基于TMS320F2812的DSP控制器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘 要：基于DSP芯片TMS320F2812的電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，描述了其引導(dǎo)加載ROM、AD轉(zhuǎn)換單元、傳感器接口、cpld等電機(jī)控制外設(shè)電路的技術(shù)關(guān)鍵。還簡(jiǎn)單介紹了其在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：電機(jī)控制；DSP；外設(shè)；傳感器

在電機(jī)控制領(lǐng)域， TI公司推出了2000系列電機(jī)控制嵌入式DSP。其中的TMS320F2812屬于高端產(chǎn)品，適合于工業(yè)控制、機(jī)床控制等高精度應(yīng)用。目前涉及到2000序列的芯片在電氣傳動(dòng)中的應(yīng)用的文獻(xiàn)以側(cè)重介紹TMS320LF240x為主，介紹應(yīng)用TMS320F(C)28x的比較少。TMS320F(C)28x比24x系列的DSP具有更完備的外圍控制接口和更豐富的電機(jī)控制外設(shè)電路，其指令執(zhí)行時(shí)間或完成一次動(dòng)作的時(shí)間僅為6.67納秒，流水線(xiàn)采樣最高速率60ns，交直轉(zhuǎn)換通道12位AD達(dá)16個(gè)，PWM輸出通道達(dá)12個(gè)［1］。片上資源可以足夠同時(shí)控制兩臺(tái)三相電機(jī)，使控制系統(tǒng)的價(jià)格大大降低而體積縮小、可靠性提高，可以在高度集成環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制。本文將著重闡述作者基于TMS320F2812設(shè)計(jì)的DSP控制器的設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，并介紹它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。


圖1 電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1 引導(dǎo)加載ROM

引導(dǎo)加載是指器件復(fù)位時(shí)執(zhí)行一段引導(dǎo)程序，一般用于從端口（異步串口、I/O口、或HPI主機(jī)接口）將EPROM/FLASH等非易失性存儲(chǔ)器中加載程序到高速RAM中允許。
1.1 TMS320F2812的啟動(dòng)模式
TMS320F2812提供了幾種不同的啟動(dòng)模式，四個(gè)通用IO引腳用于決定選擇何種啟動(dòng)模式，如表所示：

1.2 SCI SPI啟動(dòng)加載器
通過(guò)SPI同步傳輸和SCI異步傳輸實(shí)現(xiàn)FLASH ROM引導(dǎo)加載。硬件電路如圖2，JP15為SPI或SCI引導(dǎo)加載器選擇,1-2時(shí)選擇SPI,2-3時(shí)選擇SCI；JP4是SPI數(shù)據(jù)傳輸路徑的選擇,位于1-2時(shí),連接至外部擴(kuò)展接口J6或串行ROM,位于2-3連接至J5仿真數(shù)據(jù)傳輸接口。SPI仿真接口可參考[2]。

2 AD轉(zhuǎn)換單元
TMS320F2812電機(jī)控制器包含多達(dá)16路AD轉(zhuǎn)換通道，被分為兩組，AD0~AD7為一組，AD8~AD15為一組。每組都有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的輸入端。事件管理器可將ADC配置為兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，也可串接成為一個(gè)16通道的模塊。盡管有多個(gè)輸入通道和兩個(gè)序列發(fā)生器，轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)。8通道模塊會(huì)將8路輸入自動(dòng)排序，并按序選擇一路輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的結(jié)果保存在對(duì)應(yīng)的結(jié)果寄存器中。在串接模式下，自動(dòng)序列發(fā)生器將成為16通道的發(fā)生器自動(dòng)序列發(fā)生器允許對(duì)同一個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，這主要用于過(guò)采樣的算法中。與單采樣AD轉(zhuǎn)換模塊相比是個(gè)進(jìn)步［1］。

圖2 SCI SPI啟動(dòng)加載器

3 與傳感器的接口
1）霍爾位置傳感器
三個(gè)I/O引腳上，通過(guò)I/O引腳捕捉霍爾元件上的高速脈沖信號(hào)，檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，
2) 霍爾電流傳感器
DSP需要兩到三個(gè)A/D通道對(duì)傳感器電流進(jìn)行采集獲得三個(gè)相電流?；魻栯娏鱾鞲衅鞑杉氖悄M量信號(hào)，TMS320F2812電機(jī)控制器包含多達(dá)12路輸入通道，被分為兩組，AD0~AD7為一組，AD8~AD15為一組。每組都有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的輸入端。需要注意的是要防止相電流過(guò)高造成對(duì)DSP的沖擊損壞。我們的做法雙重保護(hù)，即信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波后連接至一個(gè)運(yùn)放比較器，比較器有一個(gè)參考電壓，當(dāng)信號(hào)低于這個(gè)參考電壓，信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大后輸出；當(dāng)信號(hào)超過(guò)這個(gè)參考電壓，說(shuō)明逆變器發(fā)生過(guò)流情況，比較器輸出低電平將DSP的PDPINT引腳拉低，此時(shí)所有的PWM輸出立即被置為高阻態(tài)。如圖3所示：

圖3 信號(hào)過(guò)電流保護(hù)電路



經(jīng)過(guò)比較器的信號(hào)連接到采樣保持放大器的反相輸入端。調(diào)節(jié)可變電阻，A/D轉(zhuǎn)換單元的參考電壓輸入端ADCREFP和ADCREFM引腳獲得0~3.3V的可變電壓，從而把檢測(cè)到的信號(hào)偏置到模/數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核正常的輸入范圍。實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP控制器的保護(hù)。
3) 速度傳感器
感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度的最常用的方法是用增量編碼器和測(cè)速發(fā)電機(jī)。在編碼器的場(chǎng)合，TMS32F2812包含一個(gè)正交編碼脈沖（Q.E.P）單元，電機(jī)的碼盤(pán)信號(hào)A、B通過(guò)DSP控制器的CAP1、CAP2端口進(jìn)行捕捉。捕捉到的數(shù)據(jù)存放到寄存器中，通過(guò)比較捕捉到的A、B兩相脈沖值可以確定當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度和方向，完成這些僅需兩個(gè)數(shù)字量輸入和一個(gè)16或32位的內(nèi)部計(jì)時(shí)寄存器。下圖為接兩部電機(jī)速度傳感器的電路，經(jīng)過(guò)了一個(gè)四通道光藕TLP521-4連到DSP的CAP 引腳上，如圖4所示：

圖4 碼盤(pán)信號(hào)的捕捉電路


3 復(fù)合編程邏輯部件CPLD
硬件系統(tǒng)應(yīng)盡量朝“單片”方向設(shè)計(jì)，因?yàn)橄到y(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng)，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。我們選用復(fù)合編程邏輯部件CPLD作為邏輯部件，它不僅完成邏輯譯碼功能，還帶有大容量FLASH存儲(chǔ)器、SRAM、數(shù)字I/O，減少了器件之間的干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 應(yīng)用舉例
一個(gè)用DSP控制器控制異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示

圖5 應(yīng)用于異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

用可編程IO捕捉轉(zhuǎn)子的速度信號(hào)反饋，電機(jī)的相電流反饋采集到ADC通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
接收光電編碼器的信號(hào)，并依此計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采集電機(jī)相電流的瞬時(shí)值，依此實(shí)時(shí)估計(jì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如磁鏈的大小和角度、轉(zhuǎn)矩的大小和方向、電機(jī)的轉(zhuǎn)速和滑差等。按照某種調(diào)控規(guī)律產(chǎn)生PWM信號(hào)，控制逆變器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。
板上資源可以控制兩部電機(jī)，可以減少控制成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前采用的一些性能優(yōu)越的電機(jī)控制技術(shù)，如矢量控制技術(shù)和直接力矩控制技術(shù)屬于計(jì)算密集型的控制方法，采樣控制周期短、控制算法復(fù)雜、而且檢測(cè)和計(jì)算精度高?；赥MS320F2812的DSP電機(jī)控制器憑其優(yōu)越的數(shù)字化控制能力，完全可以勝任復(fù)雜精確的計(jì)算和控制任務(wù)，可以應(yīng)用于勵(lì)磁脈沖控制系統(tǒng)、電力保護(hù)系統(tǒng)，也可以延伸到不間斷電源(UPS)、變頻開(kāi)關(guān)電源、機(jī)器人控制（ROBOT）等高精度工業(yè)控制領(lǐng)域。


參考文獻(xiàn)：
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[2] 江思敏.TMS320LF240xDSP引腳開(kāi)發(fā)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：305
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[4] 沈本蔭，現(xiàn)代交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1997：80