摘 要：基于DSP" rel="http://www.eeworld.com.cn/my/keyad/ti.html" target="_blank">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,。還簡單介紹了其在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　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)專門的輸入端,。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)生器允許對同一個(gè)通道的信號進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換,，這主要用于過采樣的算法中,。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I/O引腳捕捉霍爾元件上的高速脈沖信號,，檢測轉(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，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)專門的輸入端,。需要注意的是要防止相電流過高造成對DSP的沖擊損壞。我們的做法雙重保護(hù),，即信號經(jīng)過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)信號低于這個(gè)參考電壓,，信號經(jīng)過運(yùn)算放大后輸出,；當(dāng)信號超過這個(gè)參考電壓，說明逆變器發(fā)生過流情況,，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 信號過電流保護(hù)電路

　　經(jīng)過比較器的信號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,，從而把檢測到的信號偏置到模/數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核正常的輸入范圍。實(shí)現(xiàn)對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速發(fā)電機(jī),。在編碼器的場合，TMS32F2812包含一個(gè)正交編碼脈沖（Q.E.P）單元,，電機(jī)的碼盤信號A,、B通過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 碼盤信號的捕捉電路

　　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,，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,，控制逆變器的開關(guān)動(dòng)作,，從而對電機(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

　　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,、而且檢測和計(jì)算精度高,。基于TMS320F2812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)：

　　[1] TI.TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual SPRS174J[M]. 2001：24

　　[2] 江思敏.TMS320LF240xDSP引腳開發(fā)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，2003：305

　　[3] 蘇濤，蔡建隆,，何學(xué)瑞.DSP接口電路設(shè)計(jì)與編程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,，2003：99

　　[4] 沈本蔭，現(xiàn)代交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社,，1997：80