《伺服系统 第2版 教学课件 ppt 作者 钱平 第9章 基于DSP芯片为核心构成的伺服系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《伺服系统 第2版 教学课件 ppt 作者 钱平 第9章 基于DSP芯片为核心构成的伺服系统（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于DSP芯片为核心 的伺服系统,伺 服 系 统,第 9 章,编写人：葛翔 上海应用技术学院,内容提要,第一节 控制系统硬件结构 第二节 伺服控制通用平台的软件编 程及环境调试 第三节 TMS320LF2407-A应用实例,第 9 章,第一节 控制系统硬件结构,第一节 控制系统硬件结构,伺服控制技术经历了交磁电动机扩大机系统、磁放大器控制、晶体管控制、集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今已进入了一个全新的时期。 其主要标志为智能功率集成电路和数字信号处理器的出现，使得伺服系统模块化和全数字化容易实现，长期以来建立在现代控制理论或其它一些复杂控制算法上的控制原理得以快速在线计算及进行对系统的
2、优化处理。,第一节 控制系统硬件结构,DSP器件之所以具有强大的数字信号处理功能，主要得益于它内部具有功能强大的硬件计算电路和特殊的总线结构。 尤其是由于交流电动机数学模型的复杂性，导致矢量控制方法的计算量增加，因此矢量控制的交流调速系统等就要采用具有较强运算能力的单片机，数字信号处理器（DSP）是该系统的最佳选择。 DSP(digital signal processing) 从数学角度看就是一个高速的运算系统，其应用范围极广，如经典或现代的数字算法实现、快速的实时控制系统、图象处理、语言处理、智能仪器仪表以及通信领域。,第一节 控制系统硬件结构,TMS320C24X系列是美国TI（德州仪器
3、）公司于1997年推出的低价格高性能的16位定点DSPs，是专为数字式电动机微机控制和其它自动化控制领域应用系统而设计的DSPs。 目前有C240、C241、LC2402、LC2404、LC2406、LF2402、LF2406、LF2407、 LF2407A等片种。 TMS320LF2407A是这一系列的顶级芯片，面向新一代电动机控制，具有DSP C2XX CPU 内核，将DSP的高速运算能力和面向电动机的高效控制能力集于一体，使得实现伺服系统的全数字化控制成为可能。基于DSP的全数字伺服系统，充分利用其丰富的周边接口，使系统的结构大为简化；具有良好动、静态性能，且在外界参数大范围变化的情况下
4、表现出很强的鲁棒性。,第一节 控制系统硬件结构,一、TMS320LF2407的结构与特点 TMS320LF2407 DSP有以下一些特点： 1. 哈佛结构：通用型微处理器采用的是冯诺依曼结构，即程序指令和数据用一个存储空间和单一的地址与数据总线。为了进一步提高运算速度，以满足实时数字信号处理的要求而采用哈佛结构。所谓哈佛结构就是将程序与数据的存储空间分开，各有自己的地址与数据总线。这就使得处理指令和数据可以并行操作，从而大大提高了处理效率。,第一节 控制系统硬件结构,2. 流水线技术：TMS320采用流水线技术，流水作业即指令可以在单个机器周期完成，极大地提高处理速度。哈佛结构为流水线技术的适
5、用奠定了基础。 3. 循环寻址和位倒序技术：为了满足快速傅里叶变换(FFT) 、卷积等数字信号处理的特殊要求，在指令系统中设置了循环寻址和位倒序指令。 4. 高速数据传输能力：在TMS320中设置了单独的DMA总线及控制器，在基本不影响DSP处理速度的情况下，进行并行的数据传送。这为多个DSP之间协同工作，串联和并联提供了方便。 5. 快速的乘积累加运算：在数字信号处理算法中，大量的运算是乘法和累加运算。为此专门设计了硬件乘法器，乘和累加可以在单个指令周期内完成。,第一节 控制系统硬件结构,6. 采用高性能静态CMOS技术，+5V电源输入，内部3.3V电源管理，减小了控制器的功耗； 7. LF
6、2407A 运行速度为30MIPS使得指令周期缩短到33ns，从而提高了控制器的实时控制能力。 8. 片内高达32K字的FLASH程序存储器，内部高达2.5K字的数据/程序RAM空间，544字双口RAM(DARAM) 和2K字的单口RAM(SARAM) 。 9. 16 路10BIT 片上A/D 接口，处理速度500ns。,第一节 控制系统硬件结构,10. 片上两个事件管理器EVA和EVB，提供了下列对伺服控制非常有用的一系列功能。每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制(PWM) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；PWM的对称和非对称波形；当外部引脚出现低电平时快速关闭PWM通道
7、；可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路。事件管理器模块适用于控制交流感应电动机、永磁同步电动机(无刷直流电动机) 、开关磁阻电动机、步进电动机、多级电动机和逆变器。 11. 4路的DAC7625转换；,第一节 控制系统硬件结构,12. UART串行接口，符合RS232标准； 13. 可扩展的外部存储器总共192K字：64K字程序存储器；64K字数据存储器；64K字I/O寻址空间。 14. 看门狗定时器模块(WDT) 。 15. 控制器局域网络(CAN)2.0B模块。 16. 基于锁相环的时钟发生器。 17. 高达40个可单独编程或复用输入/
8、输出引脚(GPIO) 。,第一节 控制系统硬件结构,18. 5个外部中断(电动机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 19. 电源管理包括3种低功耗模式、并且能独立将外设器件转入低功耗模式。 20. CPU：具有16位定点DSP内核，指令集源码向下兼容TMS320LF24X系列、向上兼容TMS320C5X系列，具有良好的可移植性。运算能力30MIPS指令周期33ns，具有独立的数据总线和地址总线，支持并行的程序和操作数寻址，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波等复杂控制算法得以实现。 21. SPI和SCI：同步串行外设接口（SPI）可用于同步数据通讯，典型应用包括外部I/O扩展，如显示驱
9、动等；SCI口即通用异步收发器（UART），用于与PC机等通讯。,第一节 控制系统硬件结构,二、TMS320LF2407 DSP CPU 控制器的功能结构图 以下是TMS320LF2407的PGE封装图及功能结构图,第 9 章,第二节 伺服控制通用平台的软件 编程及环境调试,第二节 伺服控制通用平台的软件编程及环境调试,一、 程序编写 用DSP的汇编语言编写程序时，使用Windows操作系统中“记事本” 即可，也可以在UltraEdit-32文本编辑器里面完成程序的书写，该编译器的文本编译功能很强。对于编写一些模块化的程序块，在进行调试之前，一般需要书写3种格式的文件。汇编语言文件，头文件和命
10、令文件。在编写这3类文件时，通常要用到一些汇编伪指令。汇编语言文件名的后缀为ASM，书写该文件所用指令为LF2407支持的汇编语言指令。在该程序中实现DSP要完成的功能，通常在该文件的最开始写上include“F2407REGS.H” ，表明该程序包含了F2407REGS.H头文件里面定义的一些寄存器。,第二节 伺服控制通用平台的软件编程及环境调试,头文件中定义DSP系统用到的一些寄存器映射地址，用户用到的常量和用户自定义的寄存器都在该文件中定义，该文件名的后缀为 .H 。 命令文件名的后缀为 .CMD ，该文件实现对程序存储器空间和数据存储器空间的分配。该文件常用到的伪指令有MEMORY伪指
11、令和SECTIONS伪指令。 当然用户也可用C语言编程实现所需的功能。,第二节 伺服控制通用平台的软件编程及环境调试,MEMORY伪指令用来标示实际存在目标系统中且可被使用的存储器范围，每个存储器范围具有名字、起始地址和长度。 MEMORY伪指令的一般语法为: MEMORY PAGE0：名字1(attr) ：origin=常数 ，length=常数； PAGEn：名字n(attr) ：origin=常数 ，length=常数； 在MEMORY命令中，PAGE定义一个存储器空间(0n255) 。通常，PAGE0指向程序存储器；PAGE1指向数据存储器，PAGE0 PAGEn是完全独立的两个空间，
12、编程员可以定义每个存储器的名字、指定起始地址及长度。,第二节 伺服控制通用平台的软件编程及环境调试,SECTIONS伪指令用来告诉连接程序怎样组合输入段以及在存储器的何处存放输出段。在MEMORY指定了一种存储模式后，就应使用SECTIONS去定位，将指定的存储器配置给输出段。 ECTIONS的一般格式如下： SECTIONS 名字：特性，特性，特性， 名字：特性，特性，特性， 名字：特性，特性，特性， ,第二节 伺服控制通用平台的软件编程及环境调试,每一个以名字开始的段的规格说明定义了一个输出段。在段名之后是特性列表，定义段的内容以及它们是怎样被分配的。特性可以用逗号来分开，段可能具有的特性
13、是：load 装载位置，指出将某段装载在存储器内何处；run 运行位置，定义存储器中的段在何处运行；input 输入段，指出构成输出段的输入段；段类型，定义特定段类型的标志；填充数值，定义用于填充未初始化空位的数值。 有了这3种基本文件之后，就可以在调试环境里将汇编源程序编译，连接最后生成可执行文件进行仿真调试。,第二节 伺服控制通用平台的软件编程及环境调试,二、 调试环境 写好汇编语言程序之后，调试程序需要调试环境。CCS集成开发环境(IDE) 允许编辑、编译和调试DSP目标程序。 1. 编辑源程序 CCS允许编辑C源程序和汇编语言源程序，还可以在C语句后面显示汇编指令的方式来查看C 源程序
14、。 2. 创建应用程序 应用程序通过工程文件来创建。工程文件中包括C源程序、汇编源程序、目标文件、库文件、连接命令文件和包含文件。编译、汇编和连接文件时，可以分别指定它们的选项。在CCS中，可以选择完全编译或增量编译，可以编译单个文件，也可以扫描出工程文件的全部包含文件从属树，也可以利用传统的makefiles文件编译。,第二节 伺服控制通用平台的软件编程及环境调试,3. 调试应用程序 CCS提供下列调试功能：设置可选择步数的断点；在断点处自动更新窗口；查看变量；观察和编辑存储器和寄存器；观察调用堆栈；对流向目标系统或从目标系统流出的数据采用探针工具观察，并收集存储器映象；绘制选定对象的信号曲
15、线；估算执行统计数据；观察反汇编指令和C指令。CCS提供GEL语言，它允许开发者向CCS菜单中添加功能。,第二节 伺服控制通用平台的软件编程及环境调试,三、 开发一个简单的应用程序 开发一个简单的应用程序并对该应用程序进行调试的尚简单步骤如下。 1. 创建一个工程文件 2. 向工程添加文件 3. 编译连接和调试程序 在编译连接成功之后，需要将生成的*.out文件装载到实验板上之后才能对程序进行调试仿真。,第二节 伺服控制通用平台的软件编程及环境调试,在调试过程中，菜单栏Debug中给出了一些调试选项，可以选择单步执行并进入子程序Step Into来观察程序执行每一步时相应寄存器单元的变化，或者
16、选择单步执行但不进入子程序Step Over来观察执行子程序的结果，或者采用全速运行run来运行程序，等等。,第 9 章,第三节 TMS320LF2407-A应用实例,第三节 TMS320LF2407-A应用实例,一、 基于TMS320X2407-A的全数字直流电动机伺服控制系统 这里介绍的基于TMS320X2407-A的全数字直流电动机伺服控制系统，如图9-3所示：,图9-3 基于DSP的全数字直流位置伺服系统框图,第三节 TMS320LF2407-A应用实例,图中虚框内的部分代表了TMS320X2407-A用于全数字化直流电动机伺服系统的系统组成。现对其中重要部分的具体实现分述如下。 1. 电流反馈 采用变比为1：1000霍耳元件检测主回路电流信号，由于TMS320X2407-A的A/D输入信号范围为05V，因此必须将霍耳元件输出的小电流信号首先变换为电压信号，再经放大滤波后进入A/D通道。具体实现如图9-4所示。,第三节 TMS320LF2407-A应用实例,图9-4 电流反馈电路,第三节 TMS
