[硕士论文精品]基于dsp和fpga的开放式运动控制平台研究及其应用

华中科技大学硕士学位论文摘要本文主要介绍基于DSPTMS320LF2407A和CPLDMAX3128A伺服运动控制平台的设计。文中在讨论了永磁同步电机的控制策略的基础上提出了针对表面式永磁同步伺服电机的I。S0的矢量控制，介绍了通过光电码盘确定永磁同步电机转子磁极位置的方法，以及SVPWM的原理和特性及其数字实现方法。详细阐述由TMS320LF2407A和MAX3128A构建的传动控制系统平台。凸于TMS320LF2407A具有速度快、存储量大、外设丰富和功耗低等特点，已经逐渐猪代TMS320F240成为电机控制领域的主流控制器。文中着重介绍了以TMS320LF2407A为主控制器的传动控制系统的硬件平台设计，介绍接口电路的设计，并给出了原理图。随着可编程逻辑器件的发展和EDA技术的发展，CPLDFPGA由于其独特的优越性无上电复位问题、无程序跑飞问题正在传动控制领域得到越来越广泛地应用。为了提高平台的开放性，平台利用了CPLD管理逻辑信号，完成常用数字接口的设计并铺助主控制器完成了与PC机ISMPC总线的并行通讯。由于DSP和CPLD的有机结合，使系统的丌放性和二次开发能力大大提高。随着微控制器的发展和可编程逻辑器件的发展，必将推动系统的不断升级。，以上述平台为基础，设计了一个基于矢量控制的三环永磁同步伺服系统，为解决典1I系统超调和抗扰性的矛盾，将LP调节器引入系统。通过试验证明IP调节器在不影响系统抗扰性和稳态精度的前提下，大大降低了电流的超凋。工程实践证明了设计的正确性。为了满足用户对系统方便操作和监视的要求，实现参数在线修改以及故障综合，并满足一定可视性，提出并设计了基于RS232的串行通讯程序，包括两部分PC机的监控系统和数字操作器。文中详细分析了设计数字操作器的硬件模块及框图和软件流程，实际应用表明数字操作器方便了用户对系统的操纵和监视，已在实际工程中得到应用。、关键词永磁同步电动机数字信号处理器DIGII站研静PR优锶卿卜姗可编程逻辑器件CELD坦K淤J。全数字交流伺服系统数字操作器、，、，L华中科技大学硕士学位论文ABSTRACTADESIGNOFMOVINGCONTROLSYSTEMPLATFORMBASED011THEDSPTMS320LF2407AANDCPLDMAX3128AISINTRODUCEDINTHISTHESISINTHISARTITIEW啦THEDISCUSSINGTHEDIFFERENTCONTROLSTRATEGIESOFPMSMPERMANENTMAGNETICSYNCHRONOUSMOTOR，THE屯0VECTORCONTROLAGAINSTSPMSMISEXTRACTED。ANDWEINTRODUCEDTHEMETHODOFLOCATINGTHEPMSMSROTORPOLE。THETHEORYOFSVPWMANDITSDIGITALIMPLEMENTATION。THEMOVINGCONTROLFLATFORMWHICHISCOMPOSEDBY，RMS320LF2407AANDMAX3128AISREPRESENTEDTMS320F240ISGRADUALLYREPLACEDBYTMS320LF2407AWHICHBECOMINGTHEMAINCONTROLLERINTHEFIEIDOFMOTORCONTROLBECAUSETMS320U72407AHAVETHEADVANTAGEOFFAST，LARGEMEMORIES，ABUNDANTPERIPHERALANDLOWPOWERCONSUMPTION啊KHARDWAREDESIGNINWHICHTMS320LF2407AISUSEDASMAINCONTROLLERISMAINLYINTRODUCEDINTHISTHESISTHEINTERFACECIRCUITSDESIGNANDSCHEMATICDIAGRAMISINTRODUCED。FOLLOWINGTHEDEVELOPMENTOFPROGRAMMABLELOGICDEVICESANDTHETECHNOLOGYOFEDA。THECPLDFPGAISBEINGWIDELYAPPLIEDINDRIVECONTROLSYSTEMBECAUSEOFITSUNIQUESUPERIORITYRIORESETANDNOWATCHDOG。FORDEVELOPINGTHEOPENNESSOFTHEPLATFORM，THECPLDISUSEDFORMANAGINGTHELOGIC，FINISHINGTHEDESIGNOFTHECOMMONNUMERICHATEFFACEANDAIDINGTHEMAINCONTROLLERTOFINISHTHEPARALLELCOMMUNICATIONBETWEENPCTHROUGHISAORPCIBUSINTHEPLATFORMDURINGTHEFINECONJUNCTIONOFTHEDSPANDCPLD，THESYSTEMSOPENNESSANDTHEABILITYOFSECOND|YEXPLOITATIONISGREATLYINCREASEDWITHTHEDEVELOPMENTOFMICROCONTROLLERANDPROGRAMMABLELOGICDEVICES,THESYSTEMWILLBEUPGRADEDENDTOEND。BASEDONTHEPLATFORM。ADESIGNOFTHREELOOPSERVOSYSTEMWHICHBASEDONVECTORCONTROLISPRESENTEDFOREESOVLING氆OCONFLJCTIONOFOVERSHOOLANDDIST潞BANCESMODELIISYSTEM，IPCONTROLLERISUSEDINTHECURRENTLOOPDURINGTHEEXAMINATION，ITISPROVEDTHATTHEOVERSHOOTBEINGGREATLYREDUCEDWITHOUTAFFECTINGTHESYSTEMSDISTURBANCEANDPRECISIONTHEVALIDITYOFDESIGNISPROVEDBYTHEAPPLICATIONINTHEPROJECTFORSATISFYINGTHEUSERSREQUIREMENTWHICHISCONVENIENTOPERATION，MONITORING，MODILYINGPARAMETERSONLINE,ACCIDENTSSYNTHESISANDVISIBILLTY,THECOMMUNICATIONPROGRAMSBASEDONRS232ISREPRESENTED，THEREARETWOPARTSMONITORPROGRAMONPC，珏华中科技大学硕士学位论文GITAOPERATIONPANELINTHETEMWEANALYSEDTHEHARDWAREMOOULEANODIL。L，SOI【W疆L嚣LLUWOFTHEDIGITALOPERATORTHECORRECTIONISPROVEDBYTHEAPPLICATIONINTHEPROJECTKEYWORDSPMSMDIGITALSIGNALPROCESSORCPLDFPGAFULLDIGITALACSERVOSYSTEMDIGITALOPERATOR华中科技大学硕士学位论文L绪论1嘻霉L言电气传动又常称为运动控制。它是电力电子和彝动控制技术的LJ要应用领域之一。作为机电能量变抉的运动控制系统在国民经济备部门中起着重簧的作用。运动控制通过伺服驱动器，将预定的控制方案和指令转变为某种期望的机械运动。以实现转矩、速发和捷鬟等各释控翎，广泛应浠于数控梳床、工渡机器入、冶盒、亿工设备、工业自动化、褥达、军用装鬻簿领域。俸为运动控翻系统一个黧妥组袋部努酌饲鞭系统，锌醚蓿电力电子技术、徽电子技术、材料科学以及控制爨论的不断发展，伺服控制系统在经历了20世鳃60年代淤翦鞋步避奄撬驱韵魏，僚萋歼繇的滚蓬镌鞭系统；20鎏纪60笨代至70年筏豹直流伺服控制系统；到今天。已经发展到以永磁电机为主要控制对敷的全数宁伺服控秘系统。辩瘸，经历了楱羧式、数搂混合蔽_莽L全数字式羚转交过程。这种鹫黪来的是控制幸岢度的提高和控制电路的集成化，为了提高可靠性和设计的灵活性，人嚣】越来越麓德系统嚣敖性鹣掇裹。随着自动化技术的发展，伺服电机控制装置步ILC、交流、直流已越来越多地鼷予王业叁动诧设器熬控到。过去这类德暇电援控裁装萋鹣燃造篷被FANUC，SIMMS等几家丈公司所垄断。幽于各公司的控制策路不同，造成各公司的数控设备舞放性麓，拜级、扩展秘维护匿难。随着诗算枫数字控糊CNC技术更爹缝进入分稀式控制系统和FM8，这种相对封闭的数控系统构成方式已不能适应用户对设备疆放性、互换性靼扩展性方霭的嚣要，开放式运动控锚技术便应运藤生。随蔫微处理耩技术帮现场可编程技术豹发展，DSP和FPGACPLD应用于伺服系统，为实现系统的开放性提供了有效的实现手段。1,2开放式运动控制的特点和任务【1L根据IEEE的定义，“个开放式系统应该具有能够使公理实现的应用程序可驻运磐予不麓黪控毒L供应褰瓣平套主强跨遣霹骧毽该程露与茭德系统癍弱进符互操作的能力，并熙具备可以方便直观地匈用户交流的风格”。丌放式控制系统作为丌放式系绫鹋一黪，氇其鸯螽老掘殿麴特，鼹L华中耕拽大学硝壬学位论文L疆释猿蠢予将鬣鼹供巍囊，繇瓣户可渡猩较大藏覆癌滚铎整镧瓣供斑商。2模块他的拓持结构靼标准他的接口。即挖审4系统开发商朝甩户弼以搬摄蠡鑫器蘩，嚣瓣爨鸯攘浚或按蘧褥壤寒定义秘泰撰块，攘浃褥懑避稼准秘援蕊遴禳磊迅遮组建专用糖锖4系统。3琴统熊褡壹羧遥嚣露兰寿盛黎羧搏，蘩骞辘CNC、C矗DCAM、数攘露软件。蜜凝嚣羧赣、嚣挟缝、帮移植毪鼗扩嚣链怒嚣蔽式运魂控镞羧謇鹣主要舔窕痞容。根据常嗣伺服电机的类裂，运动控制器从控制对簸上主隳分为步I电机型、DC塞滚镯疆燮强AC交流镯鞭鬻；疑蕊筑形式土主要套瓷LSA接露、PC攘鑫、CAN总线接日、RS232接日和RS485接口；从总体结构上主黧分为PC插卡战年N网终式。一令逶劫控爨捺扶疆襻太霹激实现一戮多令坐檬辘熬挝鼹、邃袭馕黢控鼹，簌较搏上箕配蠢功能完备髓伺聪按稍赣件，其有完善盼逡动鞔渣插补功熊和较彳牛伺服控涮功髓虽髓努便逸毒挺瘫、援器入餐设螽蠖按，趱窀霹鞋逐速遮建立鑫屡盛瘸毽穿与巍廉鬣瓿器入等浚器之褥辩控镄戳及铡试数据交换。它暴宵开发使用简苹、互换性戳的特点，采鼹燧磁控截嚣稳嘣臻缝短凝产箍的磷发用；妖褰裂乎蕊鼹誊裂逡室己魏爨簿产菇，特瓣逶禽设餐镧造裔聚瘸O嚣瓢方式魏褥求。蘸萁绽殿趋势祷，歼放式避渤控藩4鼹掩成为米来数控系统的核心粼俅。13伺服系统的发腿LZJ疗伺服系统的发展紧密地舄伺服电动机的不I闭发展阶段相联系。伺服电动机蕊今鐾骞嚣专多年黪发袋艨受，经蹬了三个圭要发蕊跨段第一个发箴阶段20世纪60年代以前，此阶段魑以步逃电动机骝动的斌雁伺摄马达壤鞋臻攀爹避惫矮规耋羧囊臻为率；鹣薅筏，爨驻系统鹣盘罴褴裁蠹嚣繇蓑统。第二令爱黢除段遂纪龉镩攀代，溶一蹬羧是塞滚键骚瞧鹣挺鹣诞羹霸垒盛笈袋翡辩钱T宙学巍流电赫辊其商优良酌调速性黼，很多漪性能粼动装鬣采用了壹溅暾魂掇，F霹骚鬈绞鹣挝慧接剃I漆耍琢臻绫发鼹戏失潮垮系统。在数控樾露戆痤薅撩壤，承疆式誊溅耄臻襁占统治她霞，熟控澍电鼯衙单，无赫磁损耗，低速性能好。繁量令爱瀑羚笈20整莞8珏年蕊黧夸，演一淤袋蹩竣税嘏体纯|J季侔为背爨的，出于伺服电动虮缱构及熬永磁材料、控制技术盼突破性燃展，出避了鬈测蛊漾餐黢瞧魏壤蠢渡驱秘，交滚精簸惑劝瓿燕弦渡溅渤等辩耱薪燮奄餮税，与HWW一_一一WILH羔肇中辩技炎学磺士学位论文簇稳遥疯鼹诲袋蕤裁装鬣经掰了模按式、数辏潺台式窝袅数字黎蕊餐羧。袭11鲶出了赢流伺服电动机、感成伺服电动机芹U水磁同步伺服电动机的特点黟毙较。袭L一1伺服电机的比较耱爨熹浚蠢辍逄瓠隶鼹越多矮黢惫筑惑纛麓骚魄壤价格爨贵便宜葵攀密褒115WKG133WKG1鼬褥转斑惯薰2X10RADS24，210RADS22。毛收_墨7图22IAS0控制策略相熏图对于0毋0的情况，可以邋过控制使运行中的永磁同步电机功率因数保持为1。藏瑟轰有效静翻矮永辙同步毫梳。图23是该控麓繁旗下静鞠耋圈。忽硌定孑电疆毛扣编豳23功率因数为1的控制策略相量豳嚣霹褥毛LL平，鼠式中蓊出，粒子毛静控稍祷过予复杂鞠不荔实现。瓣予毛0懿馕凝，还瓷滚逶过控躺名搜永磁同多泡橇定转予合减疆势为恰当华中科技大学硕士学位论文氇，以麓运行串磁场饱和造成铁心损耗静增J薨|，邵使永磁同步电机运行时铁耗最小。例如可以控制合成磁势V大小等于转子磁场甲，来达至H这一目的。这种控制策略使褥I。的控制更复杂。2转子绩檎不对称当转子结构不对称时，即岛也。如果仍采用如0的矢薰控衢4策略，出式23知。此时，永磁同步电机每相的电磁力矩与转子结构对称时一样，仍然为瓦。去繇，嚣嚣控翱特蠢宠全一榉。毽楚，簸一F文豹分析掰戳著幽，琵对如O豹矢豢控涮繁燎，簧苓一定裁获霉蕞犬转筵。霹戳蘧避控铡0实瑗去磁释续磁，来获取最大转矩。22。21对永磁嗣疹毫动檄控翻熊彰晌当转子结构对称时。输入相电压为式25所示。由此式可知，对予转予结U抽拳、改互FFRFD讲。2D，一翻。五225蔫承嚣IR2G秘2。时，拊增大较毛一O时。因蝗，对予转孑缝魏对称驰瘩溅同步电撬，使岛可，岛为燕粼旁去磁棒弱，泡磁力斑减夸。为负贝LJ为助磁作用，墩臌力矩增大。巍K的PMSH矢量隧F为转子磁幼势和定予磁动游，根据电机统一电磁转矩公式。O以FF7SING鬈。跑铡常数帮毫枫酌结构参数有关；移定、转子磁动势的夹角。当采瓣岛0按转子磁场定囊煞矢耋控越露。F秘F5豢壹，说骥诧跨楚一释力辍最大的控制。但是。这种控制也肖其缺点。1当负载增加时，宠子电流增大。由于电枢爱痰靛彩骟，逵溅气隙磁链秘定予爱窀动势加太，搜褥定予端邀速舞离。灸了裸话足够的电源融压，电控装置必须有足够的容麓，有效的利用举却很低。2负载增加薅，因为耄懿反痘魄撬莲簿犬，定予邀莲矢爨秘龟流炙量翡夹燕会懑夭，造成翡率因数降低。24永磁间步伺服电机的转子磁极定位川11Q117L【SPSL241转子磁极的柳始定位籍步辊的超动憝先建立定予旋转磁势，稠对运动的转予绕组产生感应电势，在转予绕组中形成电流，从而举动转乎运动完戚电机的起动。永磁同步机的转予磁场是事先存在豹，困诧永磁丽步电杭的初殆定稼就是在承磁麓步窀橇起动之蘸，裰据一L嚣华中科技大学硕士学位论文转予磁极缀鬣，控潮产生合适位黉酌定子含成磁势，尽量使永磁冈疹电机熊够在最小力矩电流麴作用下，产生最大力铤。出予表露式永磁同步漱瓿采用0；0憋矢量控带IJ，定子电流全部用来产生力矩，由该电流产生的定予磁势F5和转予永磁磁姆F7篓直。因既对予表蔼式永磁弱步窀机米讲，武器能确定转子磁极的初贻位篱，以该位置角建立的DQ坐标系。就能使电机以最犬力矩趣劬。如果韧始位鬻角确定的不准礁，矮嚣辩清况藏怒使褥产生静定予合成磁势与转子疆势在一条直线上，较据酝MK。FFSINO此时SO，即使在颧定电攫的作用下，也无法产生垃磁力矩，导致电机无法起动。当隶磁阏步电擞靛转予撩摄在空闽电热发浆不辩证鬟逮动对，宅在定子绕组中产熏的感应电动势大小和方向都不样。在现阶段工程应用的伺服系统中，永磁同步桃豹机轴上一般都漩有光电码盘。通过鹦搬的信母，可以获取电桃的位鬟耜速度信母，其串豹U、鬻信母阿戬用来对永磁丽步泡辄的转予磕极进行柄始定使。永磁同步电机在出厂时，厂商一般都会对码擞避弦校线，使硝盘的信母与定乎的感应电动势产室对应关篆。这样遥过裁断褥盘斡储号可黻翔断趣转子磁板的位饕。例如，菜型永磁同步电机的校线方式为码盘Z脉冲对应AC线电压的过零点，周辩这个零熹霹瘦著U信号静T舞沿。愆线电援懿过零点对庭鑫鼋磁摄钕置是可以确定的。如图26所示。按图中矗、B、E的相膨，磁极憋窆闼电角度为1200或嚣3000，这两个电角魔分别对应着正、反向过零点。根搦校线规律，U、V、W的6种组合将3600的空阉电角度分成6个60。的区间。120。对成着U的二升沿，参看图43，当U、V、W鸯101嚣重，蘧霹转予磁强痰该楚在120818扩瓣送阀蠹，考悫对称牲，取150。箨为磁极初始电角度。此畦SINO的范围是0866，1，因此只要缀小的输入电压，电枫藏霹戳起动。依次类擢，当U、髯舞其穗缀合嚣孛静磁极裙始电焦度为_一一_一19华中科技大学硕士学位论文弋、迭6盯易一。彰一二，0矿圈26AC线毫弧遥零辩静磁极稼鬟表2一L转予磁撮浆拐始电燕凌U、V、W转子磁极初始电角度10115妒1002LONLLO27妒0103300OLL3秽00190。242转子磁极的精确定位正确估计出了转予磁极的初始位鬣后，永磁同步电机将就可以正常启动了。当Z辣冷滋理鲢，必须将证鐾蠢赋必零点位置受。在运器避程孛，疆凄嚣逶遘A、8信号检测转子磁檄的位置，进行精确定彼。A、B梭测的磁极位簧角是机械角度，霈转换或邀角度。露拐始挝鬟是彝零点位鬟建都是耄撬度。谯确定了磁极位震后。按转子磁场定位，且令屯0。就可以对寇子电流JI行矢量分解了。这样，永磁同步电机豹矢基控涮究全建立起来了。一一一一20华中科技大学硕士学位论文25空间矢量脉宽调制SVPWM技术球01F21SV硎VL技术就怒把逆交嚣和电辅I作为一个整体看待，着眼于如何使电机获得一幅值恒定的旋转磁场箍提出的种脉宽调制技术。它以三相对称正弦波电压供电时交流电视鑫孽理糠磁逶瘸为基港，臻逆变器不鞠静开美模式所产生静实际磁遴去遥近基准圆磁通，由它们比较的结构米决定逆变器FI勺_玎关次序，形成PWM波倦。与其他PWM技术相浇，SP翱鸯鼹少戆歼荚次数、更太静畿滚电艨翻瘸率、更太的调涮沈和雯舅子数字化实观的优点。强2一掰示为典登浆耄毽墼逆变器模爨。零，一K为递交器酶拜关，嚣、B、O为上臀开关的驱动信母，U、V、W是逆变器的输出电压岛电机三相端子避接，点流母线O翳27三稳惫援型遂变器模燮电压为U一根据兰撩系统懿落辖系统变援绦持幅谴不交戆爨爨，定予电蘧的空闯矢爨碍表示为珞。鲁90曩Y|诒疗22一182T式孛撑了，珞拶。鼓华中科技大学硕士学位论文祀电鹾矢量下称耘开关状态结合起来，将这焱个矢量缀成28掰示静痢区分布圈，其中“O”代袭关断，“L”代表鼯通。夏释一域砭VOOLIVI”们鹜28SVPWM囱羹、囊送窝波形圈在实际运行过程中，逆变器的输出电压只有上述八种状态，K令矢量黪线毪缀会去遁遥等骧旋转鼢定子合成电疰矢量。以第三扇区为例，如图29所永。山平均值等效原理得斗斗五矿5瓦矿靠畸Q因此只能用矿，221元瓦Q整29空阕电压矢鬟在第三扁区簸矢爨匿由式221和三角彤正弦定理可得瓦ROTSSIN6007瓦M嚣SINR222TO嚣一夏一咒式中7为参考矢量与该扇隧第一矢豢之间的夹角00蔓7G60。，霸为开关周期；掰为调涮系数；五为空间矢豢韵律用甜问瓦为空问矢蠢圪的律掰时间；靠为零矢量驰露臻时溺。又茂巍五是是，将222代入霹德控华中科技大学硕士学位论文TACOS300Y11223在扩，_60。的范丽内，掰M。去，也就是说SVPWM的最大调制系数为L1547VJ出M苦可得，SVPWM输出的最大基波电压幅值为等，其崴流电瓜利用翠2为100。出221彰褥瓦聋互L吭|嗣瓦|嚣,GV221J其中眵LL成L。J2魄，224所以五弧一腼薏，瓦佛瓦7吆225根据在笫三扇嚣时各电压矢蠢的作用时间，并依照歼关矢量切换时仅有一个歼关状态发生变化的原则。可以得到襁一个采样周期内合成电压矢量在第三扇区时逆变嚣输密豹各稻电逡渡形泼N点为参考点，如图210掰示。飙溺上可知，各相ILJLJ琏RI豇F。户R。LF。，茔R。露R。芦一PN7P一一R7RP，一1R，711矿”R一1ROR3LTT鎏210合成电蘧失蠹在第三扇醒对各裙输鹚的电悠波形平均值为S象C孚孚孚争雩问C。SCY300，23U，QV；。餮L。华中科技大学硕士学械论文象咒一瓦M了S吼，O226；象小驴一类似的方法，可以推出U相电压在6个扇区的电压袭达式为翔渊Y300妒舛秘。矧淞彬班渤。笔贮LCOSEY，。N2。，TS。一，矧COS旷。00180叫。“。翎COS，斟0。诗算含成龟篷矢蠢疋嚣在赢区戆嚣个穗邻魄压矢篷嚣律藤对阕，并翔辑瓦咒茎疋是褥成立，若不成立则必须做饱莘H处理。24华中科技大学硕士学位论文103计算插入零矢量的时间；4按照电压矢蕨变化只改变相丌关状态的原则安排开关矢量的作用次序，产生SVP弱D滚形。2。6本耄小结本章程讨论永磁L霹步曦极不弱露的黪控铡策路嬲基磁上，提出了铮对表露式瘩磁同步伺服电机的以获取最大力矩为目的的控制策略S0的失景控制策略；在魏慕础上建囊了DQ坐标系下永磁阔步电枫的数学模型，进一步验诫了0是一种最火力矩控制L并爨阐述7默光电弱盘为捻测器牛盼转子磁极位要确定方浚；最最阐述了广泛应用于数字传动控制系统的SVPWM调制方法原蠼、特性及其数字实现的方法。一一一25华中科技大学硕士学位论文3伺服运动控制平佘的硬件设计3。L孳L言特勰一般的运动控制系统分为控露鄹功率驱动蕊大部分。功率驱动部分包括开关电源，集成功率模块INTEGRATEPOWERMOUDLE，IPM。电流鬣尔采样电路，功率保护电路等。控雠部分随着高性自数字馈号处理器DSP芯片、现场可编程逻辑器L牛的出璇和徽电子技术静不断发展，运动控制系统迅速赣着全数字亿的方向发髅。全数字化增强了系统的抗千扰能力，提高了系统的开放饿，使得为运动系统设计统一的疆镎平台斌为胃能。本章圭簧介绍歼放式俩驻运动掩稍平台的设计。3。2控裁平台总棒结构闰31控制平螽结构椴图翔图3一I搿示，整个平螽分为滔大部分T蘸S320LF2407A组成遴动控镧系统酌核心部分，主骚任务是采集电流信号，完成控制算法发出P州驱动倍号同时利用其燕浚为乎台撼供若手按日；CPLDFPGA维藏平念豹扩溅帮分，京簧经务楚漭韵核心部分完成各种扩展接口的设计并处理平台的所脊逻辑信号。具体构成如下I。DSP奎系统26华中科技大学硕士学位论文AT徽楚壤器微处理器采用TI公司近年来推出的筒向运动控制的DSPTMS320LF2407A。LF2407A控制爨是F240翡舞缀产品，它糅整了F240豹慧薅镶糨模式，鄹将实踺整理能力和控制器的外设功能集于一身。同时又怒对F240的改进，它的落算速度比F240还傻，功耗受低，羚设更事察，其体设计魄1240雯馋键。B片外存储器LF2407A采薅4潮Z鳆CPU时镑频率，撩令瑙期淹25NS，对存耱嚣熬存联速燮有较商的要求不插入等待状态进彳亍存取时，要求存储器的存取时间小于15NS捅入一令等特攒麓遂抒存健器存取掇佟时，要求存储嚣瀚存铸黠瓣小予40NS。LF2407A可以通过软件设置O7个辫待周期。平台中使用的片雏存糖器是BSI公司的BS62LVL024，存取对闼为70NS。因此，在谪淹羚都存储嚣时，需要对LF2407A设鬻3个等待周期。丽且由予是片外存储秣，当避孝亍写操作时将比读操作多一个时钟周期。E。努设攘疆LF2407H有丰富的外设接口，利用这些外设，外嘲铺以专用集成电路。IIR以为平台提供SCI、SPI、CAN等多糖携谈静总线攘翻。D。P删驱动运动撩糕平台簸本质静簧求裁蔻系统髓够提供驱动嵇琴T驱动执行撬稳运褥。LF2407H外设中包括两个事件管理器。可以构成两套独立的驱动系统。主要可用于双礴辩、双撬驱动莓蓊会。2模拟信号采样部分终力一个运磅控裁豹警螽，模拟信号熬采样蹩妊颁鹣。在数字诧运葫控铡系统中模拟量多魁作为反馈和指冷的形式出现。LF2407H的外设中集成了可编程的16路LO使O模块，嚣诧霹戳增热盛要酌辨围模羧邀踌，蕃罴LF2407H鹣A内模块来完成模拟量的按口任务。3。EP璩FPGA系统作为一个开放式的运动控制平台，必须县有良好的可扩展性。出于CPLDFIGA出色蛉复杂逻辑处璎能力，警台使臻ALTER公司的CPLD器件MIX3128A受贵对平台逻辑信号的处理和总线接口的扩展。间时CPLDFPGA拥有出色的在线可编程能力，可以逡应不同应用系统的逻辑要衷，以此提崧了系统哥适用的范围。2华中辑菝大学磺士学位论文3。3核心攘绷系统设睾33。I徽娃壤器蕊余辖越泌112氍粼TMS320LF2407A蕊TI公蓊C24X菇菇DSP接赣器静蘩哉声瑟。窀楚F240豹羚缀产晶，内棱同属予C2XX。内核与IO均采用33V供电，因此功耗比F240要低，徐捺象较之矮超。LF2407A羧I速度爵这40糖IPS，攀援絮攒令霹在25NS内竞裁。黎令舄F240兼辑。LF2407A具有高速的信号处髓和数字控制所必需的结构特点，同时终为蘸统警瑗器，LF2407A其毒强大麴I0秘篡链终竣功缝，戳及缀好鹩妒袋穗杰。TMS320LF2407A是一款既灵活、快速叉最有强太电机驱动功能的专门用予运动控制的裹牲拣数掌髅号处理黎芯冀。宅秘F240的联羝秘嚣裂砖表31腰零。表3一ITUS320LF2407A与TMS320F240的诧鞍TILLS320LF2407ANIS320F240系统帮贽慧缝雏梅爨露接疆避过静硬慧蟪每存镳囊程睾空辫蘑线静毅据空翘蓥娩接口相联，进而与CPU靛生联系分离的啃佛结构外蹬除EV癸醺蛊揍枣CP对锋鞋渤摊盎系蟪睦蝽蘸澳E冈蓬蠹薏太40瓣最大20FLZ襻储嚣32K字片内FLASH，2K字专门用于16K字J内FLASH擞胄用于存IIIL莽撼撵户定曳戆变量静默勰，没餍户定鬟瓣交重翁SARA,TL，5T有受局数据存储秣544宁的R的DR脯姒RAM串蠹掰赣串麟盎PIE警理潞穰I、赛势系魏申新、事释篱理瓣串I睁，位，PIE亍咩向CPU提L巾斯请求中晰偏移最寄存器不统一申辑禳辖蠢寄存黎境一鬟经薄外部目L辫。2、码盘信弩线接口数字式速度测羹用的较多的有M法、T法、MT法三砖方式。本乎螽设诗骞M法和T法两种测速方式。1M法测遵掰谓M法测遵就是在榴等的时间问隔内厢读取码盘脉冲的个数来计算转速。设在时间T内读到脉冲数为ML，码盘每转产，土M2个脉冲，贝睦转速为H60XMI3一1掰2T当MI变纯一个数时，可得M法的分辨率为移。受L竺L登一墼；旦32M2TM2TM2R由予憨会有1个脒冲蟾误差，霆毙秘对误差为；J一1；旦33搬L嚣J竹2T从32和33可知，分辨率Q与转速无关，但是当转速N很小时，T时间内戆簸津令数缓少，蓉至苓舞1令，这辩灞鬃藏不够准确，稳对漂整辘交大了。这时只能通过增加T或M2来减小相对误差。所以M法适合于高速情况。焱MAX3T28A审实褒M法测遮蓠先要瓣输入躲捧遴孳亍僚菝辨秘，殴港瓣溺耋精度。利用A、B之间相差900的关系，可以用一个较高频率的时钟信号，得副A、B的题时信号AL、BL，然曩遴过A、转、AL、转L之瓣熬逻鬟缝会褥羁A、B豹籍语频信号、，利用力、五的逻辑关系，由或非门组成的RS触发器可以得到辨向信号D弧A超前B时，四倍频的逻辑为40华中科技大学硕士学位论文厶。AAIBBI4彳AIBBIAAIBBLA，L，曰矗1B超翦A辩，霆僚颓懿逻瓣为A41BBIAIAIBBL4AAIBBIAALBBI辨弱逻辑兔；DIRF。年NDIRNDIRL。DR图316中，僖号CLK的的频率应该大予A，B频率的靼倍，警螽中ELKY来源予LF2407A靛CLKOUT弓L瓣，其输滏频率可遮40MHZ。I巍I瑟LLL黯L嚣鞠强豳翻瑟嚣隧嚣L骚LL嚣嚣鞭爵睡嚣嚣嚣嚣匿匿嚣琵嚣塑翼嚣幽L嚣I_一OLI卜BO嘈缸E曲讯磐MRI整3一L矗涎僵鬏翱辩岛魄鼹浆逻辍、薅黟仿囊鼹得到了A、B信号的圆倍频信号后，再利用图2一14构成的增减计数器，就可|实现M法测速。圈3一17为M法浏速鹣邋辑、嚣幸序仿真圈。霭2一18为M法溅卜CUCO“R。O。MA0N门N门N几N门门LIP“80。N几NN几门广厂R卜SRT3NM篷鑫JLLLLL一铺L糟翻H00LFFFFLFFEOXFFF9一LIDINIT；0LHFFFFLFFFFXXXX_盖XKJ1X堪P7瓣时峨羲霹HFFFF【0馐蔓X硇菱1I鄹固薹X蔓XXFFEC图3一17M法测速的逻辑、时序仿真圈速电路懿豢璎圈符号。M篇T、一L霞3一I3酝法溺速邀爨琢理鼹罄号一一一_一4L华中科技大学硕士学位论文2法测逮T法测速是通过在码盘发出的两个脉冲间隔内读取另一个高频时钟的脉冲数柬浏羹转速翡。设在秘夺辣冲潮隔肉读取频率为五FJIHI,L馐承冲数为秭，鹳盘簿转发国璐L令辣捧，剃转速为其分辨率和相对误慈分剐为至唆甄一。塾一一35。ML撕2掰L1M260L，L肼2艿。二一。旦36ML60。麸35、36可瓤T法溅速秘分辨搴每转速煮关系，栩黠误麓与转速娥疆跑，因此T法适合于低道时的测速。孀MAX3128A舞瑷T法测速对，霹娃熙捡灏鹃盘熬A痿号，透过瓣嗣瞧路产生的方向信母来识别方向，用LF2407A的CLKOUT信号作为高频时钟脉冲。设计中磐矮考虑戮L鑫餐诗数嚣溢魄爨霹能经，嚣警转速最懂辩，16经谤数器兔诲多高额率的脉冲计数丽不滋出。以0。LRPM作为转速测量的最小值。当M，2500个转时，奄规滋01RPM运行对，A信号静羯灏为240MS，由予鸦盘信号的占警诧是50，可以只计算A信号半周期内的高频时钟脉冲，即120MS。16使计数器的最大计数范围是65535，掰戮算出允诲最高时钟频率为工插科丽65535546125KHZ，取O。5MHZ。魏聚LF2407鹅CLKOUT为40MHZ，戥娶将谖信号GO分频。39分毅寇臻可珏采用减法分频的原理，即将CLKOUT作为时钟信号，用一个8位减计数器从790，第8位作为复位信号，躅褥复始的诗数。产生了以信号以后，用一个16的计数器对正计数，用A信号的上升沿扁动计篷3一19T法测速逻辍、硅重膨傍宾嚣一42华中科技大学硕士学位论文T幂曰F，圈320T法测速电路原理图符号数嚣，下降澄关趣计数嚣，罚蹲触发LF2407A麴终部中叛，DSP在巾骶滕务程痔申读取计数值和方向储号，得捌转速殿其方向。由于此时读到的是在A信号的半个周期悫浆专数馕搬，戏34中；2M。零39整譬法溪逮靛逻辑、穗廖臻真圈。图320是T法测速部分的最终原理圈符号。3袋摄继鼙倍号在永磁涎刷和嫩磁同步电机的撼制中。需要码盘提供位鬻信号。平台中位置信号缀塞CPLD，在CPLD中梅造毖线缓冲嚣，DSF遁过数黎总线渎驭藏罴髂号。藏篝信号直接与后面受计的双向三态总线连接。3、冀PC梗的LS愆L慧线接口在伺服和调速投弗9系统中，有时疆用到比较复杂的智能辫法和对某些量的估算，实现这些算法的程序执簿时瓣都比较长。熟聚把这些箨洼蔽赣薅算稷痒与控裁程枣合并在一起，用一个DSP来实现比牧困难，甚至不可行。在这种情况下，将控制程序积舞法程序分离，出PC飒寒实瑷蒋法霉继箕程序，DSP实现控裁程寝，两者静数据交抉倍蓟1SA或者PCI总线。为了保证控制韵实时往，所有数据必须一次性并行传送。因此，不能采用按照设定接议避讯的方式，弼痰采用双鼹RAM斡原理，邸兔酝有强交换鹩量设计一个镁存单元，再经过三态缓冲器隔离总线。垒部锁存、缓冲单元都作为总线的扩鼹IO攀元，PC枫乍为妻设备。控制台撵为扶设备。磁蜀RAM豹拇建可】I；参考74HC574静灏瑾，如图32L所示为741IC574的内却OT020DS0N，钟嚣蛳Q锄口|啦OTO，强32L74HC574鹣内部稳造_一_。43华中科技大学硕士学位论文鄢瓣瑗构造。如果把砜D，俸为数据输出端韶，CP作为数槠输出端阴的地址选通，绫旗露兔数摆赣入端强，耀露为数攥输入臻秘斡魏羹逡滋，瓤禚当予褥逑一令8BITS懿双西RAM。珐玖、EP跫骛入端的姨L，热谚、OE蹩读邀蠓戆攘霹。用上述构造的双翻RAM进行数据交换时，只辩保证两个设备不同时对同一个遗缝避嚣撵终，裁霹臻援霹嚣黟实臻蹇逮数攒交换为了实獠这点簧求，逶避嫒磐电路。判断哪个设备的操作畿前，就进行这个设备豹操作嗣时屏I鹾嬲一个设备的操撵。熟暴爨黠另一个设备瓣该逮照提攥操筝瀵求，娥瓣该竣簧撬入等褥羼翳，等戆周期瀚长度魏该设备掇出请求别前一个设备的操作完成之后出现的系统时钟前一个设簧她系统时钟瓣第琏砸娃逶过程序更泼令上秘沿。圈322读写控制岛插入镣待周期电路示意图LITL雕矗一一RL_JL。IASFIIJL厂厂一Q删8LL一U蝴，UI广R卜E孽L01嗣_删轻霉拇础珊稍争RT,G非0萱V_REJDY，LL嗣IFM赶U圈323滨写控制与插入等待周期电路逻辑和时序仿真网一_P_鞋华中科技大学颈士学位论文G_；。_J一CLO糕DELNVPLYL童KOLV嚣UTU礴YL口薰KO_POUTO_UPP麟D，O_PUR_DY_七图324读留控制均插入等待周期模块贩理囔符号ISA慧绫、KL蕊缝竣爱LF240TA帮悫潞在其遴褥写捺雄辩，鞴入善手蔌度鲮等待阀期。ISA总线的IOCHRDY引脚，PCI总线的TRDY、IRDY引脚，LF2407A秘髓ADY霉L辫。时序控制电路的原理示意网如图322所示，图323为该部分电路的逻辑和对窿携襄霭。器322串懿逶辍邀臻嶷袋了熬鼹瓣、O姆恕霜疆枣器糖互鬓藏戆凌能。时序电路通过可编程移位寄存器实现了捅入对方糟干个麓统时钟周期的镣待周矮T默氆囊甏露娃簧穗电鼹露效翡实聪了惫囊鼹穿戆魏颧、瓣蒎窝播入等德鼹麓黪功熊，可以避免两个系统同时对统一地址进行操作。圈224为该部分电路的原理匿德警。戳士设计，74HC574和黼322的电路都可以徽方便酌在CPLDFPGA包括MAX3128A瓣传中蜜瑗，毽怒凌予MAX3128A资潦举够李寨128令逻辑塞肇元，所瑷必耱蔫乎裳现不超避LO个I6穰数的数粥交换。如果要求交换的数据较多。可以健耀其他嚣抟，魄魏ALTERA公司瓣FPGA器终FLEXTOKA系魏。4、袋秘兰态慧线豹竣诗以上设计蚋输入、输出郡必须挂到平台的数壤总线上，鼹此必缬没泠戏波三台总线接器MAX3000A嚣髂不支持在器俘内部梅遥三态总线，但是YO弓I獬支持三态嬲此设计时将数据总线在内部分成输入总线和输出总线，并栗劂殍关切按憋方法箍不蓖筏懑海帮三态慧浚蕊竣诗。辘久总娥魏蹩警台数鬃慧线静鞴毽嚣就它本身就存在三态，我们只嚣构造输出总竣的三态。以一撩驱动掰输入、一输出的双向三态慧绞设诗凳爨。戳下隽该壤路薛VHDL撩彦。丰幸牛十十LIBRARYIEEE；USEIEEESTDLOGIC_L164ALL；USETEEE。STD_LOGICARITH。ALL；一_W一_IS华中科技大学硕士学位论文USEIEEESTD_LOGIC_UNSIGNEDALL；牛幸木幸牛十十幸十幸幸十幸母幸十幸T母母琶N骶下Y墩嘛孰LSISPORTOEININSIAL_LOGIC；OEOUTLINSTD_LOGIC；OEOUT2INSTD_OGLE；DBINOUTSTDLOGICVECTOR15DOWNTOO；ADOUTOUTSTD_LOGICVECTOR15DOW融TO妨；ADINIINSTD_LOGIC_VCCTOR15DOWNTOO；ADIN2INSTDLOGIC_VECTOR15DOWNTOO；ENDBITFIBUS；章幸章幸奉幸幸摹幸摹幸章幸幸幸奉幸幸幸幸章堆幸幸率宰幸串事奎辜幸尊幸幸毒ARCHITECTUREAOFBITRIBUSISSIGNALDBINSTDIOGICVECTOR15DOWNTO0；SIGNALDBOUTSTD_LOGICVECTOR15DOWNTOO；SIGNALOESTDLOGIC；BEGRNOEOCOUTLANDOEOUT2；PROEESSOCOUTL,OEOUT2BEGINIFOEO攘L蜚THENDBOUT铷DINL；ELSIFOCOUT2FFTHENDBOUTADIN2；ENDI爱ENDPROCESS；PROCESSOEINBEGIN46华中科技大学硕士学位论文IFOEIN。EVENTANDOEIN0THENDBINDB；ENDIF；ENDPROCESS；ADOUTDBINDBDBOUTWHENOE0ELSE”ZZZZZZZZZZZZZZZZ”ENDA图325是在两个前提条件下获得的，1选通信号不会同时有效；2输入总线事先存在三态。显然这两个条件在实际应用巾是满足的。实际应用中可能要驱动更多的输入、输出，只需在原来程序的基础上增加几个选通信号而已。_OO21JI一O口TITLJJMOLINI芦曲H地艘X1234XZZTZIDOMH12驯0000I1234|DINLH咖0000X2134X哪芦DIRL2H41删X4321X嘞一，V；IV，V；Y，图32S双向三态总线逻辑、时序仿真图日工TRTBUSOINOOU七1DB【15O】OOU七2DOU七【IGA】DIN土【I5口】DIN2CI5O了2口图326双向三态总线原理图符号5、地址译码和其他逻辑处理在MAX3128A中设计了上述模块后，需要对它们进行译码选通。对于LF2407A来讲，这些模块都可以看作是LF2407A的IO设备，因此上述模块的地址都分配在LF2407A的IO空间。同时，MAX3128A也完成了故障锁存RS触发器、综合以及保护的功能。这些模块的逻辑和时序关系都非常简单。一。47华中科技大学硕士学位论文3S对系统升级的考虑1371【38L1、从核心控制器考虑系统升级TI公司在TMS320C24X的基础上，推出了更新的专门用于电机控制的DSP芯片TMS320C28X系列其中的TMS320F281012已经投入市场。TMS320F2812的CPU速度最大可达150MHZ，128K片内FLASH，速度和容量的提高，使得在一个DSP芯片上实现复杂的控制算法成为可能。同时F2812的AD模块提升到了12位。16路全比较单元PWM，配备有3个32位的CPU定时器，总线结构也有了很大改进。F2812强大的总线和外设功能甚至使得在其基础上构建一个嵌入式系统成为可能。同时由于F2812的速度极快，使其与其他设备接口比较困难。现阶段除了FPGACPLD的速度可以达到百兆级，其他外围器件很难达到这一等级。过快的速度也使得接口信号的可靠性很难得到保证。F2812的设计本身也没有将系统接口作为重点，因为其本身的功能已经足够强大。另外，从器件本身的价格考虑，F2812的价格并不高20几美金，但是其开发系统与C24X的不兼容，而且价格比较昂贵1000美金左右。2、从外围接口考虑系统升级由于LF2407A的速度和容量对于复杂的控制程序来说都是一个瓶颈。因此，在以LF2407A为核心的控制系统中，实现复杂控制程序必须对系统进行外围扩展。将基本的控制程序与控制算法程序分离。本系统使用的是MAX3000A作为扩展部分的铺助器件，MAX3000A是CPLD器件，其资源有限，不能独立完成对系统的扩展。ALTERA公司的FLEXIOKA系列，是替代MAX3000A比较理想的器1，I。FLEXIOKA属于FPGA，内部采用查表的方式实现备利T逻辑和时序。其资源比起CPLD器件要丰富得多，而且FLEXL0KA内部嵌入了至少768个字节的RAM，因此可以很方便地实现双口RAM。而且，FLEXL0KA的开发过程、开发环境与开发工具和MAX3000A完全一样。但是FLEXIOKA是基于CMOSSRAM的，系统掉电后程序无法保存，在实际应用中，必须外挂专门的EEPROM，上电后程序将自动从EEPROM配置到器件中。36本章小结本章阐述了以1MS320LF2407A为主控器件的伺服运动控制平台的设计，包括小系统的设计、外围接口电路的设计、检测电路的设计等；比较了LF2407A与F240_一一_48华中科技大学硕士学位论文性能上的区别，可以看出LF2407A功能更强大，结构更合理；同时详细阐述了CPLD器件MAX3128A的内部结构和特性及其在伺服运动控制平台中的应用，列举了MAX3128A在本平台中具体应用提J；了列系统升级的考虑。一一_49华中科技大学硕士学位论文41引言4基于平台的全数字永磁同步伺服系统设计在传统的位置伺服系统中，直流伺服电动机能在大范围内实现精密的速度和位置控制，但这类电动机受换向器和电刷的影响，维护较为困难，所以限制了直流伺服系统更为广泛的应用。由于三相永磁同步伺服电动机具有体积小，重量轻，输出转矩大，功率密度高，转动惯薰小的特点，在要求快速、准确、精密的位置控制场合得到了越来越多的应用。同时伴随着微控制器和现场可编程技术的发展，永磁同步伺服系统迅速朝着全数字化的方向发展。42全数字永磁同步伺服系统的构成永磁同步电动机加上传感器和控制器组成具有定位和跟踪功能的闭环系统，即构成永磁同步伺服系统。系统采用三环串级控制结构，第一环为转矩环，第二环为转速环，第三环为位置环。图41为基于矢量控制的PMSM伺服系统框图。图41基于矢量控制的PMSM伺服系统框图下面分别介绍各部分的功能及工作原理。1逆变器图42主回路简化图华中科技大学硕士学位论文如图42所示，本系统的主回路采用交一直一交电压型逆变器形式，由不控整流桥、滤波电容、逆变器以及PMSM等组成。不控整流桥和滤波电容构成直流电压源，完成恒频恒压CFCV交流电源到直流电源的变换；逆变器实现直流电源到变频变压VVVF交流电源的转换，为PMSM的定子绕组提供要求的电流。不控整流由功率二极管模块完成，逆变器采用三相全控桥式电路，功率_丌关器件采用绝缘栅极晶体管IGBT或智能功率模块IPM。采用三菱公司的智能功率模块PM25RSBL2025A、1200V。2位置、速度反馈信号检测PMSM本身装有转子磁极位置传感器，其作用是检测PMSM的磁极位置和转速。电机转动时，传感器同时给出检测磁极位置的互差1200的U、V、W和检测速度的A、B、Z信号。前者用于估计PMSM磁极的初始位置，后者用于检测电机反馈速度和磁极的精确定位，其中Z信号用于过零点的判断。磁极位置信号如图43所示。U、V、W、Z信号检测出的磁极位置都是电角度。在平台中U、V、W信号经由CPLD通过LF2407A的数据总线读取。A、B信号通过CPLD的M法测速电路，LF2407A通过数据总线读取位置反馈量，再通过处理，从位置反馈中得到速度反馈量。U厂厂厂IV厂厂厂W厂厂厂一图43磁极位簧信号3电流反馈检测伺服系统是在传统的双闭环调速系统基础上，增加了位置控制环形成的。和凋速系统一样，需要对电流进行控制形成电流闭环。本系统采用LEM模块霍尔FLL流传感器，采样定予两相相电流，作为反馈电流。电流采样电路如图27所示。系统的电流采样使用软件调零的方法，即在上电之后输入给定之前，连续采样多次反馈电流，取其算术平均值，此即为电流的调零值。