計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

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1、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 第1節(jié) 實(shí)驗(yàn)軟件介紹 一、CCS實(shí)驗(yàn)環(huán)境 1、準(zhǔn)備 首先將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的仿真器（ICETEK-5100USB）連接到電腦USB接口上，如果連接良好，仿真器上綠色Run和紅色Power指示燈會(huì)亮。連接好實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源線，然后打開實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源開關(guān)，給系統(tǒng)供電。 2、進(jìn)入CCS 雙擊桌面圖標(biāo)，進(jìn)入如圖1.1界面所示 圖1.1 進(jìn)入CCS后的界面 3、一個(gè)工程中包括的文件 1）頭文件 “Include”文件夾下后綴是“.h”的文件就是2812的頭文件。頭文件的作用是定義了28

2、12內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在一般情況下頭文件并不需要修改，用戶可以將在整個(gè)工程內(nèi)都具有作用域的全局變量在頭文件中進(jìn)行定義。Test例程中的頭文件如圖1.2所示。 頭文件一般由三部分內(nèi)容組成：頭文件開頭處的版權(quán)和版本聲明、預(yù)處理塊以及函數(shù)和類結(jié)構(gòu)聲明等。在頭文件中，用ifnde/define/endif結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)處理塊，用#include格式來引用庫(kù)的頭文件。發(fā)現(xiàn)頭文件的主要作用在于調(diào)用庫(kù)功能，對(duì) 圖1.2 test例程中的頭文件 各個(gè)被調(diào)用函數(shù)給出一個(gè)描述，其本身不包含程序的邏輯實(shí)現(xiàn)代碼，它只起描述性作用，告訴應(yīng)用程序通過相應(yīng)途徑尋找相應(yīng)功能函數(shù)的真正邏輯實(shí)現(xiàn)代碼。用戶程序只需要按

3、照頭文件中的接口聲明來調(diào)用庫(kù)功能，編譯器會(huì)從庫(kù)中提取相應(yīng)的代碼。 2）庫(kù)文件 “Libraries”下的庫(kù)文件是C語(yǔ)言系統(tǒng)的庫(kù)文件，在CCS2.0下的File View面板中“Libraries”下是看不見的，在CCS3.0以上的版本才能看見。庫(kù)文件的作用是將函數(shù)封裝在一起編譯后供用戶調(diào)用。使用庫(kù)函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于編譯后的庫(kù)文件看不到源代碼，保密性較強(qiáng)，同時(shí)不會(huì)因?yàn)椴恍⌒男薷牧撕瘮?shù)而出問題，便于維護(hù)。2812的庫(kù)函數(shù)可以在“D:\Program Files\ti\c2000\cgtools\lib”(若安裝時(shí)更改了路徑，可在安裝目錄下尋找)路徑下找到。 3）源文件 用戶開發(fā)時(shí)編寫的軟件代碼

4、都是保存源文件中，這些文件都是以“.c”或“.asm”為擴(kuò)展名的，圖1.3所示sourece目錄下的文件為test例程中的源文件。 下面來分析一下該文件夾下各個(gè)源文件的內(nèi)容，以便于更好地理解和采用這種文件結(jié)構(gòu)。 ●DSP28_CpuTimers.c CPU定時(shí)器的初始化和配置函數(shù)，與CPU的定時(shí)器相關(guān)。 ●DSP28_Defau1tIsr.c 包含了2812所有的中斷函數(shù)，寫中斷時(shí)，只要將程序?qū)懺趯?duì)應(yīng)的函數(shù)內(nèi)就可以，大大保證了中斷的成功率。 ●DSP28_GlobalVariableDef.c 全局變量的定義，這個(gè)文件也很重要，定義了2812的寄存器、中斷向量表等內(nèi)容。

5、 圖1.3 test中的源文件 ●DSP28_PieCtr1.c PIE初始化函數(shù)，和中斷相關(guān)。 ●DSP28_PieVect.c PIE中斷向量表定義以及初始化。 ●DSP28_Spi.c 外設(shè)SPI的初始化函數(shù)，只和外設(shè)SPI相關(guān)。 ●DSP28_SysCtrl.c 系統(tǒng)初始化，主要對(duì)開門狗、時(shí)鐘等模塊進(jìn)行初始化，以保證2812正常工作。 以上為TI公司提供，一般TI公司都會(huì)針對(duì)出品的芯片提供對(duì)應(yīng)的外設(shè)使用函數(shù)，用戶可以直接調(diào)用或者稍作修改，以減少開發(fā)系統(tǒng)的工作量。 ●DSP281x_CodeStartBranch.asm，設(shè)置跳轉(zhuǎn)到用戶程序的C入口點(diǎn)的 _c_int0

6、0（_c_int00負(fù)責(zé)初始化C環(huán)境、申請(qǐng)堆棧、初始化有初值的變量等）和看門狗使能。TI公司提供。 ●test.c main函數(shù)所在的文件，每個(gè)工程只能有一個(gè)main函數(shù)，程序開始是從main開始的。為用戶主要編寫源程序的位置。 4）CMD文件 如圖1.4所示是例程中的CMD文件，這個(gè)文件的作用是用來分配存儲(chǔ)空間的。由于DSP編譯器的編譯結(jié)果是未定位的，DSP也沒有操作系統(tǒng)來定位執(zhí)行代碼，DSP系統(tǒng)的配置需求也不盡相同，因此可以根據(jù)實(shí)際的需求，自己定義代碼的存儲(chǔ)位置。 鏈接器命令文件CMD由三部分組成：輸入/輸出定義，MEMORY命令和SECTION命令。輸入/輸出定義這部分包括輸入

7、文件名（目標(biāo)文件.obj、庫(kù)文件.lib和交叉索引文件.map）、輸出文件.OUT和鏈接器選項(xiàng)。鏈接器命令文件含有鏈接時(shí)所需要的信息。 命令文件的開頭部分是要鏈接的各個(gè)子目標(biāo)文件的名字，這樣鏈接器就可以根據(jù)子目標(biāo)文件名，將相應(yīng)的目標(biāo)文件鏈接成一個(gè)文件；接下來就是鏈接器的操作指令，這些指令用來配置鏈接器；接下來就是MEMORY和SECTIONS兩個(gè)偽指令的相關(guān)語(yǔ)句，必須大寫。MEMORY用來配置目標(biāo)存儲(chǔ)器，SECTIONS用來指定段的存放位置。 CMD文件又分成兩種，一種是分配RAM空間的，用來將程序讀取到RAM內(nèi)進(jìn)行調(diào)試，因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間都是在調(diào)試程序，所以多用這類CMD文件，工程中的“F2

8、812_EzDSP_RAM_lnk.cmd”就是用于分配RAM空間的。另一種是分配FLASH空間的，當(dāng)程序調(diào)試完畢后，需要將其燒寫到FLASH內(nèi)部進(jìn)行固化，這個(gè)時(shí)候需要使用這類CMD文件。 “DSP281x_Header_nonBIOS.cmd”是外設(shè)寄存器鏈接命令文件，將頭文件中定義的外設(shè)結(jié)構(gòu)體分配到正確的存儲(chǔ)器映射空間。 圖1.4 test程中CMD文件 4、建立一個(gè)工程 點(diǎn)擊菜單欄中的“Project”按鈕，會(huì)出現(xiàn)如下圖所示的界面，然后選擇“New”，如圖1.5所示的界面。 圖1.5 新建一個(gè)工程 執(zhí)行菜單命令“Project”→“New”，彈出“Project Cr

9、eation”對(duì)話框。在“Project”文本框中輸入工程名稱“test”， 在“Location”區(qū)域選擇工程所要保存的路徑“D:\Program Files\ICETEK\F2812As60\F2812AS60\DSP281x_examples\”，如圖1.6所示。 圖1.6 Project Creation對(duì)話框 單擊按鈕，CCS就創(chuàng)建了一個(gè)新的工程，如圖2.7所示。 圖2.7 創(chuàng)建一個(gè)新的工程 5、向工程添加文件 工程文件創(chuàng)建好后，開始向工程中添加文件，包括源文件、庫(kù)文件、ASM文件以及CMD文件。在向工程中添加文件之前先要建好所需要的工程文件。 1）建立一個(gè)“t

10、est.c”文件，執(zhí)行菜單命令“File”→“New” →“Source File” ，或者執(zhí)行“Ctrl+N”，如圖1.8所示，然后點(diǎn)擊“保存”按鈕，將其保存為“test.c”在工程文件夾test下，然后就可以在其中編寫實(shí)現(xiàn)特定功能的源代碼。 圖1.8 新建一個(gè).c文件 2）執(zhí)行菜單命令“Project”→“Add Files to Project” ，選擇上一步保存的“test.c”，然后單擊按鈕，將源文件添加到工程中。 3）執(zhí)行菜單命令“Project”→“Add Files to Project”，在 “D:\Program Files\ICETEK\F2812As60\F2

11、812AS60\DSP281x_common\source”目錄下加入已經(jīng)編寫好的工程所需的源文件（.c），如圖1.9和1.10所示。 圖 1.9 工程加入c文件 圖1.10 本工程所需.c文件 4）執(zhí)行菜單命令“Project”→“Add Files to Project”，在根目錄“D:\Program Files\ICETEK\F2812As60\F2812AS60\DSP281x_common\source”中選擇“DSP281x_CodeStartBranch.asm”，如圖1.11所示，然后單擊按鈕，將該文件添加到工程中。 圖1.11 項(xiàng)工程中添加“.asm

12、”文件 5）執(zhí)行菜單命令“Project”→“Add Fi1es to Project”，在彈出對(duì)話框的查找范圍中找到目錄： “D:\Program Files\ICETEK\F2812As60\F2812AS60\DSP281x_common\cmd”，選擇“F2812_EzDSP_RAM_lnk.cmd”，然后單擊按鈕，將CMD文件添加到工程中； “D:\Program Files\ICETEK\F2812As60\F2812AS60\DSP281x_headers\cmd”中的“DSP281x_Headers_nonBIOS.cmd”加入到工程中。這兩個(gè)CMD文件包含程序段到存儲(chǔ)

13、器的映射。 6）執(zhí)行菜單命令“Project”→“Add Files to Project”，在彈出對(duì)話框的在彈出對(duì)話框的查找范圍中找到目錄“D:\Program Files\ti\c2000\cgtools\lib”。選擇“rts2800_ml.lib”，然后單擊按鈕，將庫(kù)文件添加到工程中。該庫(kù)文件對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)DSP提供運(yùn)行支持。 在以上的操作中并沒有將頭文件加載到工程中，CCS將在創(chuàng)建時(shí)自動(dòng)查找所需要的頭文件。當(dāng)創(chuàng)建完成時(shí)，可以再Project視圖中看到生成程序所需要的頭文件。 6、 查看源代碼 雙擊Project View中的 “ .c” 文件，可在窗口的右半部看到源代碼。如想使窗

14、口更大一些，以便能夠即時(shí)地看到更多的源代碼，可以選擇“Option”→“Font”更改窗口中的文字的字體、顏色和大小。雙擊Project View中的“test.c”可以查 看其中的源代碼如圖1.12所示。 圖1.12 一個(gè)工程中的部分源代碼 二、編譯和運(yùn)行程序 1） Project菜單 執(zhí)行菜單命令“Project”→“Rebuild All”或者在“Project”工具欄上單擊圖標(biāo)，開始對(duì)程序進(jìn)行編譯、匯編和鏈接，“Output”窗口將顯示進(jìn)行編譯、匯編和鏈接的相關(guān)信息，如錯(cuò)誤、告警…… 執(zhí)行菜單命令“Project”→“Build”或者在“Project”工具欄上單擊圖標(biāo)

15、，開始對(duì)編譯和鏈接，對(duì)那些沒有修改的源文件，CCS將不重新編譯。 執(zhí)行菜單命令“Project”→“Compile File”或者在“Project”工具欄上單擊圖標(biāo)，對(duì)C或匯編源文件進(jìn)行編譯。 2）File菜單 執(zhí)行菜單命令“File”→“Load Program”，打開如圖1.13所示“Debug”文件夾，選擇選擇剛編譯過的程序的輸出“test.out”并將其打開。CCS把程序加載到目標(biāo)系統(tǒng)DSP上，并打開如圖1.14所示的反匯編窗口，該窗口顯示反匯編指令。 圖1.13 下載文件時(shí)的窗口 圖1.14 反匯編窗口 執(zhí)行菜單命令“File”→“Reload Progra

16、m”，重新加載COFF文件，如果程序未做更改則只加載程序代碼而不加載符號(hào)表。 3） Debug菜單 執(zhí)行菜單命令“Debug”→“Run”，或者點(diǎn)擊圖標(biāo)，運(yùn)行程序，碰到斷點(diǎn)將暫停程序。 執(zhí)行菜單命令“Debug”→“Animate”，或者點(diǎn)擊圖標(biāo)，運(yùn)行程序，碰到斷點(diǎn)時(shí)程序暫停運(yùn)行，在更新未與任何Probe Point相關(guān)聯(lián)的窗口后程序繼續(xù)運(yùn)行。 執(zhí)行菜單命令“Debug”→“Halt”，或者點(diǎn)擊圖標(biāo)，終止程序運(yùn)行。 執(zhí)行菜單命令“Debug”→“Go Main”，可以把剛編譯好的文件跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)，然后開始單步調(diào)試 執(zhí)行菜單命令“Debug”→“StepIn”，或點(diǎn)擊圖標(biāo)，單步

17、運(yùn)行，如遇到子函數(shù)會(huì)進(jìn)入到子函數(shù)，然后單步運(yùn)行。 執(zhí)行菜單命令“Debug”→“StepOver”，或點(diǎn)擊圖標(biāo)，執(zhí)行一條C或者匯編指令，為保護(hù)處理器流水線，該指令后的若干條延時(shí)分支或調(diào)用將同時(shí)執(zhí)行 執(zhí)行菜單命令“Debug”→“Run to Cursor”，或點(diǎn)擊圖標(biāo)，執(zhí)行到光標(biāo)處，光標(biāo)所在行必須為有效的代碼行。 光標(biāo)放在想要設(shè)置斷點(diǎn)的行點(diǎn)擊圖標(biāo)或者雙擊的最左邊的灰色邊框，可以設(shè)置斷點(diǎn)，設(shè)置完成后斷點(diǎn)所在行最左邊灰色區(qū)域有斷點(diǎn)，程序運(yùn)行到斷點(diǎn)時(shí)將停止運(yùn)行。當(dāng)程序停止運(yùn)行時(shí)，可以檢查程序運(yùn)行的狀態(tài)，查看和更改變量值，查看堆棧等。 點(diǎn)擊圖標(biāo)或者雙擊斷點(diǎn)的紅色圖標(biāo)，就可以取消斷點(diǎn)。 執(zhí)行菜

18、單命令“Debug”→“Run Free”，忽略所有斷點(diǎn)，從當(dāng)前PC處開始執(zhí)行程序。 執(zhí)行菜單命令“Debug”→“Reset DSP”，初始化所有的寄存器到其上電的狀態(tài)并終止程序運(yùn)行。 執(zhí)行菜單命令“Debug”→“Restart”，將PC值恢復(fù)到程序入口處，此命令并不開始程序的執(zhí)行。 4） View菜單 執(zhí)行菜單命令“View”→“Watch Window”，或者點(diǎn)擊圖標(biāo)，用來檢查和編輯變量或者C表達(dá)式，可以以不同的格式顯示變量值，對(duì)變量“EvaRegs.T1PR”“ EvaRegs.T1CMPR”的查看如圖1.15所示 圖1.15 Watch Window對(duì)變量的查看 執(zhí)

19、行菜單命令“View”→“Quick Watch”，或者點(diǎn)擊圖標(biāo)，可以用來對(duì)變量的查看和編輯和“Watch Window”有著相同的作用，查看“EvaRegs.T1CMPR”變量時(shí)如圖1.16所示。 圖1.16 Quick Watch對(duì)變量的查看 執(zhí)行菜單命令“View”→“Memory”，顯示指定存儲(chǔ)器的內(nèi)容。 執(zhí)行菜單命令“View”→“Disaseembly”，當(dāng)將程序加載到目標(biāo)板后，CCS將自動(dòng)打開一個(gè)反匯編窗口，反匯編窗口根據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容顯示反匯編命令和符號(hào)信息。 第二節(jié) 直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 一、調(diào)速原理 1、直流電機(jī)調(diào)速模型 直流電

20、動(dòng)機(jī)是通過作用于轉(zhuǎn)子電樞上的電壓Ua產(chǎn)生電流Ia使電樞形成磁場(chǎng)，再而與定子的磁場(chǎng)作用達(dá)到輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目的。其模型示意如圖2.1所示（忽略回路電感效應(yīng)）。 圖2.1 直流電動(dòng)機(jī)模型 對(duì)電動(dòng)機(jī)電樞回路 （1.1） 為加到電動(dòng)機(jī)兩端的電網(wǎng)電壓，為電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)，為回路電流，為電動(dòng)機(jī)總電阻。 電樞繞組反電動(dòng)勢(shì) （1.2） ：電勢(shì)常數(shù)；：磁通，常數(shù)。 電磁轉(zhuǎn)矩 （1.3） ：轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

21、 （1.4） 由（1.1）（1.2）（1.3）得： （1.5） 由此得到直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式，即調(diào)速基本模型。負(fù)載不變，轉(zhuǎn)速隨電壓變化。 為達(dá)到閉環(huán)調(diào)速要求能平穩(wěn)連續(xù)過渡的情況，實(shí)驗(yàn)中采用PWM改變電樞端電壓調(diào)速的方法。 2、PWM PWM是pulse width modulation 的簡(jiǎn)寫，也就是脈寬調(diào)制，就把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 圖 2.2 PWM波 電源幅值為Us,加到電機(jī)兩端的平均電

22、壓為： （1.6） 二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理框圖 將式（1.1）-（1.4）拉式變換，電機(jī)閉環(huán)調(diào)速整個(gè)控制原理框圖如圖2.3所示 圖2.3 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 采用DSP2812實(shí)現(xiàn)的原理框圖如2.4所示 圖2.4 基于2812的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)各部分說明：1）人機(jī)交互：鍵盤（給定值和方向設(shè)定）和液晶參數(shù)和信息顯示顯示 ；2）光電隔離實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)強(qiáng)電（電機(jī)24V）和弱電（5V）分開；3）.將控制信號(hào)變

23、成功率信號(hào)帶動(dòng)電機(jī)工作；4）碼盤輸出電脈沖信號(hào)供計(jì)算機(jī)測(cè)速5）DSP2812計(jì)算反饋速度，完成控制算法，控制輸出，并通過片上PWM模塊完成控制信號(hào)PWM波的輸出。 2、系統(tǒng)主要部分分析 1）控制算法及數(shù)字實(shí)現(xiàn) 電機(jī)的電壓輸入和速度輸出近似成一級(jí)慣性環(huán)節(jié)，采用PI控制規(guī)律。 離散的位置式： (1.6) 其中: —第k次采樣時(shí)的偏差； —第k-1次采樣時(shí)的偏差。 增量式為： (1.7) 第k-1次控制周期里輸出的控制量。 由于不能準(zhǔn)確的建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，所以只能采用試湊

24、法來整定系統(tǒng)控制器的參數(shù)。一般先調(diào)控制器Kp的參數(shù)，適當(dāng)增加Kp，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度提高，偏差減小，但不可過大增加Kp，否則系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重超調(diào)甚至不穩(wěn)定。當(dāng)動(dòng)態(tài)特性較好時(shí)，但偏差不在允許范圍內(nèi)，這時(shí)適當(dāng)加入積分控制器，以消除靜差。聯(lián)合調(diào)試Kp和Ki兩參數(shù)直到系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到要求。 2）PWM產(chǎn)生 一種是定時(shí)中斷，基本思路：用一個(gè)定時(shí)器做基本單元定時(shí)，每次基本定時(shí)到，則在中斷程序中將高電平計(jì)數(shù)減1，直到高低平計(jì)數(shù)完，開始低電平計(jì)數(shù)，周而復(fù)始。 DSP2812上自帶PWM信號(hào)發(fā)生單元。基本思想：利用高速時(shí)鐘HSPCLK的周期t0為基本時(shí)間單元，一般PWM產(chǎn)生要設(shè)定兩個(gè)寄存器，一個(gè)是周期寄存器

25、，另一個(gè)是比較寄存器（改變占空比的），假設(shè)周期寄存器設(shè)定的值為N，PWM波的周期T=N* t0。當(dāng)啟動(dòng)PWM單元工作后，對(duì)應(yīng)定時(shí)器工作，當(dāng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值與周期寄存器相等時(shí)對(duì)應(yīng)輸出管腳的電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)束又從新開始，周而復(fù)始從生成PWM波。基本思想跟第一種方式基本相同。用中斷模擬的方式要占用CPU的資源，而自帶PWM模塊的，自動(dòng)完成。 3）速度檢測(cè) （1）碼盤工作原理 電機(jī)速度檢測(cè)一般可用測(cè)速電機(jī)或光電編碼盤。本系統(tǒng)中采用1024線的光電碼盤，其工作原理如圖2.5所示，光源通過兩個(gè)光電孔發(fā)出兩束光，通過碼盤的縫隙在光電元器件A、B上產(chǎn)生兩路脈沖信號(hào)。碼盤和電機(jī)同軸，如果碼盤被電機(jī)帶動(dòng)

26、轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，光電元件A,B會(huì)輸出兩路N個(gè)脈沖)，相位相差1/4周，正傳，A相超前，反轉(zhuǎn),B相超前。轉(zhuǎn)過一圈Z相發(fā)出一個(gè)脈沖。 圖2.5 光電碼盤原理及輸出 （2）轉(zhuǎn)速計(jì)算 T法：兩個(gè)脈沖所花的時(shí)間。適用慢速。需要一個(gè)定時(shí)器定時(shí)基本微小時(shí)間T0，和一個(gè)可以響應(yīng)脈沖信號(hào)作為中斷源的中斷入口。 M法：一段微小基本時(shí)間有多少個(gè)脈沖。適用高速。需要一個(gè)定時(shí)器定時(shí)一個(gè)基本單元T0，一個(gè)作為計(jì)量脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)器。 本系統(tǒng)由于碼盤輸出脈沖頻率較高，采用M法。碼盤一圈輸出1024個(gè)脈沖，假如1ms計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)變化值為100，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=1000*100*60/1024轉(zhuǎn)/分。 （3）正交解碼單元

27、（DSP上） DSP2812上有專門的正對(duì)碼盤的計(jì)數(shù)單元叫正交解碼單元（QEP）；和碼盤的連接，A相輸出接QEP1，B相接QEP2。其內(nèi)部原理圖如圖2.6所示。 圖2.6 正交編碼電路示意圖 QEP譯碼電路將碼盤輸出的信號(hào)4倍頻給計(jì)數(shù)器，同時(shí)將A,B兩項(xiàng)的前后關(guān)系議成DIR信號(hào)給計(jì)數(shù)器，如果A相超前B（電機(jī)正轉(zhuǎn)）則計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值增加，如果B超前（電機(jī)反轉(zhuǎn)）則計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值減小。如碼盤一圈輸出1024個(gè)脈沖，1ms計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)增加100，電機(jī)的正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速n=（1000*100*60）/（4*1024）轉(zhuǎn)/分。 三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 1、

28、硬件（片上）資源分配 鍵盤 8個(gè)I/0 顯示 LCD 4個(gè)I/0 PWM EVA 通用定時(shí)器1, T1PWM 測(cè)速 EVA 通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2， CPU定時(shí)器0 定時(shí)。 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示。 圖2.7 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)示意圖 2、各部分硬件設(shè)計(jì) 1 )DSP最小系統(tǒng)及外圍電路 外接晶振 30MHZ 復(fù)位電路 STC825S MP130 電源 1.8V 內(nèi)核，3.3V片上外設(shè) TPSHD138 電平轉(zhuǎn)換 74HC2

29、54 74HLVC3245 2）光電隔離 光電隔離通常將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，在另一邊再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電子信號(hào)。如此兩邊電路就可以互相隔離，從而防止驅(qū)動(dòng)電路的高電壓、脈動(dòng)電流對(duì)微控電路影響，光電隔離單元電路圖如圖2.8所示。由于DSP281輸出的電流不足以驅(qū)動(dòng)TLP512，增加了74HC14驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還要注意光耦的電壓承受能力和開關(guān)的時(shí)間（決定允許通過信號(hào)的頻率）。 圖2.8 光電隔離電路 3）電機(jī)驅(qū)動(dòng) 在前向通道上有三處PWM如圖2.9所示，它們的周期和占空比是一樣的，2812輸出是控制信號(hào)級(jí)的，經(jīng)過隔離后的PWMs也是信號(hào)級(jí)別的，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)H橋后變成功率級(jí)的可以直接帶動(dòng)電機(jī)。

30、 圖2.9 前向通道 PWM控制方法配合橋式驅(qū)動(dòng)電路，是目前直流電機(jī)調(diào)速最普遍的方法驅(qū)動(dòng)電路示意圖如圖2.10。當(dāng)VT1、VT2導(dǎo)通時(shí)，VT3、 VT4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)VT3、VT4導(dǎo)通時(shí)，VT1、VT2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。 圖2.10 橋原理示意圖 本設(shè)計(jì)的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用性能比較穩(wěn)定可靠的LMD18200芯片設(shè)計(jì)，原理圖如圖2.11所示。幅值由PWM信號(hào)的占空比決定，零脈沖時(shí)代表零電壓。使用時(shí), 腳3 接方向信號(hào)輸入, 腳5 接PWM 信號(hào)。 圖2.11 LMD18200驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理圖 4

31、）測(cè)速碼盤接口電路 碼盤共有五根連接線：電源（5V），地，A相信號(hào)輸出，B相信號(hào)輸出，Z相信號(hào)輸出。由于A,B,Z信號(hào)輸出是集電極開路，所以分別接上拉電阻，然后和電路板相連。A，B分別和QEP1和QEP2相連，Z和外部中斷XINT1相連。 圖2.12 碼盤連接信號(hào) 后面介紹軟件介紹軟件的設(shè)計(jì)。 四、系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計(jì) 第一節(jié)介紹了CCS下工程的結(jié)構(gòu)和組成，大部分的源文件和頭文件，都是TI公司提供，便于用戶開發(fā)系統(tǒng)軟件使用，這部分內(nèi)容在前面做了一個(gè)基本介紹，這部分主要介紹如何在自己的新建的源文件（如前面的TEST.C）中編寫基于DSP281

32、2的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)控程序，對(duì)于系統(tǒng)的初始化和外設(shè)的使用部分可以調(diào)用函數(shù)，其他大部分還得自己編寫。 1、系統(tǒng)程序流程圖 整個(gè)監(jiān)控程序包括：系統(tǒng)初始化，變量初始化，片上外設(shè)配置，液晶屏初始化，固定字符顯示，鍵盤程序，轉(zhuǎn)速計(jì)算程序，PID控制算法，動(dòng)態(tài)刷屏程序等。 計(jì)算機(jī)控制程序的特點(diǎn)是，采用周期到就得干采樣、控制和輸出控制量這三件事。而要在采樣時(shí)間到的時(shí)候準(zhǔn)確的去做這三件事兒就得采用中斷的方式。所以控制系統(tǒng)的監(jiān)控程序的基本結(jié)構(gòu)是主程序加中斷服務(wù)程序的形式。 2、各部分程序編寫

33、 實(shí)驗(yàn)二 一階機(jī)械臂位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 一、 位置控制原理 1、直流電機(jī)的機(jī)械特性 根據(jù)電機(jī)拖動(dòng)中的知識(shí)，直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程如式(3.1)所示： (3.1) 式中：、為額定電樞電壓、額定磁通量；、分別是電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)、機(jī)械時(shí)間常數(shù)； 電樞內(nèi)阻；、是理想空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降。根據(jù)式(2.1)可繪制出直流電機(jī)在不同電樞電壓下的機(jī)械特性曲線，如圖3.1所示。 圖3.1 直流電機(jī)機(jī)械特性曲線 圖中，是電機(jī)在轉(zhuǎn)速為零時(shí)的力矩，即堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；是電樞電壓

34、。 2、方案選擇 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的位置控制，電機(jī)必須時(shí)刻輸出電磁轉(zhuǎn)矩來平衡機(jī)械臂的重力矩。在帶動(dòng)機(jī)械臂的時(shí)候，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為零，因此電機(jī)是處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，所輸出的力矩即堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。 由機(jī)械特性曲線可以看出：①當(dāng)時(shí)，機(jī)械特性曲線上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，如圖3.1中所示；②在不同的電樞電壓下，電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩不同，而且這兩者是成一定線性關(guān)系的，其關(guān)系如式(3.2)所示。 (3.2) 由此可見，利用改變電樞電壓的方法，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的位置控制。 二 、系統(tǒng)建模 對(duì)直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。 圖3

35、.2 直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)原理框圖 1、電勢(shì)平衡關(guān)系 首先，列寫電樞回路的電勢(shì)平衡關(guān)系微分方程： (3.3) 式(3.3)中，是反電動(dòng)勢(shì)，它滿足方程： (3.4) 式(3.4)中，為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 2、轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系 直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩克服空載轉(zhuǎn)矩之后，與軸上輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩相平衡。列寫轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系如下： (3.5) 令， (3.6) 式(5.8)中，是直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩； 是空載情況下的轉(zhuǎn)矩，

36、是電機(jī)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩，JL為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J0為電機(jī)空載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。隨著機(jī)械臂的位置(角度)變化。 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，如式(3.6)所示，為力矩常數(shù)： (3.7) 3、傳遞函數(shù) 將以上算式進(jìn)行拉普拉斯變換，得 (3.8) (3.9) (3.10) (3.11) 根據(jù)上述方程可以畫出結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示 圖3.3 直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 由結(jié)構(gòu)框圖推導(dǎo)傳遞函數(shù)如

37、下： (3.12) 輸入是電機(jī)的電樞電壓；由于是位置系統(tǒng)所以最終的輸出是。 只采用位置反饋，整個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖： 將（3.12）寫成下面標(biāo)準(zhǔn)形式 (3.13) 其中 3.4位置單閉環(huán)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖 三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理框圖 整個(gè)控制原理框圖如圖3.5所示 圖3.5電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 采用DSP2812實(shí)現(xiàn)的原理框圖如3.6所示 圖1.4 基于2812的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系

38、統(tǒng)原理框圖 圖3.6 直流電機(jī)位置計(jì)算控制系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)各部分說明：1）人機(jī)交互：鍵盤（給定值和方向設(shè)定）和液晶參數(shù)和信息顯示顯示 ；2）光電隔離實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)強(qiáng)電（電機(jī)24V）和弱電（5V）分開；3）.將控制信號(hào)變成功率信號(hào)帶動(dòng)電機(jī)工作；4）碼盤輸出電脈沖信號(hào)供計(jì)算機(jī)檢測(cè)位置5）DSP2812計(jì)算反饋位置，完成控制算法，控制輸出，并通過片上PWM模塊完成控制信號(hào)PWM波的輸出。 2、系統(tǒng)主要部分分析 1）控制算法及數(shù)字實(shí)現(xiàn) 為了減小重力矩的擾動(dòng)對(duì)主控制器控制參數(shù)的影響，減少主控制器的負(fù)擔(dān)，采用順饋控制器補(bǔ)償或近似補(bǔ)償重力矩?cái)_動(dòng)。 采用前饋補(bǔ)償機(jī)械臂重力矩?cái)_動(dòng)的影響

39、，控制結(jié)構(gòu)圖如圖3.7所示 圖3.7 采用前饋補(bǔ)償機(jī)械臂位置控制方框圖 UPID（k）輸出為PWM占空比，所以反饋控制器Un(k)輸出為每個(gè)角度為補(bǔ)償重力力矩需要提供的PWM占空比，其為系統(tǒng)開環(huán)時(shí)電機(jī)為堵轉(zhuǎn)機(jī)械臂所需的PWM波占空比。 2）PWM產(chǎn)生 見前一節(jié)PWM波部分。 3）位置檢測(cè) （1）碼盤工作原理 電機(jī)位置檢測(cè)一般可用測(cè)自整角機(jī)電機(jī)或光電編碼盤。本系統(tǒng)中采用1024線的光電碼盤，其工作原理如圖3.8所示，光源通過兩個(gè)光電孔發(fā)出兩束光，通過碼盤的縫隙在光電元器件A、B上產(chǎn)生兩路脈沖信號(hào)。碼盤和電機(jī)同軸，如果碼盤被電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，光電元件A,B會(huì)輸出兩路N個(gè)脈

40、沖)，相位相差1/4周，正傳，A相超前，反轉(zhuǎn),B相超前。轉(zhuǎn)過一圈Z相發(fā)出一個(gè)脈沖。 圖3.8 光電碼盤原理及輸出 （2）正交解碼單元（DSP上） DSP2812上有專門的正對(duì)碼盤的計(jì)數(shù)單元叫正交解碼單元（QEP）；和碼盤的連接，A相輸出接QEP1，B相接QEP2。其內(nèi)部原理圖如圖3.9所示。 圖3.9 正交編碼電路示意圖 QEP譯碼電路將碼盤輸出的信號(hào)4倍頻給計(jì)數(shù)器，同時(shí)將A,B兩項(xiàng)的前后關(guān)系議成DIR信號(hào)給計(jì)數(shù)器，如果A相超前B（電機(jī)正轉(zhuǎn)）則計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值增加，如果B超前（電機(jī)反轉(zhuǎn)）則計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值減小，如果電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一

41、圈碼盤輸出1024個(gè)脈沖，某時(shí)刻碼盤的轉(zhuǎn)過的位置可表示成：θ=(N*360)/4096，N為當(dāng)前時(shí)刻相對(duì)平衡（開始）位置讀取的計(jì)數(shù)器變化的數(shù)值的值。 三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 見調(diào)速實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)計(jì)。 四、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 第一節(jié)介紹了CCS下工程的結(jié)構(gòu)和組成，大部分的源文件和頭文件，都是TI公司提供，便于用戶開發(fā)系統(tǒng)軟件使用，這部分內(nèi)容在前面做了一個(gè)基本介紹，這部分主要介紹如何在自己的新建的源文件（如前面的TEST.C）中編寫基于DSP2812的直流電機(jī)位置系統(tǒng)控制程序，對(duì)于系統(tǒng)的初始化和外設(shè)的使用部分可以調(diào)用函數(shù)，其他大部分還得自己編寫。 1、系統(tǒng)程序流程圖 整個(gè)監(jiān)控程序包括：系統(tǒng)初始化，變量初始化，片上外設(shè)配置，液晶屏初始化，固定字符顯示，鍵盤程序，位置計(jì)算程序，PID控制算法，順饋補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)刷屏程序等。計(jì)算機(jī)控制程序的特點(diǎn)是，采用周期到就得干采樣、控制和輸出控制量這三件事。而要在采樣時(shí)間到的時(shí)候準(zhǔn)確的去做這三件事兒就得采用中斷的方式。所以控制系統(tǒng)的監(jiān)控程序的基本結(jié)構(gòu)是主程序加中斷服務(wù)程序的形式。 2、各部分程序編寫 30