自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主要方式之一，在现代化生产中起着主要作用。直流电动机具有调节转速比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点。
本文是在双闭环直流调速原理及双闭环直流调速系统工程设计方法上，设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。其中电流为内环，转速为外环。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计。在本系统的具体实现上，采用了目前比较流行的数字信号处理器(DSP)作为系统的控制器，其处理速度较高，正好符合实现实时性要求高的特点。
关键词：直流电机；双闭环调速系统；DSP
Abstract
The automation control system already obtained the widespread application and the development in the various trades and occupations, but directs current the velocity modulation control to take one of electric drive fundamental modes, is playing the leading role in the modernized production. The direct current motor has the governed speed to be quite nimble, the method is simple, easy wide range smooth velocity modulation, control performance good and so on characteristics.
This article is in the double closed loop cocurrent velocity modulation principle and in the double closed loop cocurrent velocity modulation systems engineering design method, designs applies in direct current motor's double closed loop cocurrent velocity modulation system. In the double closed loop cocurrent velocity modulation system has established two regulators, namely RPM control (ASR) and current regulator (ACR), distinction governed speed and electric current. And the electric current is an inner rim, the rotational speed is an outer ring. This article to directed current the double closed loop velocity modulation system's design to carry on the analysis, to directed current the double closed loop velocity modulation system's principle to carry on some explanations, introduced its main circuit, examined electric circuit's design. In this system realizes specifically on, used quite popular digital signal processor (DSP) to take system's controller at present, its processing speed was high, happen to tallied realizes timeliness to request the high characteristic.
Key word: Direct current machine; Double closed loop velocity modulation system; DSP
Contents
第1章 绪论
1.1研究背景和意义
由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但纵观全局，尤其是我国在此领域的现状，再加上全数字直流调速系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速仍将处于重要地位。以往直流调速系统控制器采用分立元件，其故障率高，稳定性差，技术落后，很难满足生产的需要。随着计算机技术及通信技术的发展，数字化直流调速系统成为主流。
目前，国内的数字式直流调速装置主要是采用单片机构成数字调节器、数字触发器，其缺点是：系统硬件结构复杂：单片机浮点运算能力差，因而只能完成简单的控制算法，难以满足各种复杂的控制要求；系统运行的监控性能差。在这种背景下，用DSP作为主控芯片，其具有执行速度快(可达30MIPS)，浮点运算能力强，能够完成较复杂的控制算法的特点。在系统硬件方面，DSP芯片内集成了A/D转换、事件管理器、串口通讯等功能器件使得系统硬件电路设计相对简单，系统可靠性大大提高，系统运行的监控性能也得到了改善。
采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。由于微机具有较佳的性能价格比，所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。近年来，尽管交流调速系统发展很快，但是直流电机良好的启动、制动性能，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用。现阶段，我国还没有自主的全数字化控制直流调速装置商用，国外先进的控制器价格昂贵，研究及更好的使用国外先进的控制器，具有重要的实际意义和重大的经济价值。
在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置。随着生产工艺、产品质量的要求不断提高以及产量的增长，越来越多的生产机械实现了自动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速,过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是当前调速系统的主要形式［１］［２］。
1.2直流调速控制装置的国内外发展现状
数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善，调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，所以数字式直调系统具备了广阔的应用前景。
国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已开发出了数字直流调速装置，有成熟的系列化，标准化、模板化的应用产品。我国自20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。
随着各种新型控制器件的发展，直流电动机晶闸管调速系统除向大功率发展以外，正在实现控制单元标准化、集成化、小型化、结构积木式组合。对某些小功率装置，正在做到使电动机和控制设备组合一体化。尤其是今年来，国外各厂家竞相推出全数字直流调速装置，使得直流调速系统在理论和实践方面都迈出了一个新台阶。微机的应用使电气传动控制系统趋于数字化、智能化，极大的推动了电气传动的发展。世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平。我国直流调速正向着脉宽调制方式发展,我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。
1.3主要研究内容
采用基于TMS320LF2407DSP控制器智能控制系统，传统的PID模拟控制系统。采用转速、电流双闭环结构，应用智能控制理论，设计智能控制算法程序，并固化到控制电路板的EPROM中。设计由单片机、DSP控制器组成的主控制板和三相桥式整流主电路，由主控制板和主电路构成数字直流调速系统。该数字直流调速系统为数字式智能控制，更换主电路功率元件可以应用于不同功率的直流电动机。
第2章 控制原理与方案确定
2.1直流调速系统的基本概念
在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静、动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性。尽管它不如交流电动机那样结构筒单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位．当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，并有望在不太长的时间内取代直流调速系统，但是就目前来讲，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础［１］［２］。
2.2转速、电流双闭环调速系统
直流电动机调速系统具有开环调速系统、单闭环调速系统、双闭环调速系统和多闭环调速系统，双闭环调速系统具有控制容易、能在宽范围内平滑调速和快速响应等特点，在直流调速系统中得到广泛应用。
2.2.1双闭环调速系统的组成
图2-1所示为转速、电流双闭环调速系统的原理框图。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串联连接。把转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入，用电流调节器的输出去控制晶闸管整流装置的触发器。从闭环结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调节环在外面，叫做外环。
图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统电路原理图
为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器通常都采用PI调节器。在图2-1中，标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照触发器GT的控制电压U为正电压的情况标出的，而且考虑到运算放大器的反相作用。通常，转速电流两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器的输出限幅电压为，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器的输出限幅电压是，它了晶闸管整流装置输出电压的最大值。
2.2.2双闭环调速系统的工作原理
为了更清楚地了解转速、电流双闭环直流调速系统的特性，必须对双闭环调速系统的结构图进行分析。图2-2为双闭环调速系统的结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出。为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压为正极性。
图2-2双闭环调速系统结构图
（1）以电流调节器ACR为核心的电流环
电流环是由电流调节器ACR和电流负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过电流检测元件的反馈作用稳定电流。由于ACR为PI调节器，稳态时，其输入偏差电压=，即。其中β为电流反馈系数。
当一定时，由于电流负反馈的调节作用，使整流装置的输出电流保持在数值上。当时，自动调节过程为
最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。
（2）转速调节器ASR为核心的转速环
转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。
由于ASR采用PI调节器，所以在系统达到稳态时应满足，即。
当一定时，转速n将稳定在数值上。当n<时，其自动调节过程为
负载
最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。
（3）PI调节器的实现
PI算法是一种线性算法，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差：
e（t）=r（t）-c（t）。其控制规律为：
式中，Kp为比例系数，T1为积分时间常数。
简单来说，PI控制器各校正环节的作用如下：
比例环节：即时成比例的反应控制系统的偏差信号。比例系数大时，响应快，
但过大将产生超调；比例系数过小时，响应迟后。
积分环节；主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分时间过大时，响应
迟缓，对外部扰动的控制能力交差；积分时间过小时，将产生振荡。
2.3双闭环调速系统控制方案的确定
随着微处理器的出现及运算速度的提高，运动控制也由原来的以模拟量反馈、模拟控制器为核心的连续控制系统过渡到以数字量处理为主、以高速信号处理器为控制核心的数字控制系统。特别是当前网络技术(主要是现场总线技术)在工业领域的普及和发展，就更加确定了数字控制的主导地位[1][2][3][4]。
2.3.1连续控制与数字控制的特点
连续控制系统是以反馈控制理论为基础，由模拟电子电路构成控制器，因而存在如下主要弱点：
(1)由运算放大器构成的PID调节器，其参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象的变化自适应能力差；
(2)模拟控制器很难实现高级的控制策略和控制方法，难以实现对交流电机这样复杂对象的控制；
(3)受成本的，对反馈量的模拟电路检测精度不高，因而控制精度也不易提高；
(4)用模拟器件构成的控制电路集成度不高，硬件复杂，可靠性低，可重复性差。因而，连续控制已经不能适应运动控制系统的发展需要。以微处理器为核心的数字控制系统，不仅克服了上述连续控制的弱点，而且可以实现原连续控制不可想象的高复杂程度、高精度的控制，为运动控制注入了新的活力，并将其推向更高的发展阶段。归纳数字控制的主要特点如下：
(1)控制系统集成度高，硬件电路简单而且统一，可靠性高，可重复性好，对于不同的控制对象和控制要求，只需改变控制算法软件即可，可以实现同一控制器既可控制直流电机又可控制交流电机。
(2)数字控制器的输入输出通道可以实现控制量的模拟输出、反馈量的数字输入，具有数据采集速度快、值域范围宽、分辨率高、精度高等特点，为实现高性能的运动控制系统打下了基础。
(3)采用高速数字信号处理器为控制器，可以实现复杂的高性能的各种控制策略和方法，如矢量控制、多变量模糊控制等。由于软件的灵活性，可以尽可能充分地实现人工智能，更好地适应控制系统的复杂多交。
(4)借助一些人机界面设备(如与处理器相连的液晶显示屏、控制面板、触摸屏等)实现对系统运行状态的监控、预警、故障诊断等功能；借助处理器的通讯能力实现与上位机的通讯；借助现场总线技术实现底层控制设备的联网；因而更方便地实现高复杂度的多机协同工作。
2.3.2数字控制的双闭环直流调速系统
连续控制系统是以反馈控制理论为基础，由模拟电子电路构成控制器，因而存在以下弱点：由运算放大器构成的调节器参数一经设定，不易调整；对工况的变化和对象的自适应能力差；模拟控制器很难实现高级的控制策略和控制方法；模拟电路检测精度不高；由模拟器件构成的控制电路集成度不高，硬件复杂，可靠性低。以微处理器为核心的数字控制系统集成度高，由于采用高速数字信号处理器为控制器，可以实现复杂的控制策略和控制算法。另外可以借助一些人机界面设备实现对系统运行状态的监控、预警、故障诊断等功能。因而数字控制系统具有更高的发展前景。数字双闭环直流调速的结构图如图2-3示。
图2-3 双闭环直流调速系统原理图
2.4 本章小结
本章主要对直流调速系统的控制方案进行研究，通过方案的比较，确定了以DSP为核心的双闭环数字控制系统作为本设计方案。
第3章 双闭环直流调速系统的硬件设计
3.1控制系统的组成
系统的组成如图3-1所示，整个系统包括五大模块，即主电路模块，检测模块，键盘，显示与报警模块、通信模块和DSP微处理器模块。
主电路模块的主要功能是通过PWM变换器得到可调的直流电压，为直流电机供电；检测模块包括转速，电流的检测，转速和电流的检测为系统提供转速和电流负反馈信号，键盘、显示与报警模块(由单片机直接控制)负责转速的给电和实时显示，以及故障时的声光报警；通信模块负责DSP与PC机之间的数据通信．实现系统的计算机监控；DSP微处理器是整个系统的核心，它负责整个系统的管理和控制。
TMS320LF2407芯片自带A/D转换，多路可编程脉宽调制(PWM)输出和死区控制、多路信号输入捕捉(CAP)、光电编码盘接口(QEP)和CAN总线模块等资源，使得它在电机控制中具有无与伦比的优势。正因如此，本设计就采用TMS320LF2407芯片作为主控制器。
图3-1系统组成结构框图
3.2 TMS320LF2407 DSP 简介
目前，数字信号处理(Oigital Signal Processing，简称DSP)已经成为信号处理技术的主流。因为与早期的模拟信号相比，数字信号处理有着巨大的优势。早期的模拟信号处理主要通过运算放大电路进行不同的电阻组配实现算术运算，通过电阻、电容的组配实现滤波处理等，其中有一个很明显的问题是不灵活、不稳定，参数修改困难，需要采用多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电子开关选通才能修改处理参数；而且对周围环境变化的敏感性强，温度、电路噪声等都会造成处理结果的改变。DSP芯片采用改进的哈佛结构。其主要特点是程序和数据具有的存储空间，有着各自的程序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进行寻址，大大地提高了数据处理能力，非常适合于实时的数字信号处理；采用了并行机制的，流水线式的总线结构，具有片内集成的硬件累加器和乘法器，从而大大提高乘法的速度，并为提高系统的运行速度打下坚实的硬件基础。
由于DSP的优越性，它自20世纪60年代以来，迅速得到广泛的应用。DSP应用几乎遍及整个电子领域，典型应用有通信、语音处理、图形／图像处理、自动控制、仪器仪表及医学电子等，TI公司的C24x系列DSP是专为电动机控制而设计的，它们兼有DSP的高运算速度和单片机的强控制能力。
3.2.1TMS320LF2407DSP的特点
TMS320LF2407 DSP有如下特点：
(1)由于采用了高性能的静态CMOS制造技术，因此该DSP具有低功耗和高速度的特点。工作电压3.3V，有4种低功耗工作方式。单指令周期最短为25ns(40MHz)，最高运算速度可达40 MIPS，四级指令执行流水线。低功耗有利于电池供电的应用场合，而高速度非常适用于电动机的实时控制。
(2)由于采用了TMS320C2xxDSP CPU的内核，因此保证了与TMS320C24x系列DSP的代码兼容性．
(3)片内集成了32K字的Flash程序存储器、2K字的单口RAM、544字的双口RAM。因而使该芯片可用于产品开发。可编程的密码保护能够充分地维护用户的知识产权。
(4)提供外扩展K字程序存储器、K字数据存储器、K字I/O的能力。
(5)两个专用于电动机控制的事件管理器(EV)，每一个都包含：2个16位通用定时器，8个16位脉宽调制(PWM)输出通道；1个能够快速封锁输出的外部引脚PDPINTx(其状态可从COMCONx寄存器获得)；可防止上下桥臂直通的可编程死区功能；3个捕捉单元11个增量式光电位置编码器接口。
(6)可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。
(7)16通道10位A/D转换器，具有可编程自动排序功能，4个启动A/D转换的触发源，最快A/D转换时间为375ns 。
(8)控制器局域网(CAN)2．OB模块
(9)串行接口SPI和SCI模块
(10)基于锁相环的时钟发生器(PLL)
(11)41个通用I/0引脚
(12)32位累加器和32位算术逻辑单元(CALU))16位X16位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算15个外部中断1149.1-19901EEE标准的JTAG仿真接口。
(13)很宽的工作温度范围，普通级：-40～85℃，特殊级：-40～125℃。
3.2.2 TMS320LF2407DSP的组成及结构
TMS320LF2407DSP的结构见图3-2，它采用了改进的哈佛结构，该结构支持分离的程序总线和数据总线．这样的总线结构使取指令、执行指令、数据传送和外设控制可以并行进行，因此可以极大地提高工作速度。这也保证了指令系统中的大多数指令可以实现单指令多操作，即一条指令可以实现多种操作。由图3-2可见。TMS320LF2407DSP可分成三部分：DSP内核、存储器和外围设备。
DSP内核是DSP的核心，它担负着数据运算、信号处理的任务。它包括了累加器、算术逻辑单元CALU、状态寄存器S0和Sl、辅助寄存器、乘法器、移位器、临时寄存器T和乘积寄存器P。
存储器包括了32K字的FLash程序存储器、2K字的单口RAM(SARAM)和544字的双口RAM(DARAM)。
外围设备指的是DSP芯片中集成的除内核以外的功能模块，习惯上称之为外设。它包括事件管理器、ADC转换器、SPl和SCl串行接口，CAN接口等。
图3-2 TMS320LF2407DSP的结构图
3.3 TMS320LF2407 DSP控制器介绍
TMS320LF2407具有下述功能部件：30MIPS的CPU,片内RAM,ROM/FLASH，专用于电机控制的“事件管理器(event manager)”和片内外设。
3.3.1事件管理器模块EVA和EVB
“事件管理器”包括通用定时器、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路[5][6]。
(1)通用定时器。LF2407共有4个通用定时器，每个定时器包括：一个16位的定时器增/减计数的计数器TxCNT；一个16位的定时器比较寄存器TxCMPR；一个16位的定时器周期寄存器TxPR；一个16位的定时器控制寄存器TxCON；可选择的内部或外部输入时钟。各个GP定时器之间可以彼此工作或相互同步工作。与其有关的比较寄存器可用作比较功能或PWM波形发生。每个GP定时器的内部或外部的输入时钟都可进行可编程的预定标，它还向事件管理器的子模块提供时基。每个通用定时器有4种可以选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式、连续增／减计数模式。当计数器值和比较寄存器值相等时，比较匹配发生，从而在定时器的PWM输出引脚TxPWM/TxCMP上产生CMP/PWM脉冲，可设置控制寄存器GPTCON中的相应位，选择下溢、比较匹配或周期匹配时自动启动片内A/D转换器。
(2)比较单元与CMP/PWM脉冲输出。LF2407有6个比较单元，每个EV模块有3个。每个比较单元又有两个相关的PWM输出，比较单元的时基由通用定时器1(EVA模块)和通用定时器3(EVB模块)提供。每个比较单元和通用定时器l或通用定时器3，死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性可控的PWM输出。在每个EV模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚，这6个特定的PWM输出引脚可用于控制三相交流感应电机和直流无刷电机。由比较方式控制寄存器所控制的多种输出方式能轻易地控制应用广泛的开关磁阻电机和同步磁阻电机。
(3)捕获单元。捕获单元被用于高速I/O的自动管理器，它监视输入引脚上信号的变化，记录输入事件发生时的计数器值，即记录下所发生事件的时刻。该部件的工作由内部定时器同步，不用CPU干预。LF2407共有6个捕获单元，CAPl，CAP2，CAP3可选择通用定时器l或2作为它们的时基，但CAPl和CAP2一定要选择相同的定时器作为它们的时基。CAN，CAP5，CAP6可选择通用定时器3或4作为它们的时基，同样CAN和CAP5也一定要选择相同的定时器作为它们的时基。每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈。当捕获发生时，相应的中断标志被置位，并向CPU发中断请求；若中断标志己被置位，捕获单元还将启动片内A/D转换器。
(4)正交编码脉冲(QEP)单元。常用的位置反馈检测元件为光电编码器或光栅尺，它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号，其输出一般有相位差为90°的A，B两路信号和同步脉冲信号C。A，B两路脉冲可直接作为LF2407的CAP1/QEPl和CAP2/QEP2引脚的输入。正交编码脉冲电路的时基由通用定时器2或通用定时器4提供，但通用定时器必须设置成定向增/减计数模式，并以正交编码脉冲电路作为时钟源。
3.3.2 片内外设
TMS320LF2407片内外设包括一个A/D转换器、2个串口、CAN控制器模块和看门狗定时器及实时中断定时器[7]。
(1)A/D转换器。LF2407中配置有带采/保的16路10位375ns的A/D转换器，可用于模拟量(如温度、电压和电流信号等)的采样。
(2)SPI口和SCI串口。SCI口即通用异步收发器((DART)，用于与PC机串口等标准器件通信，可采用RS-232/485协议等，最大波特率2500Kbps。SPI口可用于同步数据通信，典型应用包括外部I/O或外设扩展，如移位寄存器、显示驱动、A/D转换器等。
(3)CAN控制模块。LF2407芯片中CAN模块是一个完全的CAN控制器，该控制器是一个16位的外设模块，可以为工业控制系统提供高可靠性的数据传送。
(4)看门狗与实时中断定时器。看门狗定时器是一个8位增量计数器。在正常工作情况下，程序周期性地对定时器进行清零；若程序运行出错，程序跑飞或系统死机，则定时器溢出，产生复位信号。
3.4 TMS320LF2407外围基本电路设计
DSP控制系统是以TMS320LF2407为核心，以及相关必要的周边器件，主要功能用来完成所需要的控制算法，产生PWM波形去控制系统工作，达到所要求的控制功能。它包括时钟电路、复位电路、电源管理电路、译码电路、A/D输入接口电路、PWM输出接口及功率驱动电路、电平匹配驱动电路、数码管键盘电路以及与上位机通信电路。
3.4.1时钟电路
给TMS320LF2407 DSP芯片提供时钟一般有两种方式。一种是利用DSP芯片内部所提供的晶振电路，在DSP芯片的Xl和X2/CLKIN之间连接一晶体可启动内部振荡器，如图3-3。电容C1、C2通常在10至30P之间选择，它们可对时钟频率起着微调的作用。晶体此时为基本模式，且为并联谐振。
图3-3 内部振荡电路
3.4.2电源转换电路
TMS320LF2407采用高性能静态CMOS，供电电压为低电压+3.3V，而系统中还有其他一些TTL芯片．需要+5V电压，为此，系统为一个多电源的系统[8]。电源转换电路的功能是用来产生稳定可靠的3.3V直流电源，提供给TMS320LF2407以及整个数字电路工作。
图3-4电源转换电路
整个电源转换电路的核心是电源转换芯片，采用TI公司的TPS76833QPWP芯片。它是TI公司为了配合DSP开发而专门设计的电源转换芯片。TPS76833QPWP实际上是一种低压降(LDO)的电压调节器，具有非常低的静态电流，即使对于变化的负载，静态电流仍能保持不变。TPS76833QPWP使用PMOS晶体管来传送电流，由于PWOS元件的栅极是电压驱动的，所以工作电流较低且在全负载范围不变。在欠压状态下，TPS76833QPWP的PG管脚输出启动为计算机和微控制器系统的复位信号，其内部比较器监视电压调节器输出电容，检测欠压状态，当欠压状态发生时，PG输出晶体管导通，使得PWRON-RST信号变为低电平。电源转换电路如图3-4所示。
3.5 电流检测单元的设计
3.5.1 电流检测原理
为了实现闭环控制，首先需要将被控量的数字信号或模拟信号检测出来，然后再反馈给控制系统，检测电路是电动机控制系统中的重要组成部分[9]。根据控制理论，我们知道反馈闭环系统对被控量检测装置中的扰动为力。因此，控制系统的精度依赖于反馈量检测元件的精度，它的设计是否合理，直接关系到装置运行的可靠性和控制的精度。
在反馈信号送到DSP之前，要注意判断数字信号的电平的匹配。为了低功耗，LF2407采用的是3.3V逻辑，这与常用的5V逻辑要区别清楚。3VCMOS电平可以直接输出到5VCMOS器件，但反之则会烧芯片。根据需要选择是否信号隔离或电平转换。
电流检测的方法有电阻检测，光耦检测等各种方法[10]。本系统采用磁平衡原理实现的霍尔元件来检测电流。在硬件电路的设计中，让动子线圈电流通过电流霍尔传感器，可以获得与其隔离并成正比例的小电流信号，然后用精密电阻采样此电流信号，经过运放跟随器，即可得到与动子线圈电流成正比例关系的电压信号，将此电压信号经过放大、偏移后由TMS320LF2407的ADC模块进行采集。
3.5.2电流检测的主要接口电路
电流环构成电枢电流负反馈，主要目的是在允许的范围内产生一个适当的电流参考值，以减小电源电压波动、负载作用和惯量变化带来的影响，使系统恒流起、制动，同时，如果电流检测值超过了所允许的最大值，则会产生中断，调用过流保护程序，关断PWM输出。但电流的采集必须考虑频率问题，本系统电流环的控制频率等于PWM信号的载波频率，也即每个PWM周期控制一次电流环。
电流检测接口电路如图3-5所示。由电压采样电路、滤波电路、放大电路、电压偏移电路和保护环节组成。霍尔电流传感器输出的小电流信号经过电压采样电路转换为电压信号，再经过滤波电路和放大电路进行放大。同时，由于点数绕组中的电流可正可负，于是传感器输出的电流也有正负之分，则转换为电压也有正负两种数值，为了满足LF2407的A/D采样端口单极性输入电压的要求，必须对电压信号进行电压偏移变换，如本系统直流电机的最大起动电流为14A，当I=5A时，对应A/D输入为3.3V；当I=-5A时，对应A/D输入为0V；当I=0A时，对应A/D输入为1.65V，以便将具有正负极性的电流反馈信号转换为单极性电压信号输入到LF2407的ADC单元。而两个二极管D9和D10则具有输入电压的保护功能。
图3-5电流检测电路
3.6速度检测原理
测速是速度闭环控制的关键。伺服控制系统对检测元件的基本要求是：精度好、灵敏度高、可靠性好。为了扩大调速范围，改善低速平稳性，要求测速元件低速输出稳定、纹波小、线性度好。通常的测速元件分为两大类：模拟测速元件和数字测速元件。
模拟测速元件，通常采用直流测速电动机。在本文的伺服控制系统中采用数字测速元件：光电编码器。它由槽型光电耦合器、光码盘、光电整形放大电路组成[11]。光电编码器每单位时间输出的脉冲数与速度成正比。
在本文的速度环中，捕获单元将捕获这些脉冲的时刻送入速度计算单元。用于计算当前的转速。为了实现精确计算，在硬件方面要采取的措施一方面是提高光电编码器的分辨精度，即采用高密度的光电编码器。光电码盘有一明暗相间的圆环以及一个附加的作为参考点的明条。在圆盘的一侧有光源，另一侧正对着两相邻的明暗区紧挨着有两个光敏接受元件。这两个光敏接受元件的安装位置应恰好使得在一个明暗区周期中或每当光电盘旋转一个节距时，产生具有90°相位差的正弦波A和B，这一组信号送到放大器进行整形，放大后，产生一系列矩形脉冲，分A、B两相输出，其中A相、B相相差90°；反转时，B相领先A相90°。根据这一关系，将编码器通过一机械传动机构与电机轴相连，通过读取A、B数字脉冲的个数及哪一列先到来，即可确定电机的转速与转向。
在LF2407中，两路正交信号的四倍频的实现是用事件管理器的一个正交编码器脉冲QEP(Quadrature Encoder Pulse)电路[12]。当QEP电路被使能时，会对引脚CAPl／QEPl和CAP2／QEP2上的正交编码输入脉冲进行解码和计数。QEP电路可以用作与一个光电编码器接口以获取一个转动机构的位置和速度信息。两个QEP引脚由捕获单元1和2以及QEP电路共享。捕获单元控制寄存器CAPCON位须正确配置，以使能QEP电路并禁止捕获单元l和2。这样就把两个相应的输入引脚分配给QEP电路。
QEP电路的方向检测逻辑测定哪个脉冲序列的相位领先，然后产生一个方向信号作为选定定时器的方向输入。如果CAPl/QEP1输入为相位领先的脉冲序列，选定的定时器递增计数，如果CAP2/QEP2输入为相位领先的脉冲序列，选定的定时器为递减计数。两个正交编码输入脉冲的两个沿均被QEP电路计数。因此送到GP定时器的时钟的频率是每个输入序列的四倍。这个产生的时钟与选定的定时器或32位的定时器的时钟输入端相连。
图3-6速度接口电路
3.7栅极驱动器的选择
MOSFET栅极驱动电路的作用是将控制电路的输出脉冲放大到足以激励功率转换电路的MOSFET管。栅极驱动电路的优劣和功能的完善程度对WFET本身的工作性能和可靠性有直接关系，它提供的驱动脉冲幅度以及波形关系到MOSFET的可变电阻电压降、存储时间、开通、关断瞬间漏极电压、电流的上升、下降速率等运行特性，直接影响其损耗和发热，对整个PWM系统的性能和安全可靠也有很大影响。
为此，MOSFET栅极驱动器我们采用IR公司的IR2110。IR2110是一种双通道高压高速功率MOSFET驱动器，它内部应用自举技术来实现同一集成电路可同时输出两个驱动高端与低端的通道信号。其特点为：设有悬浮电源可自激运行。工作电压范围为4V-500V；抗dv/dt干扰能力为500ns；15V时静态功耗为1.6mW，保证了芯片本身有整形功能，实现了无论其输入信号前后沿的陡度如何，可以保证加到被驱动功率器件的开关时间，降低开关损耗；输出栅极驱动电源范围宽为10V-20V；逻辑信号采用单独的逻辑电源，其工作范围为5-20V，逻辑地和电源地的工作偏差范围为-5V～+5V；CMOS施密特触发输入具有滞后和拉低功能；两通道均有适当的传输延时，其中导通延时为120ns，关断延时为94ns，最大额定匹配差为l0ns；输入和输出都设有锁存抗干扰CMOS电路，其输入输出可承受大于2A的反向电流。
3.7.1主要接口电路
接口电路如图3-7所示。IRF0的最大栅源电压为±20V，超过此限度值，即使电流被在很小值，也可能击穿栅源间的氧化层而造成损坏，为此，在IRF0的栅源间加了15V的齐纳二极管1N4744和一个20K的无感电阻，用以降低振荡和减小峰值电流。由于IRF0内部的续流二极管在高频PWM开关下回复时间不甚理想，为此，分别在四个IRF0的漏源之间接了一个快恢复二极管，即VDl，VD2，VD3，VD4，选用MUR820。由LF2407提供的两路带死区的PWM脉冲信号通过光电耦合器隔离变换后作用于IR2110芯片的控制输入端Hin和Lin，两路输出Ho和Lo与输入Hin和Lin相对应，当关闭功能端SD为低电平时，在对应输入端的上升沿时刻，对应输出端有输出信号；当SD端为高电平时，将同时关断高端和低端的输出信号，这为保护功率管和电机提供了很好的可控性。正常工作时，电源对自举电容的充电是在快恢复二级管VDl的导通期间进行。此时，MOSFET截止，其源极电位接近地电位，+15V电源通过D7给C9充电，使C9上的电压接近+15V。当MOSFET导通而VDl截止时，C9自举，D7截止，C9上存储电荷为IR2110的高端驱动输出提供电源。自举电容应选用损耗小、绝缘电阻高、频率特性好的电容，例如涤纶或C88电容。D7，D8应选用快恢复二极管，且反向耐压要能满足电路要求。
图3-7 H型功率驱动电路
3.8 RS-232接口
本系统中，所有的控制命令和检测数据都是使用上位机软件通过串口发送给DSP来执行的，因此串口通讯的设置具有十分重要的作用[13]。
控制器和上位机的通讯是通过DSP的SCI模块实现的，采用MAX232作为RS232电平与CMOS电平的转换，电路原理图如图3-8所示。
图3-8 RS-232接口电路
3.9 JTAG接口
在TMS320LF2407上设置有符合IEEEll49标准的JTAG标准测试接口及相应的控制器，不但能控制和观察多处理器系统中的每个处理器的运行，测试每块芯片，还可以通过这个接口来装入程序。利用PC机TI提供的仿真器，接通JTAG接口，就可以在PC上运行软件去控制DSP，和JTAG测试口同时工作的还有一个分析模块，它支持断点设置和程序存储器、数据存储器、DMA的访问，程序的单步运行和跟踪，以及程序的分支和外部中断计数等[14]。
为了方便调试，在控制卡上设置了JTAG接口。它是一个14针的接口，可以同TI的仿真器相连。JTAG接口与TMS320F2407的连接如图3-9所示，EMU0和EMU1信号加上拉电阻的目的是为了保证信号上升时间小于10us。
图3-9JTAG接口电路
3.10 键盘控制电路
本系统采用非编码连接式键盘，初步设定的按键主要有功能选择键、确认键、“+”键和“-”键，每个按键占有一根测试线，它们直接与单片机相连[15]。结构很简单。其电路图如图3-10所示。
图3-10 键盘控制电路
3.11过流保护电路
过电流保护电路：如图3-11所示，电流检测信号接入运算放大器LM324IR2130的反相输入端，当主驱动电路发生过流或直通时，运算放大器LM324IR2130的输出端输出低电平，光耦TLP250导通，再经过74LS06反相器输出低电平，该低电平接到DSP芯片的引脚，复位DSP芯片，封锁脉冲的输出[16]。
图3-11过流保护电路
3.12本章小结
本章详细介绍了采用DSP作为控制器的双闭环直流调速系统的硬件设计。介绍主电路元件的选择，电流检测电路，驱动电路，转速检测电路以及过流保护电路等的设计。
第4章 双闭环直流调速系统的软件设计
4.1系统的软件结构
TMS320LF2407提供两种编程语言：C/C++语言或汇编语言。其中，C语言编写的程序可读性/移植性强，且大大缩短了开发周期，但执行效率低，程序出错时不易诊断。汇编语言程序效率高，但编写比较烦琐。通常做法是程序核心部分(即经常调用部分)采用汇编语言编写，以提高整个系统的执行效率；对实时性要求不高的部分采用C语言编写以降低程序的复杂度，提高程序的可读性和可修改性。本设计采用C语言和汇编语言混合语言编写的多文件结构。在本系统中根据双闭环直流调速系统的原理，主要用到了DSP控制器中的事件管理器和A/D转换模块。如前所述，为了产生定时触发脉冲，除了利用三个PWM比较单元外，还要用到事件管理器中的定时器1来产生中断。而且在本系统中的软件设计中，要进行电流环和速度环中控制量的计算以及相位角度的计算，所以利用定时器1产生中断2，然后在服务子程序中进行相应的计算。直流调速系统要满足一定的性能要求，速度调节器的设计可以说是最关键的，因为ACR毕竟控制内环，转速调节器主要还是靠ASR来完成[17]。一个设计良好的ASR能使系统达到：在给定值无变化时，转速能稳定在给定值上；在给定值大幅度变化(正、反切换)或外界扰动(如负载的突加或突卸等)下，系统能快速跟踪给定恢复到给定值。因此，在本系统中，电流环仍采用PI控制，速度还仍采用模糊自适应PID控制。系统的程序有：
(1)初始化子程序：完成对DSP内部寄存器/定时器和中断系统的初始化，可编程接口芯片的初始化。
(2)模数转换子程序：完成将模拟量转化为数字量，供DSP运算时使用。采用定时器1，当定时时间到时，进行电流采样并存储。
(3)电流环PI运算子程序：完成对电流PI调节器的比例积分运算。
(4)转速环模糊自适应子程序：针对模糊化转速调节器的输入误差和误差变化量，调整PID参数。
(5)数字滤波子程序：在电路反馈信号中，一般夹杂着干扰信号，当电流反馈信号转化为数字量后，通过数字滤波子程序来抑制干扰。
(6)触发脉冲产生子程序：用于产生六路可控硅桥式变流器的触发脉冲信号。同步触发脉冲信号从DSP的具有最高中断优先级的XINT口输入，具有编程方便，极少占用CPU时间等优点。
(7)测速子程序：用于对光电编码器的脉冲进行计数，然后转换成速度值。
(8)串行通信子程序：设置与组态王的通信，传输系统运行的信息。
4.2主程序
主程序主要完成系统的初始状态、发生中断类型以及定时器的设置工作以及相应变量的定义。主程序中首先完成对TMS320LF2407内部的事件管理器(EV)寄存器初始化(包括定时器寄存器、中断寄存器、PWM控制寄存器等的初始化)、时钟模块的初始化(主要设定CPU工作主时钟和系统总线时钟)以及对各变量的初始化和串口的初试化。
主程序流程图如图4-1所示。
图4-1主程序流程图
初始化子程序主要完成DSP事件管理器、变量初始化、定时器初始化及串口初始化。
4.3中断程序
TMS320LF2407A DSP可屏蔽中断结构的特点是：几个中断共用一个CPU中断INTN作为中断入口。当这几个外设中的某几个中断源同时产生中断申请时，它们中优先级最高的获得CPU中断的响应，硬件自动地转向这个中断入口地址(中断向量地址)，同时将这个外设中断的中断向量偏移地址装入外设中断向量寄存器[18]。在CPU中断服务子程序中，通过软件从PIVR中取出外设中断向量地址，并通过软件转向外设中断服务子程序。
当发生中断2(INT2)时，可以根据中断矢量寄存器EVIVRA中的值来判断发生中断的类型，然后在原地址的基础上，加上中断服务子程序偏移地址，系统便会跳转到相应的中断服务子程序中执行。系统的中断服务子程序如图4-2所示：
图4-2中断服务子程序流程图
4.4电流环程序
在电流环中，若不考虑电流断续情况，数字电流调节器采用PI调节器即可。考虑到晶闸管非线性效应和负载效应，为了解决电流断续以及断续引起的问题，我们采用自适应电流调节器，即当电流连续时，电流调节器为PI，当电流断续时，电流调节器变为I调节器。只需一条判断语言就可以完成自适应[19]。电流环中断服务程序流程图如图4-3所示。图中，首先进行电流采样．然后根据电流断续情况．选择带限幅的I或PI运算．最后是进行数字触发运算。
图4-3电流环程序流程图
4.5速度环程序
速度环则采用模糊控制，速度环程序流程框图如图4-4所示，
图4-4速度环程序流程图
由于整个系统实现了数字化控制，所以能方便地通过软件引进各种特殊的控制方式。例如在电机启动时，通过程序的判断可以使转速环实现积分分离，直接进行大比例环节的运算，保证电流环的给定立即达到最大值，从而使启动电流稳定在最大允许值上，实现快速启动[20]。
4.6 本章小结
本章介绍了双闭环调速控制系统软件设计，程序包括主程序、中断服务程序和子程序，并给出对应的程序流程。
结 论
本论文对系统控制方案进行论证，选择经典的双闭环调速系统结构，模糊控制作为转速调节器控制方案，PI调节作为内环电流环的控制方案，选用TMS320LF2407为主控芯片解决系统实时性；在此基础上进行了系统的软件程序编写和硬件电路的设计，设计了电流调节器调节器，速度调节器。本文对全数字直流调速系统的设计和研究做了大量的工作，从控制系统方案论证，方案选型，都做了很多研究。由于本人学识有限，工作中需要花费许多时间学习各种新知识，所以本文完成稍显仓促，会有不少缺陷，望大家批评指正。
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致 谢
时光荏苒，四年的学习生活即将结束。四年来，得到电信学院的领导、老师和同学们的热心帮助，我才得以顺利地完成学业。在论文即将完成之际，我首先要感谢我的辅导老师祁红岩老师，在课题研究期间，祁老师给了我方方面面、细致入微的指导。在这几个月里，祁老师广博的学术知识、严谨求实的学习态度都为学生做出了良好的榜样。祁老师在这段时间给了我无私的教诲，使我受益匪浅。在即将离开母校之际，我向杨老师致以最崇高的谢意!
感谢电信学院的领导和各位老师对我在个方面的帮助和支持，特向他们表示衷心的感谢。他们对我的关心和帮助我永远铭记于心。
感谢刘洋，许陆，何新，裴建航等同学，大家在祁老师的指导下共同探讨，使得我的论文得以顺利完成。同时感谢，刘锦龙，衣雪飞，李吉军，张宝荣，张庆，刘晓鑫，王伟，王宇坤，张孝哲等同学，我不一一列举，大家四年的同窗生活令人难忘，同学之间的感情将永远是我一生中的宝贵财富。
感谢我的父母，感谢他们二十多年来的养育和教导，是他们一直在支持我，鼓励我奋发进取。
最后，感谢审阅、评议本论文和参加论文答辩的老师们
附录
主程序
Main（）
{
Syslnit()；
ADInit()；
GetlnitPos()；
Variallnit()；
UartInit()；
Intlnit()；
EnableInt(16)：开串口中断5
while(1)
{
if(nStart=2)，电机启动命令
{
nStart=1;电机运行
GetInitPos()；
Cap451nit()；
EVAlnit()；
StartTimer3()；
*TICON=*T1CON /0x0040；启动定时器l
EnableInt(10)；开捕获中断4，定时器中断2
}
if(nStart=0)//电机停止命令
{
*TICON=*TICON&0x0FFBF；停止定时器1
nStart=10；
}
If(nStart=1)
{
… …
}}
}
中断程序
void interrupt Cap45tnt（）
{ int flag；
flag=*EVBIFRC&0x03；
if(flag==oxo)
{ asm(“clrc INTM”)；
return；
}
//处理换相
if(bRotateFlag)//正转(cw)
{ ncurPhase=nCurPhasw+l；
if(nCurPhsse==5
nCurPhase=l：
}
Else//反转(CCW)
{ nCurPhase=nCurPh∞e-1∥调整当前换相标志
if(nCurPhase=0)
nCurPhase=4：
}
nPhFlag=O：
nCapCnt++：
if(flag=1)
flag=*CAP4FIFO；
else
flag=*CAP5FIFO；
SurSpeed[nCapCnt-1]= 60/(24*3.2e-6*flag)；
if(nCapCnt=4)
{
aCapCnt=0：
for(i=0；i<4；i+”
／／允许换相
cursoced=curspeed+SurSpd[i]/4；//计算平均速度
}
if(abs(CurSpeod-speedRef)>5) ／，如果误差大于5 rpm，则调节
SpeedPIDAjust()；
*EVBIFRC=‘EVBIFRC/0 0x0FFFF；
}
void interrupt TIPhaseInt()
{ intntmp；
char cMmp；
CurA2D0；
CurrontPIAjustO；
If(bSpeedAdjust)
if(nCycle>3)
nCyck=0：
nCycI}№
switch(nCurPImse)
{
break；
default：
break；下载本文
