高性能DSP芯片TMS320F2812在电机控制器中的应用05
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高性能DSP芯片TMS320F2812在电机控制器中的应用05
应用总汇；ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ；高性能DSP芯片TMS320F2812在电机控制；要：主要介绍了将ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０；关键词：电机；控制器；ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片；杨特育李亚兰李小飞李超纯；华中师范大学物理科学与技术学院；引言；传统的电机伺服控制一般采用一个或多个单片机作为伺；围控制接口和更丰富的电机控制外设电路，片上资源可；１所示，下
应用总汇ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ高性能DSP芯片TMS320F2812在电机控制器中的应用摘要：主要介绍了将ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２应用于电机控制器的设计原理及实际应用中的软、硬件设计方法。给出了芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的主要性能及体系结构，讨论了电机控制器的引导加载ＲＯＭ、ＡＤ转换单元、传感器接口、ＣＰＬＤ等外设电路的技术关键。说明了ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２在电机直接转矩控制系统中的应用方法。关键词：电机；控制器；ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片；ＤＳＰ杨特育李亚兰李小飞李超纯华中师范大学物理科学与技术学院引言传统的电机伺服控制一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。传统伺服控制器的外围电路比较复杂，运算速度慢，控制效果不理想，而现代电机控制器的基本要求是信号处理快而精确，能实时完成复杂控制算法，具有精确而快速的ＰＷＭ信号输出，能够不断增加功能和智能。为适应此要求，ＴＩ公司推出了ＴＭＳ３２０Ｆ２０００系列电机控制嵌入式ＤＳＰ。其中的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２属于高端产品，适合于工业控制、机床控制等高精度应用。目前涉及到该系列芯片在电气传动中应用的文献主要以介绍ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘ为主，介绍应用ＴＭＳ３２０Ｆ（Ｃ）２８ｘ的比较少。ＴＭＳ３２０Ｆ（Ｃ）２８ｘ比２４ｘ系列ＤＳＰ具有更完备的外围控制接口和更丰富的电机控制外设电路，片上资源可以同时控制两台三相电机，从而使控制系统的价格大大降低而体积缩小、可靠性提高，可以在高度集成环境中实现高性能的电机控制。本文将阐述基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２设计的ＤＳＰ控制器设计中的重点，并介绍它在电机直接转矩控制系统中的实际应用。１所示，下面将就各个组成部分依次进行介绍。◇高性能ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２简介ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２是ＴＩ公司２００３年正式推出的３２位定点ＤＳＰ芯片，是目前工业控制和机器人控制等领域中最高档的ＤＳＰ之一。该芯片性能优越，比起ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ来讲，各项性能指标都有了显着的提高。该芯片资源非常丰富，可大大简化外围电路设计。其主要资源和性能指标如下：（１）它是Ｃ２０００系列中性能最高的电机控制系统结构原理图及各组成部分的简单介绍电机控制系统的结构原理图如图图１电机控制系统结构原理图ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ应用总汇芯片，处理速度达１５０ＭＩＰＳ，实时处理能力强，能应用于很多复杂的控制算法，并且其代码与以前各个型号的ＤＳＰ兼容，故ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ有着广泛的应用空间。（２）高性能低功耗，采用１．８Ｖ内核电压和３．３Ｖ外围接口电压。（３）１２８Ｋ内部ＦＬＡＳＨ，１８Ｋ内部ＳＡＲＡＭ，可外扩１Ｍ统一编址存储器。其寻址空间达４Ｍ。（４）芯片内部有３个３２位定时器。（５）拥有双事件管理器ＥＶＡ和ＥＶＢ，控制更加灵活。增加了数据缓存功能；传输频率可达ＭＨｚ量级。此外，串行通讯模块还包括增强的ｅＣＡＮ总线和新增的ＭｃＢＳＰ，ＧＰＩＯＦ４（ＳＣＩＴＸＤＡ）１０００ＧＰＩＯＦ１２（ＭＤＸＡ）ｘ１００能足够满足多种通讯的需要。（７）１６个信道的１２位Ａ／Ｄ接口可灵活设置采样方式。（８）可使用多达５６个可编程且可复用的Ｉ／Ｏ口。通过ＳＰＩ同步传输和ＳＣＩ异步传输实现ＦＬＡＳＨＲＯＭ引导加载。硬件电路如图２，ＪＰ１５为ＳＰＩ或ＳＣＩ引导加载器选择，１－２时选择ＳＰＩ，２－３时选择ＳＣＩ；ＪＰ４是ＳＰＩ数据传输路径的选择，位于１－２时，连接至外部扩展接口Ｊ６或串行ＲＯＭ，位于２－３连接至Ｊ５仿真数据◇引导加载ＲＯＭ引导加载是指器件复位时执行引Ｉ／Ｏ口或ＨＰＩ主机接口）将ＥＰＲＯＭ／ＦＬＡＳＨ等非易失性存储器加载到高速ＲＡＭ。（１）ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的启动模式ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２在提供了几种不同决定选择何种启动模式，如下表所示：（２）ＳＣＩ、ＳＰＩ启动加载器ＧＰＩＯＦ２（ＳＰＩＣＬＫ）ｘｘ１０Ｆｌａｓｈ地址ＳＰＩ启动模式ＳＣＩ启动模式Ｐａｒａｌｌｅｌ启动模式模式选择导程序，一般用于从端口（异步串口、传输接口。◇ＡＤ转换电路ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２电机控制器包含１６路ＡＤ转换通道，被分为两组，ＡＤ０￣ＡＤ７为一组，ＡＤ８￣ＡＤ１５为一组。每组都有输入端。事件管理器可将ＡＤＣ配置为两个独立的８信道模块，也可串接成为一个１６信道的模块。尽管有多个输入信道和两个序列发生器，转换器只有一个。８信道模块会将８路输入自动排序，并按序选择一路输入进行转换，转换完成后的结果保存在对应的结果寄存器中。在串接模式下，自动序列发生器将作为１６信道的序列发生器允许对同一个信道的信号进行多次转换，这主要用于过采样的算法（６）拥有两个ＳＣＩ口和一个ＳＰＩ口，的启动模式下，四个通用ＩＯ引脚用于ＧＰＩＯＦ３（ＳＰＩＳＴＥＡ）ｘｘ１０应用总汇中。ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ应用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片在数字化控制中具有其它芯片无法比拟的优越性能，它体积小、功能全、可靠性高、成本低、可扩展性强，广泛应用于工业数据采集和数字化控制等领域。现介绍以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ为核心的直接转矩控制系统，本系统结构简单可靠、控制精度高、动态响应方框图如图３所示。（１）霍尔位置传感器三个Ｉ／Ｏ引脚，通过Ｉ／Ｏ引脚捕捉主电路及光电编码转速检测电路、ＩＧＢＴ驱动电路、电压电流传感电路、主回路限流开关电路等外围电路外，其余的电路如ＤＳＰ控制电路、保护电路、传感器信号处理电路、故障信号处理电路等外围电路均做成同样尺寸的电路板，通过接口插在控制箱内的母板上，控制箱从外界引入电源对母板上的各个电路板供电。同时各个电路板上的相关信号可以通过母板从控制箱引出，用于测量或使用。◇与传感器的接口霍尔组件上的高速脉冲信号，检测转子的转动位置。（２）霍尔电流传感器ＤＳＰ需要两到三个ＡＤ信道对传感器电流进行采集获得三个相电流。霍需要注意的是要防止相电流过高造成对ＤＳＰ的冲击损坏。我们的做法是双重保护，即信号经过ＲＣ滤波后连接至一个运放比较器，比较器有一个参考尔电流传感器采集的是模拟量信号，快，是高效的交流调速控制系统。其◇系统控制原理从图３可看出，本系统是一个具有转速反馈的闭环系统。系统参数由◇软件设计本软件设计采用模块化编程的思想，利用电机的状态方程构造了三相异步电机模块，同时构造了３／２变换模块、ＰＷＭ生成模块、串口通信模块、Ａ／Ｄ转换模块、滞环比较器模块、速度检测模块、ＰＩ模块、磁链扇区判断模块、矢量选择模块等，并构建了正弦函数表和平方根表，最终调用这些子模块构成主程序及其它子程序。因本设计的核心部件采用的是ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片，该ＣＰＵ支持Ｃ／Ｃ＋＋编程，所以本软件设计选用的ＣＣＳ２．２１。由于篇幅所限，在此不能就各个子模块的软件实现做较为详细的阐述，仅给出该设计的主程序流程图，如下图４，从中可以看出，主程序从开始执行到最后结束大致分为三个阶能引脚，初始化ＡＤ，初始化ＳＣＩ，初电压，当信号低于这个参考电压时，上位机通过ＳＣＩ接口传递给下位机，ＤＳＰ负责采样各相电压电流，计算电信号经过运算放大后输出；当信号超过这个参考电压时，说明逆变器发生过流情况，比较器输出低电平将ＤＳＰ的ＰＤＰＩＮＴ引脚拉低，此时所有的ＰＷＭ输出立即被置为高阻态。（３）速度传感器感应电机转子速度的最常用方法是用增量编码器和测速发电机。在编码器的场合，ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２包含一个正交编码脉冲（ＱＥＰ）单元，电机的码盘信号Ａ、Ｂ通过ＤＳＰ控制器的ＣＡＰ１、ＣＡＰ２端口进行捕捉。捕捉到的数据存放到寄存器中，通过比较捕捉到的Ａ、Ｂ两相脉冲值可以确定当前电机转子的速度和方向，完成这些仅需两个数字量输入和一个１６或３２位的内部计时寄存器。机的转速。ＤＳＰ通过算法得到空间电压矢量的ＰＷＭ控制信号，经光耦隔离，驱动放大来控制逆变器开关主电路。同时ＤＳＰ还监控调速系统的运行状态，当系统出现短路、过压、欠压、过流、过热等故障时，封锁ＰＷＭ输出信号，将电机停机。◇硬件电路设计所有复杂的控制算法及控制策略都是通过该控制器来实现的，本系统涉及到ＤＳＰ的大部分集成外设，如事件管理器ＥＶ、异步串行通讯接口ＳＣＩ、模数转换器ＡＤＣ、ＰＷＭ发生模块以及ＪＴＡＧ仿真接口等。其硬件电路主要由为控制方便，本系统的硬件电路，除整个系统以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为核心，编程语言为Ｃ语言，编制环境为主电路、控制电路及外围电路组成。段。⑴系统模块初始化阶段：定义功◇复合编程逻辑部件ＣＰＬＤ硬件系统希望尽量朝“单片”方向设计，因为系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，不可避免地会降低系统的稳定性。选用复合编程逻辑部件ＣＰＬＤ，它不仅完成逻辑译码功能，还带有大容量ＦＬＡＳＨ存储器、ＳＲＡＭ、数字Ｉ／Ｏ，减少了器件之间的干扰，提高了系统的稳定性。图３基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的直接转矩控制系统的硬件结构框图应用总汇ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ图５仿真波形ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２延续了ＴＩ公司２０００系列ＤＳＰ在电机控制领域的优势，并进一步扩充了各种片上资源，使之应用领图４主程序流程图域更为广阔。主频也有数倍的提高，弥补了之前使用的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ在计算能力上的不足，使其能够满足更为复杂的实时性要求和更为复杂的控制要求，必将在测控领域有更广阔的应用前景。参考文献［１］韩安太，刘峙飞，黄海．ＤＳＰ控制器原理及其在运动控制系统中的应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３．［２］张雄伟．ＤＳＰ芯片的原理与开发应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９７．［３］［４］许大中．交流电机调速理论［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，１９９１．ＴＩ．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１０，ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＩＧＩＴＡＬＳＩＧＮＡＬＰＲＯＣＥＳ－ＳＯＲＳＳＰＲＳ１７４Ｂ［Ｍ］．２００１．始化定时器等，同时将程序中所要用到的各种子模块一一定义，并将各模块的初始值进行设置。⑵接收初始值阶段：先打开串口中断，待系统接收到由ＲＳ２３２传送的转速给定值、转矩滞环宽度、磁链滞环宽度等初始值时，既启动ＳＣＩ接收中断，进入ＳＣＩ接收中断服务程序后，将获取的值分别赋给对应的变量，然后打开定时器Ｔ１下溢中断和故障中断，循环等待。本阶段可以看成是电机的启动过程，因此转速给定值不宜过大，待程序进入下一阶段后即可进行正常的调速、运行状态。⑶循环等待中断阶段：程序随时通过ＳＣＩ串口通信中断来获取ＲＳ２３２传来的转速给定值、滞环宽度等，调整程序运行，达到调速目的，同时将所需参数通过串口发送给上位机供用户观察分析。定时器Ｔ１的下溢中断服务程序是ＤＴＣ控制程序的核心部分，其作用是在每个周期内选择正确的空间电压矢量并转换为ＰＷＭ开关信号控制逆变器的开关，实现直接转矩控制算法。故障中断是所有中断中优先级最高的，一旦发生故障，中断服务程序就会将ＰＤＰＩＮＴ信号降为低电平，从而封锁ＰＷＭ的输出，进而停机。◇仿真试验结果在试验中我们设定了仿真参数，并利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｍｕｌｉｎｋ的绘图功能将仿真波形显示如图５所示：从图５的仿真结果可以看出，直接转矩控制系统对给定值的动态响应速度快，稳态精度高，同时也验证了算法的正确性和可行性。结束语从以上的应用可以看到，包含各类专业文献、行业资料、文学作品欣赏、外语学习资料、生活休闲娱乐、幼儿教育、小学教育、专业论文、高性能DSP芯片TMS320F2812在电机控制器中的应用05等内容。
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