液压伺服控制系统的工作原理

1、参考书 1 TMS320LF240 xDSP结构.原理及应用刘和平北京航空航天大学 出版社. 2 TMS320LF240 xDSP C语言开发应用，刘和平，北京航空航天大学 出版社. 3TMS320LF240 x DSP原理及应用开发指南，赵世廉，北京航空 航天大学出版社 4 TMS320LF/LC24系列DSP的CPU与外设，徐科军等编译，清华大学 出版社。 5 TMS320LF/LC24系列DSP指令和编程工具,徐科军等编译，清华大学 出版社 6 DSP控制器实用教程，牛小兵等，国防工业出版社. 7 DSP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

2、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 11 DSP概述 12 电机控制系统相关知识 1.1 DSP概述 1 DSP含义 2 DSP技术的发展及现状 3 DSP的应用 4 单片机、嵌入式微处理器和DSP 1. 1. 5 1. 1. 6 DSP基本结构及主要特征 DSP处理器的选择 1.2电机控制系统相关知识 h2d信号检测 122 逆变技术 123 PWM控制技术 124 空间矢量调制技术（SVPWM） 1.1.1 DS

3、P 含义 Digital Signal Processing （数字信号处理） DSP .Digital Signal Processor （数字信号处理器） 1.1.1 DSP 含义 数字信号处理： 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別 任务（谱分析，语音分析，特征识别，目标检测） V 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） 1.1.1 DSP 含义 数字信号处理器：用于数字信号处理的可编程微处理器 早期：算法只能在计算机上仿真实现 现在：在DSP上实时处理 DSP :国内常用DSP代表数字信号处理器 DSP技术：用通用DSP

4、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 1.1.2 DSP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2920 1980年 日本NEC公司推出的口 PD7720 1981年 美国贝尔实验室推出16位字长的DSP芯片DSPI。 1.1.2 DSP技术的发展及现状 TI公司的主要产品包括： 第一代DSP芯片： TMS32010. TMS32011. TMS32

5、0C10/ C14/C15 /C16/C17 第二代DSP芯片： TMS32020. TMS320C25/C26/C28 第三代DSP芯片： TMS320C30/C31/C32/C33 第四代DSP芯片： TMS320C40/C44 第五代DSP芯片： TMS320C50/C51/C52/C53 1.1.2 DSP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 TMS320C2000系列：C24x / F24x、LC240 x / LF240 x、 LC240 xA/LF240 xA、320F28xx (2) 面向低功耗.手持设备、无线终端应用 TMS320C5000

6、系列：C54x、C54xx、C55x (3) 面向高性能、多功能、复杂应用领域 TMS320C6000系列：C62xx、C64xx、C67xx 1.1.2 DSP技术的发展及现状 DSP芯片发展趋势：向高性能、高速度、低功耗方向发展 数字信号处理理论：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。 1.1.3 DSP的应用 (i)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

7、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)自动测试诊斷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，电視;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。 1.1.4 DSP、单片机、嵌入式微处理器 单片机 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

8、的。 20世纪70年代 单片机开始在电机控制系统中广泛使用 任务： 控制算法，输入输出处理、显示 缺点： 外部扩展、可靠性、可维护性降低、速度慢 适用范围：控制精度、性能要求不高的场合。 1.1.4 DSP、单片机、嵌入式微处理器 嵌入式微处理器 基础：通用计算机中的CPU 与工控机相比： 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) 流行嵌入式微处理器：ARM7、ARM9系列 与DSP的相比：存储器空间大，可配置实时多任务操作系统 1.1.4 DSP、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

9、运算 MMN H )二工兔 a(/j-k) or y(n) = atx(n-k)bty(n-k) 4=0*=o口 (1) DSP中设掘了硬件乘法器，在单个指令周期内完成 乘/加运算 (2) 在指令系统中设置了 循环寻址片 及“位倒序寻址 指令 (3) 设理了单独的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. 1.1.4 DSP、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

10、能和精度要求不高的场合；DSP则适 利于成本和功#无相对较低，尺寸较小，但需进行数字信号 处理的场合。 1.1.4 DSP、单片机.嵌入式微处理器 FPGA ( Field - Programmable Gate Array ) 现场可编程门阵列(半定制电路) 结构： 逻辑模块、输出输入模块、内部连线 工作原理： 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. 1.5 DSP基本结构及主要特征 一、釆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

11、问总线及其控制器 1.1.5 DSP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 1.1.5 DSP基本结构及主要特征 二、流水线操作 指令执行： 取指.译码、取数和执行 流水线技术：将各条指令的各个步骤重叠起来执行 第一条指令 第二条描令 工三条扭令 第阿条拓兮 取掃JK 枫行 1.1.5 DSP基本结构及主要特征 三、设JL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 卷枳 离

12、散傅里叶变换 旳)=工 上.0 HN y()工 (“-灯+为力-幻 y(n)=Yk)h(n-k) X()二 Ywjexp卜伙 r=0 1.1.5 DSP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。 1.1.5 DSP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DM A总线

13、及其控制器 时钟发生器(振荡君与锁和环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。 1.1.6 DSP处理器的选择 一、数据格式 四. 数据宽度 速度 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 1.1.6 DSP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 优点：体积小、成本低

14、、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 浮点DSP芯片数据长度通常为32位、40位 优点：数据动态范国宽，开发较容易 缺点：硬件结构相对复杂、功耗较大,价格离 结论浮点运算与定点、运算相比灵活性和数据的动态范围都要大，编 程比较容易，但因为屯路更复杂，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 的系统申。 1.1.6 DSP处理器的选择 二、数据宽度 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 三、速度 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

15、入时钟和指令速率一致 1.1.6 DSP处理器的选择 四、存储器的安排 哈佛结构、高速缓存、存储空间大小、 双访问存储器单元多少 五、开发的难易程度 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。 1.1.6 DSP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(33V, 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(

16、国内便用) BGA ( Ball Gnd Aarry )対装 1.2电机控制系统相关知识 电机控制的发展 控制电路 模拟电路一数字和模拟混合电路全数字电路 控制策略 低效有级控制T低效无级控制高效率无级控制 高性能智能型控制 电力电子控制器结构 电子管一*小功率晶体管一*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） 应用于机械.冶金、化工、造纸、纺织、矿山和交通 位置控制（运动控制，位置伺服） 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 电机控制系

17、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 传号转换: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 电机控制系统相关知识 121 信号检测 122 逆变技术 123 PWM控制技术 124 空间矢量调制技术（SVPWM） 2. 1信号检测 电机检测信号 电机极限参数 过电流、过电压、过热和欠电压等 电机运行状态 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 电流、电压、温度、转子位置和转速 2. 1信号检测 一、电流检测 二、电压检测 三、温度

18、检测 四、位置检测 五、速度检测 0V 1.2.1信号检测 一 电流检测 电阻法、电流互感器法和霍尔效应电流传感器法 1电阻法 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：电流比校小的场合 2、电流互感器法 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.精度不高給 1.2.1信号检测 3.霍尔效应电流传感器 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 优点：可以实现电气隔离 交流与直流均可测量 梢度高 缺点：价格昂贵 需要外加恒压直流电源 1.2.1信号检测 二、电压检测 直扌g测量、电压互感器法、霍尔效应电压传感器 1.

19、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） 注意：没有电气隔离作用 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. 优点：有电气隔离抗干扰能力校强，测量简单 缺点：动态或低频寻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休匝数很少 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 （如热屯偶、温度计和热敏屯阻） 2. 非接触式测量 利用物体的热辐射、色

20、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，溫度的检测采用接触式测童 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：霍尔位迅传感器 电磁感应元件：接近开关、开口变压器 從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 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：给定编吗一圆盘分成若干等份一 配豈相应元件和电路一絵出编码 -扇区位輩角 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：格需码编吗盘 .2. 1信号检测 格雷码编码盘 编码：0000-0001-0011-0010-0110 0111-0101-*0100-1100-* 1000 特点：工作稳定可靠。 分辨率：位数n表示 角度分辨率：360/2n 高精度：达位和22位 绝对式光电编码器：确定绝对位盍信息 貝吒册乌盘 1 i*8 1.2.1信号检测 2.增量式光电编码器 组成：龙源.透镜.主光栅碣盘密向盘光敬元件 原理：编码盘随位逛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. 绝对位辰角，设冇零位脉冲 适用：检测位置和速度 1.2.1信号检测 五、