DSP原理及应用

题目：DSP原理及应用学号：K031341725班级：K0313417姓名：张治中2015年12月9日DSP原理及应用摘要数字信号处理器因其强大的外围设备功能、快速中断处理能力以及低廉的价格已成为电机控制技术的核心。DSP芯片高达每秒2亿次的运算，试点基地调速系统具有快速的运算、判断及信息处理掉能力，实现电机的精确控制。就DSP技术在电机控制领域中的应用及发展进行探讨。1.DSP技术的创新应用及其发展前景1.1数字信号处理器(DigitalSignalProcessing)简介DSP即为数字信号处理器(DigitalSignalProcessing)，是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。它的工作原理是将现实世界的模拟信号转换成数字信号，再用数学方法处理此信号，得到相应的结果。自从数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)问世以来，由于它具有高速、灵活、可编程、低功耗和便于接口等特点，已在图形、图像处理，语音、语言处理，通用信号处理，测量分析，通信等领域发挥越来越重要的作用。随着成本的降低，控制界已对此产生浓厚兴趣，已在不少场合得到成功应用。DSP数字信号处理器DSP芯片采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，较传统处理器的冯?诺依曼结构具有更高的指令执行速度。其处理速度比最快的CPU快10-50倍。1.2DSP技术的发展历程DSP发展历程大致分为四个阶段：第一阶段是70年代理论先行，第二阶段是80年代产品普及，第三阶段是90年代突飞猛进，第四阶段是21世纪再创辉煌。在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU（微处理器）来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理论和算法基础。而DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立组件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航大部门。随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围组件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域，前景十分可观。1.3DSP技术在各领域的创新与应用而今，DSP技术的应用领域变得越来越广，如控制、通信、网络、嵌入式等。其应用领域具体如下：语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。军事：保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。生物医学信号处理举例：CT：计算机X射线断层摄影装置。(其中发明头颅CT英国EMI公司的豪斯菲尔德获诺贝尔奖。)CAT：计算机X射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。心电图分析等······2.电机控制技术2.1电机控制技术的发展和趋势最近两年，电机市场正在从使用低能效的直流电机、步进电机、通用或交流感应电机转向更高能效的无刷直流(BLDC)电机和永磁同步电机(PMSM)，这一趋势构成的部分原因是政府法规强制使用符合特定国际能效分类规范(IE1、IE2及IE3)的电机，另外还在于推动高能效BLDC或PMSM电机应用所需的半导体产品价格的快速下降。与此同时，电机一直都在朝着高效能，小型化，低成本，高兼容性，结构简单化的方向发展，这催生了更多先进的电机控制技术出现，从而不断改变着电机控制市场的发展趋势。随着半导体技术的发展和数字控制的普及，变频控制技术得到了广泛的应用，这是因为它实现了对存量最大并成本低廉的交流感应电机的速度控制及力矩控制，变频控制使我们有机会不断地改进控制策略和提升系统效率以达到更节能的效果。控制算法主要取决于电机和传感器的类型。目前电动汽车的电机主要有直流电动机，感应电动机，永磁同步电动机，开关磁阻电动机四类。在控制策略方面，变结构控制，模糊控制，神经网络控制，专家系统等等控制方法应用于电动车驱动系统中。2.2用于电机控制系统的DSP的特点近年来，电机控制技术的理论及实践都获得了很大的进展，如交流异步电机、交流感应电机无速度传感器调速控制，各类私服系统中的电机高精度控制，高压大容量电机调速控制，电力系统的谐波治理及无功补偿器，新能源利用技术中的风力发电、燃料电池发电广泛使用的逆变器等，无一不是采样DSP技术而取得高性能和实现实用化的。DSP控制器在电机数字控制系统中已显现出越来越大的优势。电机专用DSP一般就有以下特点：1.采样开发厂商原来的某个特定的DSP为内核，在此基础上改进电路结构，提高了时钟频率，指令系统与该系列定点DSP兼容。2.增加了微控制器的外围电路功能，具有多路快速的A/D转换电路，定时/计数电路。输入信号捕捉电路。完善的中端控制体系及看门狗抗干扰电路。3.芯片内设计了电机专用的输入/输出接口和特殊的逻辑部件，如位置和速度检测用的正交编码输入接口、可编程电机驱动用调制脉冲序列信号的PWM输出通道、上下桥臀死区时间产生电路等。4.内部集成了闪存程序存储器、静态随机数据存储器、电可擦除数据存储器。3.DSP在电机调速控制中的应用3.1DSP用于交流电机矢量控制3.1.1矢量控制的基本原理当前,在交-直-交变频传动系统中,采用自关断器件(如IGBT)的电压型逆变器-鼠笼型感应电动机系统成为了主流,在中小功率的工业电气传动中应用十分广泛。高性能感应电机传动中大都采用矢量控制技术,由DSP执行数字式控制。近年来,随着各种性能更佳、运算量更大的控制算法的出现,多DSP或DSP和单片机组成的多CPU系统成为了发展趋势。矢量控制(VectorControl)又称为磁场定向控制(FieldOrientedControl),亦即把交流电机空间磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向,将电机定子电流矢量正交分解为与磁场方向一致的激磁电流分量和与磁场方向垂直的转矩电流分量,通过对激磁电流和转矩电流分量的分别控制,使交流电机能够象它励直流电机一样被控制。3.1.2TMS320LF2407在感应电机矢量控制系统中的应用TMS320LF2407A是典型的集成DSP电机控制器,它已广泛运用于三相交流感应电机、永磁同步电机、无刷直流电动机等全数字矢量控制系统中。TMS320LF2407A芯片特别适合于电机控制,主要得力于其功能强大的事件管理器。事件管理器具有分为10等优先级的40个中断。其中的非法地址访问中断(IllegalAddress)能够在程序“跑飞”的情况下复位芯片。PWM封锁中断(PDPINT)能够在电机控制异常的情况下封锁PWM输出,保证了系统故障性处理的实时性。事件管理器还提供了4个功能强大的16位定时器GPTIMERx(x=1,2,3,4),可以多种方式产生16路PWM信号。3.1.3DSP用于无刷直流电机控制直流无刷电机实际属于永磁同步电机，一般转子为永磁材料，随定子磁场同步转动。这种电机结构简单，而且由于移去了物理电刷，使得电磁性能可靠，维护简单，从而被广泛应用于办公自动化、家电等领域。直流无刷电机运行过程要进行两种控制，一种是转速控制，也即控制提供给定子线圈的电流；另一种是换相控制，在转子到达指定位置改变定子导通相，实现定子磁场改变，这种控制实际上实现了物理电刷的机制。因此这种电机需要有位置反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或者利用梯形反电动势特点进行反电动势过零检测等。利用光电编码器的系统在软件实现上更方便。电机速度控制也是根据位置反馈信号，计算出转子速度，再利用PI或PID等控制方法，实时调整PWM占空比等来实现定子电流调节。因此，控制芯片要进行较多的计算过程。当然也有专门的直流无刷电机控制芯片；但一般来说，在大多数应用中，除了电机控制，总还需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，选用带PWM，同时又有较强数学运算功能的芯片也是一种很好的选择。直流无刷电动机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机，它是现代化工业设备，，现代科学技术和军事装备中重要的几点元件之一，直流无刷电机的最大特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构，以往的直流电机均采用电刷以机械方法进行换向，因此带来了噪声，火花，无限电干扰，寿命短等弱点，而直流无刷电机具有交流电机结构简单，运行可靠，维护方便等一系列特点，又具备直流电机的运行效率高，无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，因此直流无刷电机在航空航天，机器人控制，医疗器械，仪器仪表，化工以及家用电器中都得到了广泛的应用，传统的无刷直流电机大多以霍尔元件或其他位置检测元件为位置传感器，以广电码盘为速度检测元件安装的电机内部，它的存在给滞留无刷电机的应用带来很多缺陷与不便，首先，位置传感器会增加点击的体积和成本，其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性，再次，在某些恶劣的工作环境中，如密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器根本就无法使用，此外，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加生产的工艺难度，位置传感器所带来的种种不利影响促使人们对滞留无刷电动机的无位置传感器控制进行研究，无刷直流电动机作为一种新型的无级变速电动机，不仅具有交流电机的体积小，重量轻，惯性小等特点，而且拥有直流电动机优良的调速性能，但又没有机械换向器的缺点，因此得到了广泛的应用，无论在数控机床，机器人等制造加工领域，还是家用电器如洗衣机，电脑硬盘等场合都日益受到重视，以往的无刷直流电机多由单片机附加许多种接口设备构成，不仅复杂，而且速度也受到限制，难于实现从位置环道速度电流环的全数字控制，也不方便扩展，而应用数字信号处理器（DSP）实现的电机伺服系统却可以只用一片DSP就可以替代单片机和各种接口，且由于DSP芯片的快速运算能力，可以实现更复杂更智能化的算法，可以通过高速网络接口进行系统升级和扩展，可以实现位置速度和电流环的全数字化控制，在基于一般的单片机的无刷直流电机控制系统无论是处理速度及精度上都难以和高性能的数字信号处理器相比，DSP的快速运算能力能够使数字控制系统实时地进行运算，而不是用查表的方法得到近似的结果，其内部结构使控制系统能实现更复杂的控制算法，可以将速度环和电流环以数字方式实现，形成以全数字方式实现的无刷直流电机控制系统，随着科技的高速发展，各类用于电机控制的高性能单片机及DSP的功能越来越丰富，运算速度也有了质的飞跃，而且价格越来越低廉，例如美国TI公司出品的TMS320LF2407系列DSP芯片，其内部具有电机控制单元，功能强大，单条指令的运算时间达到了25NS，速度是普通MCU的50倍，并且内部具有数字信号处理单元以及高速的数模转换单元，在上述的硬件基础上，完全可以实现性能优良的实时控制算法，并编写完善的监控软件。Motorola的数字信号处理器DSP568xx系列整合了通用数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰富的特点，使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能力，同时又要有较多控制功能的应用中，对直流无刷电机的控制就是这一系列