基于TMS320F2812的DSP控制器設計及應用

摘 要：基于DSP芯片TMS320F2812的電機控制器設計，描述了其引導加載ROM、AD轉換單元、傳感器接口、cpld等電機控制外設電路的技術(shù)關(guān)鍵。還簡(jiǎn)單介紹了其在調速系統中的應用。
關(guān)鍵詞：電機控制；DSP；外設；傳感器

在電機控制領(lǐng)域， TI公司推出了2000系列電機控制嵌入式DSP。其中的TMS320F2812屬于高端產(chǎn)品，適合于工業(yè)控制、機床控制等高精度應用。目前涉及到2000序列的芯片在電氣傳動(dòng)中的應用的文獻以側重介紹TMS320LF240x為主，介紹應用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控制外設電路，其指令執行時(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，交直轉換通道12位AD達16個(gè)，PWM輸出通道達12個(gè)［1］。片上資源可以足夠同時(shí)控制兩臺三相電機，使控制系統的價(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)現高性能的電機控制。本文將著(zhù)重闡述作者基于TMS320F2812設計的DSP控制器的設計中的重點(diǎn)，并介紹它在工業(yè)控制中的應用。

圖1 電機控制系統結構原理圖

1 引導加載ROM

引導加載是指器件復位時(shí)執行一段引導程序，一般用于從端口（異步串口、I/O口、或HPI主機接口）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(guò)SPI同步傳輸和SCI異步傳輸實(shí)現FLASH ROM引導加載。硬件電路如圖2，JP15為SPI或SCI引導加載器選擇,1-2時(shí)選擇SPI,2-3時(shí)選擇SCI；JP4是SPI數據傳輸路徑的選擇,位于1-2時(shí),連接至外部擴展接口J6或串行ROM,位于2-3連接至J5仿真數據傳輸接口。SPI仿真接口可參考[2]。

2 AD轉換單元
TMS320F2812電機控制器包含多達16路AD轉換通道，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)行轉換，轉換完成后的結果保存在對應的結果寄存器中。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)行多次轉換，這主要用于過(guò)采樣的算法中。與單采樣AD轉換模塊相比是個(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，檢測轉子的轉動(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電機控制器包含多達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DSP的沖擊損壞。我們的做法雙重保護，即信號經(jīng)過(guò)RC濾波后連接至一個(gè)運放比較器，比較器有一個(gè)參考電壓，當信號低于這個(gè)參考電壓，信號經(jīng)過(guò)運算放大后輸出；當信號超過(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 信號過(guò)電流保護電路

經(jīng)過(guò)比較器的信號連接到采樣保持放大器的反相輸入端。調節可變電阻，A/D轉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/數轉換內核正常的輸入范圍。實(shí)現對DSP控制器的保護。
3) 速度傳感器
感應電機轉子速度的最常用的方法是用增量編碼器和測速發(fā)電機。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，電機的碼盤(pán)信號A、B通過(guò)DSP控制器的CAP1、CAP2端口進(jìn)行捕捉。捕捉到的數據存放到寄存器中，通過(guò)比較捕捉到的A、B兩相脈沖值可以確定當前電機轉子的速度和方向，完成這些僅需兩個(gè)數字量輸入和一個(gè)16或32位的內部計時(shí)寄存器。下圖為接兩部電機速度傳感器的電路，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)信號的捕捉電路

3 復合編程邏輯部件CPLD
硬件系統應盡量朝“單片”方向設計，因為系統器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，也不可避免地降低了系統的穩定性。我們選用復合編程邏輯部件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、數字I/O，減少了器件之間的干擾，提高了系統的穩定性。

4 應用舉例
一個(gè)用DSP控制器控制異步電動(dòng)機的矢量控制系統的基本結構如圖5所示

圖5 應用于異步電機矢量控制系統

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

5結束語(yǔ)

目前采用的一些性能優(yōu)越的電機控制技術(shù)，如矢量控制技術(shù)和直接力矩控制技術(shù)屬于計算密集型的控制方法，采樣控制周期短、控制算法復雜、而且檢測和計算精度高。基于TMS320F2812的DSP電機控制器憑其優(yōu)越的數字化控制能力，完全可以勝任復雜精確的計算和控制任務(wù)，可以應用于勵磁脈沖控制系統、電力保護系統，也可以延伸到不間斷電源(UPS)、變頻開(kāi)關(guān)電源、機器人控制（ROBOT）等高精度工業(yè)控制領(lǐng)域。

參考文獻：
[1] TI.TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual SPRS174J[M]. 2001：24
[2] 江思敏.TMS320LF240xDSP引腳開(kāi)發(fā)教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：305
[3] 蘇濤，蔡建隆，何學(xué)瑞.DSP接口電路設計與編程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003：99
[4] 沈本蔭，現代交流傳動(dòng)及其控制系統[M]. 北京：中國鐵道出版社，1997：80