第三章 电机控制系统的硬件设计
3.1系统整体结构
本章阐述了直流电动机系统控制器的硬件电路的设计。首先对硬件总体设计做了论述，然后对PID算法做了详细的说明，其中的重点是对驱动电路，控制电路，PWM产生电路等做详细的阐述。
针对直流电机的调速要求，设计了基于DSPTMSLF2407数字信号处理器为控制器的电机调速控制系统，在这个核心的基础上包括DSP外围电路，主要有速度给定电路，电源转换电路，速度反馈电路，电流反馈电路，直流电动机驱动电路，PWM产生电路，按键电路等。
首先由DSP外围电路速度给定电路来给整体提供速度，然后通过DSPTMSLF2407产送给电机，其中DSPTMSLF2407产生两路PWM信号，通过光耦合芯片TLP521-2作用于H型桥式驱动芯片上，对H型桥式电路进行控制，通过改变这两路PWM信号通断，然后由按键电路等来决定电动机的正反转的问题，通过PWM信号的占空比来决定速度的快慢，在调节速度的快慢的过程中，PWM信号由电流反馈电路和速度反馈电路在这个过程中起到调节的作用。
本文采用的是速度调节和电流调节的双闭环PID控制。当点击处于同步运行状态时，控制器根据测出的电机位置信息计算出当前转速，速度给定信号与当前转速在DSP中进行PID计算(速度环)得到电流的参考值，电机绕组电流反馈信号由电流采样电路从A/D口送入DSP,转换得到当前电流值，将当前电流值与电流参考值进行PI计算 (电流环)，最终通过电流环的PID调节算法实现对电机驱动波形的脉宽调制，从而控制电机达到预定的转速。系统的核心是DSP主控电路模块，该模块主要负责产生电机驱动波形、与计算机通信、处理由电流检测电路和转子位置检测电路送来的反馈信号并控制电机的运动状态。显示控制电路模块主要是通过与DSP通信，起到控制电机正、反转的作用，此外还可以通过控制电路上的键盘设置一些控制参数、电机转向等一些 DSP 送来的信息；DSP 送出的驱动信号则是通过驱动电路输入到逆变电路，以达到驱动电机的目的；速度检测电路模块
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是将光电编码器产生的信号送入 DSP 来确定直流电机的转速；电流检测电路是对电流进行采样，为电流环的控制提供当前时刻的电流值，从而实现双闭环控制。
3.2双闭环调速系统的设计
在机电系统的控制中，最简单、最通用的控制器是比例—积分—微分控制器，简称PID控制器。其中符号P代表比例，I代表积分，D代表微分。PID控制结构简单，参数易于整定，在长期应用中己积累了丰富的经验，是控制系统中技术成熟，应用最为广泛的一种控制器。
具有转速和电流反馈的双闭环调速系统属于多环控制系统，每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。设计多环系统的一般方法是，由内环向外环，一环一环地设计。对双闭环调速系统，先从内环 (电流环)开始，根据电流控制要求，确定将电流环校正为哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环之后，就把电流环等效为一个小惯性环节，作为速度环的一个组成部分，然后用同样的方法完成速度环的设计[13]。
本系统所采用的串级双闭环控制系统，其控制原理框图如图3.1所示。整个系统由两个控制器组成。其中电流数字PI控制器称为副控制器构成电机控制系统的内环。而速度数字PID控制器称为主控制器，构成速度环(即外环)，主控制器输出的控制量作为副控制器的给定量。采用串级控制的结构可以有效提高系统的抗干扰能力，并能够通过调整副回路的参数提高系统的稳定性。在实际控制中，要对系统进行归一化运算。
13 速度反馈 电流
图3.1 直流电动机调速双闭环控制图
按照多环系统的设计方法，先对内环(即电流环)进行设计。如图3.1所示，下框内是电流环的结构方框图。在本系统中电流环采用增量式PI控制。在设计中，先确定内环的控制参数，人为给定电流值，启动电流采样得到当前电流值，将两者的差值作为PI调节的输入量，进行PI调节[14]。
在设计完电流环之后，接下来对速度环进行设计。在计算机控制系统中，PID控制规律是用计算机程序来实现的，因此灵活性很大，可以根据实际情况对数字PID算法进行改进。在数字PID控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，导致算得的控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的震荡。积分分离PID算法就可以有效的避免上述情况，既保持了积分作用，又减少了超调量，使系统性能有较大的改善。其具体实现为：根据实际情况，人为设定一闭值;当偏差值大于这一闭值时，采用PD控制，可避免过大的超调量，又使系统有较快的响应；当偏差值小于这一闭值时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。因此，在速度环的设计中，我们对增量式PID算法作以改进，引入积分分离的方法。将两者结合作为实现速度环( 外环)的控制[16]。
确定PID参数，可以用理论方法，也可以用实验方法。理论方法需要有被控对象的准确模型，但准确模型一般很难得到，并且系统的参数也会随时间而变化。因此，在工程上PID参数常常是通过实验来确定。为了减少实验次数，可参照经验公式导出基准PID 参数，在此基础上再凑试。
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3.3系统的电路图
本章设计了电机控制器的硬件电路，并对各个部分进行详细的分析说明，硬件的主要电路有按键电路，电源转换电路，光耦隔离，H型电机驱动电路，电流反馈电路，速度反馈电路、按键电路等。
DSP2407
2路PWM信号 驱动电路 直流电动机 速度 给定 PWM 电源 转换 ADC 电流检测 按键 电路 QEP 速度检测
图3.2 硬件的总体设计图
DSP控制板上主要有电源模块、晶振模块、按键模块。晶振模块用于为系统提供时钟源；按键模块来规定电机的转向、电源转换模块、串口模块、电流检测模块、速度检测模块、驱动模块、按键模块等。下面对各功能模块作详细的说明。
（1）按键电路
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图3.3 按键电路
按键电路主要是控制电机的正转或反转。
（2）电源转换电路
图3.4 电源转换电路
电机电源和驱动电源都采用交流（220V）分压出各种型号的电压接头，其中用于控制的电源有+5V、+15V及+44V，这些主要用于各种传感器及控制部分的电源供电；而+44V的接头则用于驱动电机的供电。由于DSP2407内核和I/O端口则为3.3V供电，这就要设计特定的电路产生 3.3V电压。本论文采用电压转换芯片 BMlll7将5V 直流电压转换成3．3V的直流电压。电路图3.4如所示。
（3）速度给定电路
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