基于VisSim/ECD的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ti c2000系列dsp是用于電機(jī)控制的專用芯片，對(duì)于此類芯片控制算法的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力在代碼的編寫和后期的調(diào)試上，而vissim/ecd的出現(xiàn)大大縮短了控制器的開(kāi)發(fā)周期。vissim/ecd強(qiáng)大的仿真引擎和豐富的模型庫(kù)，為dsp控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。

1 vissim/ecd簡(jiǎn)介

vissim/ecd（vissim/embedded controls developer）是一套集成型軟件，可快速完成ti公司生產(chǎn)的ti c2000系列的dsp控制系統(tǒng)原型機(jī)的開(kāi)發(fā)測(cè)試工作，可為控制算法及指定的片內(nèi)外設(shè)生成標(biāo)準(zhǔn)ansic定點(diǎn)代碼，并進(jìn)行仿真；支持tif243，lf2407，f2808，f2812以及msp430微控制器的評(píng)估板（evms/ezdsps）。

vissim/ecd提供特定的目標(biāo)模塊來(lái)生成片上設(shè)備的代碼。這些模塊包括模擬與數(shù)字輸入、簡(jiǎn)易pwm輸出、事件捕捉、i/o端口的讀寫、正交編碼器輸入、六通道帶死區(qū)的矢量pwm輸出及can2.0總線等。

vissim/ecd可將控制算法自動(dòng)生成高質(zhì)量的定點(diǎn)代碼并編譯鏈接成.out文件，通過(guò)jtag接口下載到目標(biāo)dsp中，目標(biāo)dsp和vissim/ecd之間的實(shí)時(shí)通信是通過(guò)jtag接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)改變控制器增益和顯示dsp控制器圖形響應(yīng)時(shí)，vissim/ecd的用戶圖形界面將被保留。

2 直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

完整的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)的控制變量是塑料板旋轉(zhuǎn)的角度，塑料板是通過(guò)一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的軸固定在一個(gè)箱體上，其角度的變化是依據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變帶動(dòng)氣流來(lái)控制的，dsp控制器在vissim/ecd開(kāi)發(fā)環(huán)境中設(shè)計(jì)完成，輸出脈寬可調(diào)的電壓給晶體管驅(qū)動(dòng)電路，從而控制電機(jī)的電樞電壓達(dá)到預(yù)定的控制效果，編碼器作為角度傳感器將實(shí)際的角度信號(hào)反饋到dsp控制器，預(yù)期角度可在vissim/ecd中實(shí)時(shí)設(shè)定，并通過(guò)vissim/ecd的plot窗口實(shí)時(shí)查看輸出波形。

2.2 dsp控制器的設(shè)計(jì)
2.2.1 直流電機(jī)的控制原理
根據(jù)電機(jī)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，可以得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式：

式中：ua為電樞電壓，ia為電樞電流，ra為電樞電路總電阻，la為電樞電路總電感，ke為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算常數(shù)，φ為每極磁通，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

由（1）式可知，在保持勵(lì)磁磁通不變的情況下，通過(guò)調(diào)整電樞電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，因此使用脈寬調(diào)制（pwm）控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

2.2.2 模擬pi控制算法

在電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)一般采用pi算法，即比例積分調(diào)節(jié)方法。其時(shí)域的表達(dá)式為：

式中：kp為比例增益，ki為積分增益，e（t）為給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的控制偏差。通過(guò)拉普拉斯變換，可以得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)：


因?yàn)閠ms320lf2407是定點(diǎn)dsp，因此必須將該算法離散化，這就需要用到vissim/fixed point模塊。

2.2.3 定點(diǎn)dsp的q格式表示方法及vissim/fixed point模塊

如果一個(gè)16位數(shù)被規(guī)格化為qk格式，則其一般表達(dá)式為：


從表達(dá)式不難看出，不同的q所表示的數(shù)不盡范圍不同，而且精度也不相同，q越大，數(shù)值范圍越小，精度越高，相反，q越小，數(shù)值范圍越大，精度就越低。

在vissim/fixed point模型庫(kù)中的模塊都是通過(guò)這種q格式來(lái)表示不同范圍和精度的小數(shù)的。它設(shè)定了兩個(gè)數(shù)字，前一個(gè)數(shù)表示二進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)的位置，后一個(gè)數(shù)表示字長(zhǎng)（對(duì)于本文所用的dsp，此處為16），q值為后面的數(shù)減去前面的數(shù)。（詳見(jiàn)圖2和圖3所示的模塊）

在仿真過(guò)程中若出現(xiàn)溢出現(xiàn)象，則此類定點(diǎn)模塊能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)小數(shù)點(diǎn)的位置，以確保獲得最大的動(dòng)態(tài)顯示范圍，并以高亮度顯示溢出警示。

2.2.4 基于vissim/ecd的定點(diǎn)pi控制算法設(shè)計(jì)

根據(jù)公式（3）設(shè)計(jì)的定點(diǎn)pi控制算法如圖2所示，圖中比例增益和積分增益均為局部變量。convert是數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊，將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)模塊能夠接收的scaled int數(shù)據(jù)類型。定點(diǎn)積分模塊和限制模塊是層次結(jié)構(gòu)模塊。定點(diǎn)積分模塊為離散化的1/s，其展開(kāi)如圖3所示，限制模塊是用來(lái)限制輸出的上下限的，保證pwm占空比在大于0的q15范圍內(nèi)（tipwm的接口模塊為q15格式）。

2.3 增量式編碼器原理及接口電路設(shè)計(jì)

2.3.1 增量式編碼器與dsp的連接

tms320lf2407a dsp提供了增量式編碼器的接口電路，用定時(shí)器2作為可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算編碼脈沖的個(gè)數(shù)。編碼脈沖通過(guò)2個(gè)引腳qep1/cap1和qep2/cap2輸入到芯片內(nèi)部。因?yàn)檫@兩個(gè)引腳是捕捉單元1、2復(fù)用引腳，所以這里要禁用其捕捉功能?？紤]到選用的tms320lf2407 evm板給編碼器輸出引腳已經(jīng)提供了上拉電阻，故選擇集電極開(kāi)路輸出方式的兩相編碼器即可（因?yàn)闇y(cè)量角度范圍在360°以內(nèi)，所以無(wú)需零位脈沖引腳）。這里選用的是測(cè)量精度為360ppr（每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)）的小型增量式光電編碼器。

當(dāng)引腳qep1輸入的編碼脈沖超前qep2引腳輸入的編碼脈沖90°相位時(shí)，定時(shí)器2增計(jì)數(shù)；反之，定時(shí)器2減計(jì)數(shù)。另外，編碼器接口電路利用輸入編碼脈沖的4個(gè)邊沿加工成4倍頻的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)和計(jì)數(shù)方向信號(hào)，這樣就使編碼器的分辨率提高了4倍，因此該增量式編碼器的角度分辨率為0.25°，完全可以滿足此系統(tǒng)的精度要求。

2.3.2 vissim/ecd的編碼器接口模塊設(shè)置

前面提到的vissim/ecd可提供特定的目標(biāo)模塊來(lái)生成片上設(shè)備的代碼。編碼器接口模塊就是其中之一，模塊的連接如圖4所示，圖中編碼器模塊有3個(gè)輸出接口。其中t2cnt為定時(shí)器2的增減計(jì)數(shù)的輸出，再通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)值和角度轉(zhuǎn)換模塊，則可實(shí)時(shí)地輸出當(dāng)前塑料板旋轉(zhuǎn)的角度，并作為反饋信號(hào)傳給pi控制器。

另外，晶體管的飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)使其擁有了開(kāi)關(guān)特性，比較適合做電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，這里選用tip122達(dá)靈頓管，基極偏置電阻取500歐姆，電機(jī)選取額定電壓為5v，轉(zhuǎn)速為5400r/min的高速直流電機(jī)。
2.4 生成控制器及接口模塊定點(diǎn)c代碼、編譯、鏈接并仿真
在vissim/ecd操作界面中，將定點(diǎn)pi控制算法模塊、編碼器接口模塊以及t1pwm接口模塊打包生成一個(gè)compound block，選擇代碼生成命令創(chuàng)建相應(yīng)的定點(diǎn)c代碼。然后調(diào)用ccs對(duì)其編譯并鏈接，生成可下載到dsp中的.out文件，通過(guò)spectrumdigital的并口仿真器將執(zhí)行代碼下載到dsp的ram中進(jìn)行實(shí)物仿真并調(diào)試，當(dāng)各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求后，則可將代碼燒寫至flash中完全dsp的開(kāi)發(fā)工作，仿真結(jié)果如圖5所示。

該系統(tǒng)pi控制器的比例增益和積分增益分別設(shè)定為0.4和0.8，圖5中，"×"代替實(shí)時(shí)設(shè)定的角度，"o"代表塑料板實(shí)際的角度，其閉環(huán)控制效果很好地達(dá)到了要求；但由于外界的干擾因數(shù)以及塑料板所在軸和箱體之間的摩擦力，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)短時(shí)間的輕微振蕩和精度的缺失。

結(jié)語(yǔ)

由直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可看出，在vissim/ecd環(huán)境中運(yùn)用模塊的搭建及少量參數(shù)的設(shè)定就能開(kāi)發(fā)出功能完整的dsp控制系統(tǒng)原型機(jī)，并完成相關(guān)的測(cè)試工作，這樣可以縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，贏得寶貴的時(shí)間。