TMS320F2812在電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

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1 引言
    在電機(jī)控制領(lǐng)域，TI公司推出2000系列電機(jī)控制DSP。TMS320F2812屬于最新高端產(chǎn)品，適合工業(yè)控制、機(jī)床控制等高精度應(yīng)用。目前2000系列芯片在電氣傳動(dòng)中的應(yīng)用以TMS320LF240x為主，應(yīng)用TMS320F(C)28x的比較少。但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，更高的主頻，指令執(zhí)行時(shí)間僅為6.67ns，流水線(xiàn)采樣最高速率60ns，12位A/D轉(zhuǎn)換通道16個(gè),PWM輸出通道12個(gè)。資源足夠同時(shí)控制兩臺(tái)三相電機(jī)，使控制系統(tǒng)價(jià)格大大降低而體積縮小、可靠性提高，可在高度集成的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高性能電機(jī)控制。電機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，本文闡述基于TMS320F2812的DSP電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。
 
圖1 電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 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。
2.1 TMS320 812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I/O引腳用于確定選擇何種啟動(dòng)模式，如表1所示。

3 A/D轉(zhuǎn)換模塊
    TMS320F2812電機(jī)控制芯片內(nèi)部集成了16路12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，模擬量信號(hào)采樣輸入范圍是0～ 3.3V，16路A/D通道分為兩組，AD0～AD7為一組，AD8～AD15為一組。每組都有一個(gè)專(zhuān)門(mén)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，也可串接成一個(gè)16通道模塊。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通道模塊將8路輸入信號(hào)自動(dòng)排序，并按序選擇一路輸入信號(hào)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。串接模式下，成為16通道的A/D模塊允許對(duì)同一個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，主要用于過(guò)采樣的算法中。與單采樣A/D轉(zhuǎn)換模塊相比是個(gè)進(jìn)步。

4 與傳感器的接口
4.1 霍爾位置傳感器
    TMS320F2812通過(guò)芯片內(nèi)部自帶的ADC轉(zhuǎn)換模塊中的三個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道捕捉霍爾位置傳感器上的三個(gè)相位置信號(hào)。此信號(hào)為模擬量，接到A/D轉(zhuǎn)換通道ADCINA3、ADCINA4、ADCINA5等引腳上，可以檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。
4.2 霍爾電流傳感器
    DSP同時(shí)需要三個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道對(duì)霍爾傳感器電流進(jìn)行采集以獲得三個(gè)相電流信號(hào)�；魻栯娏鱾鞲衅鞑杉氖悄M量信號(hào)，采用內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊，特別注意的是要防止相電流過(guò)高造成對(duì)DSP的沖擊損壞。這里采用雙重保護(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，信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大后輸出；當(dāng)信號(hào)超過(guò)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)，從而起到對(duì)DSP的保護(hù)作用。電路見(jiàn)圖3。
 
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，以實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP的保護(hù)。
4.3 速度傳感器
    測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速常用的方法是用增量編碼器和測(cè)速發(fā)電機(jī)。用編碼器時(shí)，TMS320F2812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位或32位的內(nèi)部計(jì)時(shí)寄存器。圖4為接兩部電機(jī)速度傳感器的電路。電機(jī)速度碼盤(pán)信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)四通道光耦合器件TLP521-4連到DSP的CAP引腳上進(jìn)行捕捉。
 
圖4 碼盤(pán)信號(hào)捕捉電路

5 實(shí)際應(yīng)用
5.1 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)
    用TMS320F2812新型電機(jī)控制芯片設(shè)計(jì)的異步電動(dòng)機(jī)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I/O口捕捉轉(zhuǎn)子的速度反饋信號(hào)，電機(jī)的相電流反饋信號(hào)采集到ADC通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。接收光電編碼器的信號(hào)，計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采集電機(jī)相電流的瞬時(shí)值，依此估計(jì)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，如轉(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，對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板采用長(zhǎng)沙明偉電子公司的DSP2812開(kāi)發(fā)板。板載資源如下：
    DSP為T(mén)MS320F2812，32位定點(diǎn)高速數(shù)字信號(hào)處理器，最高工作頻率150MHz，片內(nèi)內(nèi)置128K×16位FIAsH、18K×16位sRAM，片外擴(kuò)展256K×16位sRAM、4M FIAsH，板上有RTL8019As以太網(wǎng)接口芯片，有RS232、RS485、CAN2.0轉(zhuǎn)換電路，方便用戶(hù)通訊。板上提供5路外擴(kuò)可屏蔽中斷源輸入接口、2路外擴(kuò)非屏蔽中斷源輸入接口、8路輸入輸出接口。

5.2 軟件設(shè)計(jì)中部分程序代碼
(1)初始化程序
CLRC CNF ;B0
SETC OVM
SPM 0
SETC SXM ;擴(kuò)展符號(hào)
LAR AR0,#DEC_MS
LAR AR1,#(24-1) ;24個(gè)
LACC #ANGLES_ ;指向源
LARP AR0
INIT_TBL
TBLR * +,AR1 ;一個(gè)
ADD #1 ;下一個(gè)地址
BANZ INIT_TBL,AR0 ;AR1=0結(jié)束
LAR AR4,#79H ;用于堆棧保存現(xiàn)場(chǎng),B2(60H-80H)
LDP #0E0H ;裝載數(shù)據(jù)頁(yè)指針
SPLK #68H,WDCR ;不用看門(mén)狗
SPLK #0284H,SCSR1 ;CLKIN 10M，CLKOUT 20MHz
LDP #0E1H
SPLK #0900H,ADCTRL1 ;ADC預(yù)分10，1MHz
SPLK #0001H,MAXCONV ;兩個(gè)通道
SPLK #0010H,CHSELSEQ1 ;選擇ADCIN0和ADCIN1
LACC MCRA
OR #0FD8H ;設(shè)置PWM,QEP
SACI MCRA
(2)電流采樣和A/D轉(zhuǎn)換子程序
LDP #0E1H ;裝載數(shù)據(jù)頁(yè)指針
SPLK #2000H,ADCTRL2 ;啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換CONVERSION
BIT ADCTRL2,3 ;將忙狀態(tài)位復(fù)制到TC
BCND CONVERSION,TC ;等待
LACC RESULT0,10 ;左移后加載累加器
LDP #0
SACH IA ;高位左移并存儲(chǔ)
LDP #0E1H
LACC RESULT1,10
LDP #0
SACH IB;高位左移并存儲(chǔ)

6 結(jié)束語(yǔ)
    基于TMS320F2812的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)已研制成功，實(shí)踐證明它具有優(yōu)異的性能和良好的控制能力。目前應(yīng)用的一些性能優(yōu)越的電機(jī)控制技術(shù)，如矢量控制和直接力矩控制都屬于計(jì)算密集型控制方法，采樣周期短、算法復(fù)雜而且檢測(cè)和計(jì)算精度高。它憑借優(yōu)異的控制能力，可以勝任復(fù)雜精確的計(jì)算和控制，可以用于勵(lì)磁脈沖控制系統(tǒng)、電力保護(hù)系統(tǒng)，也可延伸到不間斷電源(UPS)、變頻開(kāi)關(guān)電源、機(jī)器人等高精度控制領(lǐng)域。