基于DSP2812的運動控制平臺

在大二的時候我加入到了學院的創(chuàng)新實驗室，加入實驗室后每天都很努力，怕學習不好表現(xiàn)不好會被導師趕出去，每天早上7點簽到，然后就開始學習英語，如果有課就在8點去上課，沒課就開始學習相關專業(yè)課;晚上必須在實驗室待到10點以后才能回寢室，每個假期只能回家一周多，所以從大二開始我就沒有了寒暑假，這些都是導師的要求，也是工作室每個成員必須做到的。大二導師主要抓模數(shù)電和單片機，記得曾經做過OCL模擬功放，數(shù)字功放，電源等一些模擬類設計，并以音質和效率進行評比;用單片機做過一些多功能數(shù)字鐘，紅外解碼等一些作品，數(shù)字鐘以運行一天誰的誤差最小來評比。

到了大三，我們每個人根據(jù)自己的興趣愛好選擇了自己的方向，我們實驗室一直以來都是以FPGA為主打方向的，很多人選擇了FPGA，而我卻選擇了DSP，實驗室?guī)熜肿鯠SP的也幾乎沒有，我就成立孤軍奮戰(zhàn)。接下來湊了1000元買了開發(fā)板，開始接觸DSP，剛開始的入門真的遇到了很多的問題，總是踏不進那個門檻，一個人的鉆研會浪費更多的時間，但每個問題讓人記憶猶新，如今論壇上很多剛接觸DSP的網友遇到的問題也就是當初我遇到過的。

基本熟悉了DSP2812后我做的第一個設計就是2011年中國機器人大賽項目中的機器人游中國小車，整個車體的硬件單路都是我們自己設計，畫PCB并用學院的PCB刻板機花一夜的時間做出來，焊接調試，可能是由于設計的不合理和保護做的不是很好，燒壞過2塊核心板;第二個設計就是我要快樂分享的運動控制平臺的設計，下面就是我的設計：

設計以TMS320F2812為控制器，結合其控制方便、處理速度快等特點，運用PID算法進行速度環(huán)調節(jié)，500線光電編碼器進行速度的反饋，變M/T法進行速度的精確采集，霍爾電流傳感器進行電流的采集和繼電器確保過流的斷電保護，可控恒流源控制負載大小，VB6.0可視化控制界面的編寫，設計了兼有PWM和模擬量控制的直流無刷電動機閉環(huán)在線調試系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的功能、硬件結構和軟件設計方法。系統(tǒng)中的主要控制對象是直流無刷電機，還有磁粉制動器作為電機的模擬負載，下面簡單介紹一下直流無刷電機和磁粉制動器：

直流無刷電機利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，因此使這種電機不僅保留了直流電機的優(yōu)點，而且又具有交流電機的結果簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，使它一出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及，廣泛應用于航空航天，精密儀器，現(xiàn)代家電等領域。磁粉制動器是根據(jù)電磁原理和利用磁粉傳遞轉矩的。磁粉制動器具有激磁電流和傳遞轉矩基本成線性關系，作為電機的模擬負載，在調試閉環(huán)參數(shù)時可以通過調節(jié)恒流源的電流大小去控制負載的大小，從而找出最佳閉環(huán)系數(shù)。

在整個運動控制平臺硬件系統(tǒng)中，系統(tǒng)供電電路主要有DCDC模塊構成，負責給各個電路模塊提供工作電源，其輸出電壓有±15V，+12V，+5V，+3.3V。信號調理電路完成對各種傳感器及采集回來的信號處理，主要包括霍爾電流傳感器的模擬量信號、光電編碼器的轉速信號、給定控制開關量信號等，經調理電路后，使其各種信號的電平和幅值滿足DSP控制器的要求;DSP主控電路以TMS320F2812為核心處理器，完成對各種信號的處理以及系統(tǒng)的閉環(huán)控制，并通過SCI接口實現(xiàn)控制器與上位機的通訊;恒流源為磁粉制動器提供電流，以便輸出與電流成線性關系的扭矩。下面是我畫的大體框圖：其中2812核心板原理圖、PCB、BOM表和Gerber都已經分享到了論壇版塊 http://bbs.21ic.com/icview-583101-1-1.html

電機驅動器是由分立元器件H橋搭起來的，沒有采用半橋驅動芯片如IR2101等芯片，使用三極管搭建的并有一定的硬件死區(qū)作用;我覺得做H橋驅動器最重要的就是上橋臂的浮動導通，這一點一定要做好，在電機驅動中，由于電流較大，上管都采用N型MOSFET。由于每個上管源極的電壓是浮動的，因此上管的柵極驅動電壓也必須浮置在源極的電壓之上才能有效地開啟上管。實現(xiàn)這種的方法有多種，如自舉法、隔離電壓法、脈沖變壓器法、電荷泵法、載法驅動法等多種方法。本次設計采用電荷泵法來實現(xiàn)電壓的浮動，主要電路如下如所示：

電荷泵的基本原理是通過電容對電荷的積累效應而產生高壓，使電流由低電勢流向高電勢。隨著集成電路的不斷發(fā)展，基于低功耗，低成本的考慮，電荷泵在電路設計中的應用越來越廣泛。由于H橋由4個N溝道功率MOSFET組成，如要控制各個MOSFET，各MOSFET的門極電壓必須足夠高于柵極電壓。通常要使MOSFET完全可靠導通，其門極電壓一般在10V以上，即Vgs>10V,對于H橋下橋臂，直接加10V以上的電壓即可使其導通;而對于上橋臂，驅動電路必須能提供高于電源電壓的電壓，這就要求驅動電路中增設升壓電路，提供高于柵極的電壓。考慮到Vgs有上限要求，一般MOSFET導通時Vgs為10V~15V，也就是控制門極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即浮動柵驅動。因此在驅動控制電路中設計電荷泵電路，用于提供高于驅動電源電壓的電壓。

最近看到電動車驅動器上為了擴大電流，在H橋上使用的75NF75上又并聯(lián)了一個，這樣電流會更大，可靠性也更高，值得借鑒。下上橋驅動電路如下圖所示：

H橋上MOSFET的漏源極接的4個二極管起到保護MOSFET的作用，當電機停止運轉的瞬間，電機中儲存的能量會加到H橋上，這樣可以通過二極管引導到電源上去，防止了MOSFET被擊穿的情況。當然，我們也可以采用吸收電路來吸收開關關斷浪涌電壓和續(xù)流二極管反向恢復浪涌電壓，通常有典型的三種吸收電路，分別是RC、RCD、C，三種吸收電路的特點和適用范圍如下表所示：

為了使驅動器使用更加方便，可以在H橋電路之前加入邏輯電路方便控制，具體電路和說明如下：

說明：(1)D1H與D1L為左橋臂的上下控制信號，D2H與D2L為右橋臂的上下控制信號。

(2)Brake為高電平時表示剎車，D1H,D1L,D2H,D2L全為高電平。

(3)Dir表示方向信號，即Dir為高電平正轉，則Dir為低電平反轉，但前提是Brake為低電平。

(4)PWM1和PWM2表示分別控制正轉和反轉，通過占空比來控制電機轉速。

(5)驅動優(yōu)點：在剎車的時候通過PWM1短路電機，這樣在由正、反轉變換時不會出現(xiàn)抖動。

上面邏輯電路的真值表如下所示：

這里再簡單介紹一下它的工作原理：由于DSP輸出的控制信號為3.3V，為了能使DAC0832正常工作，需要將DSP輸出的控制信號放大為5V，這個過程是有圖中三極管Q2通過上拉完成的，電路也存在不足，因為通過此電路就會將DSP輸出的控制信號取反，這會給程序編寫帶來不便。

DAC0832的參考電壓是由LM336-2.5V提供的，這樣DAC0832轉換過程中的參考電壓Vref=2.5V，輸出電壓通過運算放大器LM358之后，就有如下的關系式(期中D表示DSP輸出的控制數(shù)字量)：

Vout = +2.5VDC (1 + R2/R3)(D/256)

電路中調征管采用大功率場效應管IRF540。采用場效應管，更易于實現(xiàn)電壓線性控制電流，既能滿足輸出大電流的要求，也能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。因為當場效應管工作于飽和區(qū)時，漏電流Id近似為電壓Ugs控制的電流。即當Ud為常數(shù)時，滿足：Id=f(Ugs)，只要Ugs不變，Id就不變。

在此電路中，R5為取樣電阻，采用康銅絲繞制(阻值隨溫度的變化較小)，阻值為0.25歐。運放采用OP07作為電壓跟隨器，UI=Up=Un，場效應管Id=Is(柵極電流相對很小，可忽略不計) 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因為Io=UI/R2，電路輸入電壓UI控制電流Io，即Io不隨RL的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流源。

下面分享光耦隔離和光電編碼器反饋信號隔離電路，其中使用74HC14進行信號整形，為了輸出3.3V的QEP信號，所以74HC14需要3.3V供電，但是芯片的輸入信號峰峰值不能超過3.3V。注：記得光電編碼器隔離電路中的C1要去掉，波形才正常。

設計中只采用了過流保護，設計中的過流是指當負載過大引起的過流和控制不當使H橋上下橋臂同時導通導致電源短路產生的過流，這兩種情況都會使保護電路工作，繼電器斷開驅動器母線的鏈接，DSP輸出的兩路PWM波變?yōu)楦咦钁B(tài)，這樣就會避免由于H橋上電流過大而燒壞MOS管的情況發(fā)生。

上面電路中，霍爾電流傳感器CHF-10P通過串入母線中進行電流的采集，A2415S為24V轉±15V的隔離電源，主要作用是為CHF-10P提高工作電壓，采集電流對應的電壓值在3引腳可以測得，并且由輸出電壓值的正負號判斷電流在5和6引腳之間的流入方向，這就會有一個電流與電壓之間的線性關系為10A～±4V。由于DSP中ADC模塊采集電壓范圍為0～3V,所以需要將霍爾電流傳感器輸出的正負電壓轉換為0～3V,這個過程是由電阻R1、R2、R3轉換得到，其中3.3V電壓經過兩個肖特基二極管(正向導通壓降為0.26V)后電壓值大概為3.0V，如果輸入電阻R1的電壓為-3V，先把R3電阻看做不存在，R1和R2串聯(lián)，一端輸入-3V，另一端電壓為3V，則DSP_ADC端電壓為0V，把R3電阻看回來，0V通過R3電阻接地，當然還是0V。所以輸入與輸出的關系為-3V～3V對應0V～3V，為了避免輸入到DSP_ADC的電壓高于3V，加入了D1和D2作為嵌位電路，防止電壓高于3V損壞DSP的ADC輸入口。還有過流保護就是用繼電器切斷電機驅動母線電壓，DSP的PWM口呈高阻態(tài)。

再簡介一下DSP2812的事件管理器單元，每個事件管理器模塊都有一個正交編碼脈沖(QEP)電路。使能QEP電路可以對引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2(EVA)或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4(EVB)輸入的正交編碼脈沖進行編碼和計數(shù)。它與光編碼器相連可以獲得機器旋轉的位置和速讀信息。如果使能QEP電路，那么CAP1/QEP1和CAP4/QEP3的捕捉功能就被禁止。定時器2(在EVB中為定時器4)為EVA的QEP電路提供時基。定時器必須處于單增/減計數(shù)模式并使用QEP電路作為時鐘源。正交編碼脈沖電路是具有90°固定相移和可變頻率的兩個脈沖序列。當光編碼器和電機轉軸產生QEP時，通過監(jiān)測兩個脈沖的先后順序可以確定電機的旋轉方向，通過檢測脈沖個數(shù)和頻率可以確定旋轉角度。QEP電路中的方向監(jiān)測邏輯可以確定哪個序列領先，它為定時器2(或4)產生方向信號。如果CAP1/QEP1(EVB中為CAP4/QEP3)引腳的輸入脈沖是領先序列，定時器進行增計數(shù);如果CAP2/QEP2(EVB中為CAP5/QEP4)引腳的輸入脈沖是領先序列，定時器進行減計數(shù)。兩個正交編碼輸入的兩個邊沿都被計數(shù)，所以QEP邏輯為定時器2(或4)產生的時鐘頻率是每個輸入脈沖序列的4倍。該正交時鐘與定時器2(或4)的時鐘輸入相連。EVA中的每個捕捉單元可以選擇定時器1或2作為自己的時基;然而CAP1和CAP2不能選擇不同的定時器作為它們自己的時基。EVB中的每個捕捉單元可以選擇定時器3或4作為自己的時基;然而CAP4和CAP5不能選擇不同的定時器作為它們自己的時基。當捕捉引腳(CAPx)探測到指定的變化時，捕捉單元捕捉定時器的值并將它存在相應的2級深度FIFO堆棧中。使能捕捉單元后，如果相關引腳產生指定的變化，捕捉單元將選用的定時器的當前值存入相應的FIFO堆棧中。如果已經有一個或多個合法值存儲在FIFO堆棧中(CAPxFIFO位不為0)，相應的中斷標志位將置1。如果標志位沒有屏蔽，會產生一個外圍中斷請求。每當一個新的計數(shù)器值被捕捉到FIFO堆棧中，CAPFIFOx會調整相應的狀態(tài)位來反映FIFO堆棧的最新狀態(tài)。從引腳變化發(fā)生到定時器的計數(shù)期值鎖存需要2個時鐘周期。 介紹了這么多，下面簡單介紹一下軟件部分。

在運動控制平臺上集成了各個測試模塊，如波特率設計，自動波特率檢測，驅動板最佳頻率測試，速度在線調試，PID系數(shù)在線調試，速度采集，電流采集，負載扭矩輸出，速度曲線顯示等，這些調試和控制功能足夠發(fā)揮本次設計的運動控制平臺的強大功能。其中自動波特率檢測可以用DSP2812去實現(xiàn)，自動波特率檢測過程中記得遇到了一個DSP的bug，就是自動檢測的第一次肯定是不成功的，把DSP復位一次再次檢測，就會正確檢測到上位機選用的波特率;除此之外還有一個功能值得提一下，就是根據(jù)我個人的理解在此軟件上設計了檢測電機驅動器的最佳驅動頻率的功能，在下圖中看不到，在菜單欄中可以選擇此功能，選擇此功能之后，上位機軟件會在占空比為50%的情況下去改變PWM波的頻率，并采集顯示速度，通過頻率改變和速度曲線對比計算出驅動器適合的最佳頻率，這個方法不知道是否合理，但是我在運動控制平臺上測試的適合沒有出現(xiàn)過問題。下面是基于運動控制平臺的主控制界面。

運動控制中采用了速度閉環(huán)控制，為了實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，我們要有精確的速度采集，為了達到精確的速度采集，設計中經過4種采集速度算法的比較，最終采用了變M/T法進行了電機速度的采集;為了達到閉環(huán)控制，系統(tǒng)中設計了速度閉環(huán)PID控制算法，這樣可以確保系統(tǒng)在帶負載運轉下正常工作。下面將會介紹系統(tǒng)中算法的設計與實現(xiàn)。變M/T法是指測速過程中，不僅測取的測速脈沖與高頻時鐘脈沖隨電機的轉速不同而變化，而且測量時間T也是變化的。所以變M/T法相比較其它三種測速方法在高速、低速時都具有較高的測量精度，而且響應速度快，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中具有較高的使用價值。

時間過去有一年多了，好多資料沒了，也記不清了，實在寫不動了，有什么疑問可以跟帖提問，謝謝!(原創(chuàng))

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