伺服电机调速系统的控制设计与仿真

武汉理工大学
硕士学位论文
基于DSP的直流伺服电机调速系统的控制设计与仿真
姓名：于龙飞
申请学位级别：硕士
专业：轮机工程
指导教师：鲁凯生
20070501
先来看一下一个编码器的结构图，如图２．１
图２．１编码器实物图
光电编码器的指示光栅上有Ａ组与Ｂ组两组狭缝，彼此错开１，４节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号Ａ、Ｂ彼此相差９０。

相位，用于辫向，如图２－１中的Ａ、Ｂ两组。

工作原理如图２．２所示。

第４章系统的控制设计
本章直流伺服电动机调速系统的设计分两部分：软件设计和硬件设计。

在软件设计中，介绍了ＤＳＰ控制软件ＣＣＳ及程序结构；在硬件设计中，在ＰＷＭ对电机调速的原理上，设计了ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ芯片对直流伺服电机调速系统的实验电路。

最后，进行了对直流伺服电机的实际控制实验，达到了预期的目的。

４．１ＤＳＰ控制软件
ＣＣＳ（ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＳｔｕｄｉｏ）软件是ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ芯片自带的编程软件，是目前ＤＳＰ变成软件中最优秀的软件。

利用这个软件，可以直接使上位机
图４＿１ＣＣＳ启动界面
和ＤＳＰ通讯，在上位机中编程控制ＤＳＰ的输出波形，达到控制直流伺服电机的速度的且的。

ＣＣＳ启动界面见图４．１中所示。

图４．３软件开发流程图
◆Ｃ编译器（ｃｅｏｍｐｉｌｅｒ）：产生汇编语言源代码。

◆汇编器（ａｓｓｅｍｂｌｅｒ）：把汇编语言源文件翻译成机器语言目标文件，机器
语言格式为公用目标格式（ＣｏＦＦ）。

令连接器（Ｉｉｎｋ神：把多个目标文件组合成单个可执行目标模块。

它一边创建可执行模块，一边完成重定位以及决定外部参考。

连接器的输入是可重定位的目标文件和目标库文件。

◆归档器（ａｒｅｈｉｖｅｒ）：允许你把一组文件收集到一个归档文件中。

归档器
也允许你通过删除、替换、提取或添加文件来调整库。

夺助记符至Ⅱ代数汇编语言转换公用程序（ｍｎｉｍｏｒｔｉｃｔｏ＿ａｌｇｅｂｒｉｃａｓｓｅｍｂｌｙｔｒａｎｓｌａｔｏｒｕｔｉｌｉｔｙ）：把含有助记符指令的汇编语言源文件转换成含有代数指令的汇编语言源文件。

夺建库程序（１ｉｂｒａｒｙ：建立满足你自己要求的“运行支持库”。

．ｂｕｉｌｄｕｔｉｌｉｔｙ）
检测电动机的速度变化，经ＱＥＰｌ、ＱＥＰ２引脚输入给ＤＳＰ，获得速度反
馈信号；
Ⅳ．速度ＰＩ调节：通过对给定值和反馈值进行比较，算出偏差，得出控制信号。

另外还进行了上下限的设定。

如初始化子程序、Ａ／Ｄ中断处理子程序、电流ＰＩ调节子程序、速度ｐＩ调节子程序等，见文后附录。

如图４．９为编程窗口，在此窗口里，编写程序代码，可以是Ｃ语言，也可以是汇编语言。

但ＣＣＳ默认的接口是Ｃ语言接口，所以用汇编时要对它进行一些简单设置，把它设置为非自动即可。

图４．９程序运行界面
在完成各个文件之后，进行总编译，然后通过仿真器加载到实验板上，就可以进行在线调试，调试成功之后可以将程序烧到片子里面。

注意，一般平常使用的ＣＣＳ软件没有这个功能，可以到网上或直接去１１公司官方网站下载可烧写的Ｆｌａｓｈ插件即可。

４．５系统的实际控制
下面全面分析系统的整体结构设计并给出实际控制。

任何电机的调速都是以转速为给定量，并使电动机的转速跟随给定值进行控制的。

为了使系统具有良好的调速性能，通常采用闭环系统对电动机控制。

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４．５．２试验电路
根据上述ＤＳＰ控制电机的原理，连接了驱动电路、ＤＳＰ控制电路、电流反馈电路，如图４－１３所示。

图４－１３ＤＳＰ控制直流电机电路
４．５．３试验结果
双极性可逆ＰＷＭ系统的占空比除了决定电动机的转速外，还决定了电动机的转向，因此，在电流ＰＩ调节中，必须根据转向标志ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ来决定输出极限：正转时，ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ的值输出的范围是０～２５０（用ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ值和２５０比较就能得出不同状态，下同）；反转时，ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ的值输出的范围是２５０～５００。

当占空比值越大，电机电枢两端平均电压就越大，正方向转速就越大，当值越大，反方向转速越大。

根据以上所给出的控制原理及控制电路图进行编程，通过ＤＳＰ来控制占空比生成不同的ＰＷＭ波。

通过ＤＳＰ中的事件管理器ＥＶＡ中比较控制寄存器的比较寄存器ＣＭＰＲＩ和ＣＭＰＲ２的值就可以达到改变占空比的目的，从而改变ＰＷＭ波形的平均电压，实现调压调速的设想。

由ＤＳＰ控制生成的四路ＰＷＭ波ＰＷＭＩ－ＰＷＭ４分别送至图４．７中的ＶＩ、Ｖ２、Ｖ３和Ｖ４，再经过驱动系统电路控制直流伺服电动机。

当占空比为５０％时，即让比较寄存器ＣＭＰＲＩ和ＣＭＰＲ２的值都２５０，则得到如图４－１４所示的四路ＰＷＭ波形ＰＷＭｌ￣ＰＷＭ４。

图４．１４ＤＳＰ输出的四路占空比Ｏ．５的ＰＷＭ波形
当我们再次修改比较寄存器ＣＭＰＲｌ和ＣＭＰＲ．２的值，如ＣＭＰＲｌ的值为２００，ＣＭＰＲ２的值为３００，即占空比为４０％时，得到如图４－１５示的四路ＰＷＭ信号Ｐ、＾，Ｍ１～Ｐ、Ⅳ１垤４。

图４．１５ＤＳＰ输出的四路占空比０．４的ＰＷＭ波形比较图４－１４和图４－１５可以看到，不同占空比输出的ＰＷＭ波形是明显不同
用鼠标单击某模块组的图标，即选中该模块。

用户可以在右边展开的窗口中选择用户需要的模块。

图５－１Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真界面
５．２．３Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的仿真过程
１．创建结构图文件
在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ界面上打开Ｆｉｌｅ菜单，选择Ｎｅｗ，这时打开一个名为ＵｎｔＲｉｅｄ的结构图程序文件窗１２１，在建好结构图之后保存文件到需要的目录下，输入用户需要的名字即可。

２．结构图程序设计
按照系统结构图所需要的模块单元，构成系统的结构图。

具体操作为：
／激活Ｓｉｍｕｌｉｎｋ（如５．２．２所述）；
／激活相应模块组，选中所需要的单元图标，通过鼠标右键加入该模块或直接拖入该模块到新打开的用户文件窗１２１的空白处释放；
／在用户文件窗口上，用连线按用户要求连接个功能模块；
／双击相应功能模块或通过鼠标右键，激活结构图上相应的单元，完成对各单元的参数设置。

３．Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真的启动与停止
用鼠标选择主菜单的Ｓｉｍｕｌａｎｔｉｏｎ选项出现下拉子菜单，选中Ｓｔａｒｔ仿真即开。