基于VisSim/ECD的直流電機控制系統設計

ti c2000系列dsp是用于電機控制的專用芯片，對于此類芯片控制算法的設計開發，往往需要花費大量的時間和精力在代碼的編寫和后期的調試上，而vissim/ecd的出現大大縮短了控制器的開發周期。vissim/ecd強大的仿真引擎和豐富的模型庫，為dsp控制系統的設計帶來了極大的便利。

1 vissim/ecd簡介

vissim/ecd（vissim/embedded controls developer）是一套集成型軟件，可快速完成ti公司生產的ti c2000系列的dsp控制系統原型機的開發測試工作，可為控制算法及指定的片內外設生成標準ansic定點代碼，并進行仿真；支持tif243，lf2407，f2808，f2812以及msp430微控制器的評估板（evms/ezdsps）。

vissim/ecd提供特定的目標模塊來生成片上設備的代碼。這些模塊包括模擬與數字輸入、簡易pwm輸出、事件捕捉、i/o端口的讀寫、正交編碼器輸入、六通道帶死區的矢量pwm輸出及can2.0總線等。

vissim/ecd可將控制算法自動生成高質量的定點代碼并編譯鏈接成.out文件，通過jtag接口下載到目標dsp中，目標dsp和vissim/ecd之間的實時通信是通過jtag接口來實現的，當改變控制器增益和顯示dsp控制器圖形響應時，vissim/ecd的用戶圖形界面將被保留。

2 直流電機閉環控制系統的設計

2.1 控制系統結構

完整的控制系統結構如圖1所示，該系統的控制變量是塑料板旋轉的角度，塑料板是通過一個可旋轉的軸固定在一個箱體上，其角度的變化是依據電機轉速的改變帶動氣流來控制的，dsp控制器在vissim/ecd開發環境中設計完成，輸出脈寬可調的電壓給晶體管驅動電路，從而控制電機的電樞電壓達到預定的控制效果，編碼器作為角度傳感器將實際的角度信號反饋到dsp控制器，預期角度可在vissim/ecd中實時設定，并通過vissim/ecd的plot窗口實時查看輸出波形。

2.2 dsp控制器的設計
2.2.1 直流電機的控制原理
根據電機學的相關知識，可以得到電動機轉速的表達式：

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為感應電動勢計算常數，φ為每極磁通，n為電動機轉速。

由（1）式可知，在保持勵磁磁通不變的情況下，通過調整電樞電壓可以實現對電機的調速，因此使用脈寬調制（pwm）控制電動機的電樞電壓，實現調速。

2.2.2 模擬pi控制算法

在電動機的閉環控制系統中，速度調節一般采用pi算法，即比例積分調節方法。其時域的表達式為：

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


因為tms320lf2407是定點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dsp的q格式表示方法及vissim/fixed point模塊

如果一個16位數被規格化為qk格式，則其一般表達式為：


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

在vissim/fixed point模型庫中的模塊都是通過這種q格式來表示不同范圍和精度的小數的。它設定了兩個數字，前一個數表示二進制小數點的位置，后一個數表示字長（對于本文所用的dsp，此處為16），q值為后面的數減去前面的數。（詳見圖2和圖3所示的模塊）

在仿真過程中若出現溢出現象，則此類定點模塊能夠自動調節小數點的位置，以確保獲得最大的動態顯示范圍，并以高亮度顯示溢出警示。

2.2.4 基于vissim/ecd的定點pi控制算法設計

根據公式（3）設計的定點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是數據類型轉換模塊，將浮點數轉換為定點模塊能夠接收的scaled int數據類型。定點積分模塊和限制模塊是層次結構模塊。定點積分模塊為離散化的1/s，其展開如圖3所示，限制模塊是用來限制輸出的上下限的，保證pwm占空比在大于0的q15范圍內（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計

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，用定時器2作為可逆計數器計算編碼脈沖的個數。編碼脈沖通過2個引腳qep1/cap1和qep2/cap2輸入到芯片內部。因為這兩個引腳是捕捉單元1、2復用引腳，所以這里要禁用其捕捉功能。考慮到選用的tms320lf2407 evm板給編碼器輸出引腳已經提供了上拉電阻，故選擇集電極開路輸出方式的兩相編碼器即可（因為測量角度范圍在360°以內，所以無需零位脈沖引腳）。這里選用的是測量精度為360ppr（每轉輸出脈沖數）的小型增量式光電編碼器。

當引腳qep1輸入的編碼脈沖超前qep2引腳輸入的編碼脈沖90°相位時，定時器2增計數；反之，定時器2減計數。另外，編碼器接口電路利用輸入編碼脈沖的4個邊沿加工成4倍頻的計數脈沖信號和計數方向信號，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的精度要求。

2.3.2 vissim/ecd的編碼器接口模塊設置

前面提到的vissim/ecd可提供特定的目標模塊來生成片上設備的代碼。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個輸出接口。其中t2cnt為定時器2的增減計數的輸出，再通過一個計數值和角度轉換模塊，則可實時地輸出當前塑料板旋轉的角度，并作為反饋信號傳給pi控制器。

另外，晶體管的飽和狀態和截止狀態使其擁有了開關特性，比較適合做電機的驅動電路，這里選用tip122達靈頓管，基極偏置電阻取500歐姆，電機選取額定電壓為5v，轉速為5400r/min的高速直流電機。
2.4 生成控制器及接口模塊定點c代碼、編譯、鏈接并仿真
在vissim/ecd操作界面中，將定點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compound block，選擇代碼生成命令創建相應的定點c代碼。然后調用ccs對其編譯并鏈接，生成可下載到dsp中的.out文件，通過spectrumdigital的并口仿真器將執行代碼下載到dsp的ram中進行實物仿真并調試，當各項性能指標符合設計要求后，則可將代碼燒寫至flash中完全dsp的開發工作，仿真結果如圖5所示。

該系統pi控制器的比例增益和積分增益分別設定為0.4和0.8，圖5中，"×"代替實時設定的角度，"o"代表塑料板實際的角度，其閉環控制效果很好地達到了要求；但由于外界的干擾因數以及塑料板所在軸和箱體之間的摩擦力，會導致系統短時間的輕微振蕩和精度的缺失。

結語

由直流電機閉環控制系統的設計可看出，在vissim/ecd環境中運用模塊的搭建及少量參數的設定就能開發出功能完整的dsp控制系統原型機，并完成相關的測試工作，這樣可以縮短系統的開發周期，贏得寶貴的時間。