。 片上提供轨到轨（Rail to Rail）的输出。 输入电压范围大，容故障能力强，在低于地电平200mV的输入电压下能正常工作。