基于DSP的電動(dòng)機速度調控試驗臺的開(kāi)發(fā)

Abstract: For the combination of motor control and the information system, and the improvement of motor control system, it’s necessary to implement the digital control on the motor control. A new motor control system based on DSP chip is developed in this paper. The hardware of the system is consists of two parts: the main controller circuit board and the main circuit board.

Keywords: DSP; Velocity Control; Motor; Control Circuit

1 引言

由于不同的電動(dòng)機系統需要用不同的數字變頻系統來(lái)控制,所以人們都要編寫(xiě)專(zhuān)用的控制器軟件。一個(gè)新的速度調控算法是否可行,必須通過(guò)實(shí)驗來(lái)驗證,通常的做法是:利用MATLAB軟件包進(jìn)行仿真,檢驗算法的理論可行性,在理論可行的基礎上設計并制作一套實(shí)際電路,通過(guò)實(shí)踐來(lái)檢驗。采用這種方法,一個(gè)速度調控算法從提出到最后實(shí)踐檢驗通過(guò),一般需要半年以上的時(shí)間,周期較長(cháng),影響延緩了技術(shù)更新的速度。我們設計這個(gè)數字化電動(dòng)機通用控制試驗臺主要有以下兩個(gè)目的。

第一,數字化電動(dòng)機通用控制試驗臺是給剛接觸電動(dòng)機速度調控控制的人們提供一套可以直接進(jìn)行電動(dòng)機速度調控控制的試驗臺。

第二,數字化速度調控的通用控制試驗臺是給專(zhuān)門(mén)研究速度調控算法的研究人員提供完備的速度調控研究設備。。

2 硬件試驗平臺結構介紹

數字化通用控制試驗臺的硬件平臺由幾個(gè)部分組成:一是負責控制算法的主控芯片及外圍設備,系統中選用了TI公司的TMS320F2812 DSP控制器,它功能強大,運行速度快,是專(zhuān)門(mén)為電動(dòng)機控制應用優(yōu)化的控制芯片,完成各種模擬、數字信號的采樣;一是電動(dòng)機驅動(dòng)電路,完成交-直-交變頻速度調控的功率驅動(dòng);還有就是用于實(shí)驗的電動(dòng)機機組。有了這三部分,數字化速度調控控制研究就有了實(shí)驗臺,可以進(jìn)行實(shí)驗,驗證速度調控算法的實(shí)際運行效果。圖1給出了數字化通用速度調控試驗臺的硬件平臺結構圖。

3 控制芯片TMS320F2812

數字化通用控制試驗臺當然不能沒(méi)有負責控制的CPU。本試驗臺采用的是TI公司的TMS320F2812 DSP,該系列處理器是基于TMS320C2xx內核的定點(diǎn)數字信號處理器。器件上集成了多種先進(jìn)的處設,為電動(dòng)機及其他運動(dòng)控制領(lǐng)域應用的實(shí)現提供了良好的試驗臺。F281x系列DSP有很高的運算精度(32位)和系統的處理能力(達到150MIPS)。16通道高性能12位ADC單元提供了兩個(gè)采樣保持電路,可以實(shí)現雙通道信號同步采樣。TI公司的TMS320F2812控制芯片完全可以滿(mǎn)足高性能的數字化通用控制試驗臺的主控芯片的要求。下面分別簡(jiǎn)單介紹該DSP控制器的各個(gè)模塊。

圖1 數字化通用速度調控試驗臺的硬件平臺結構圖

4 DSP主控板

DSP主控板主要是主要的控制部分,核心是TI公司的TMS320F2812 DSP控制器,提供控制器可以正常運行的一切條件以及和外圍設備的硬件接口,這些外圍設備的接口包括外部存儲器、通訊以及和功率驅動(dòng)的接口,及信號采樣電路等主要是弱電控制部分。

4.1 DSP控制器需要的電源

DSP是整個(gè)控制板的核心部分,如果要讓其能夠正常的運行,就必須給DSP提供一個(gè)合適的電源。該主控板的芯片是TI的TMS320F2812,它要求雙電源來(lái)給CPU、FLASH、ADC和I/O上電。CPU的電源電壓是1.8V(135MHz)或者是1.9V(150MHz)。Flash的編程電壓和I/O電壓均是3.3V。我們先設計輸出為5V/+-15V/18V的開(kāi)關(guān)電源,然后用芯片實(shí)現5V到3.3V及1.8/1.9V的電源轉換,提供給DSP控制器正常的工作電壓。+-15V用作一些采樣電路中運放的電源。

4.2 DSP控制器的時(shí)鐘

DSP控制器要能夠正常地工作,除了要有電源之外,還有提供時(shí)鐘源。TMS320F2812 DSP控制器有一個(gè)在片、基于PLL的時(shí)鐘模塊。這個(gè)模塊提供了所有必要的時(shí)鐘信號,PLL有4個(gè)倍率控制比特來(lái)選擇不同的CPU時(shí)鐘速率。

由于晶振的頻率穩定,是目前使用最多的外部時(shí)鐘源。下面給出了典型0MHZ的外部石英晶振的特性如下,如圖2所示。

圖2 30MHz石英晶振的特征圖

4.3 擴展RAM

由于我們的數字化通用控制試驗臺的程序量和數據處理量都比較大,我們在DSP控制器系統板上擴展了512K16的外部RAM。我們選擇了Zone6來(lái)擴展外部RAM。

4.4 通訊模塊

DSP控制板具有很強的通訊功能。通訊模塊包括了JTAG,CAN,SPI和以太網(wǎng)模塊。以太網(wǎng)模塊模塊的接口主要用來(lái)在計算機和DSP控制器之間傳輸系統數據。

由于我們用到了以太網(wǎng)通訊,這里簡(jiǎn)要的介紹一下我們用到的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS,它的主要性能如下:符合Ethernet II與IEEE802.3標準;全雙工,收發(fā)可同時(shí)達到10Mbps;16KB的SRAM,用于收發(fā)緩沖降低對主處理器的速度要求。8/16位數據總系線(xiàn),8個(gè)中斷申請以及16個(gè)I/O基址選擇;內部可分為:遠程DMA接口(是指DSP與RTL8019AS內部RAM進(jìn)行讀寫(xiě)的接口);本地DMA接口(是指RTL8019AS與網(wǎng)線(xiàn)的接口);MAC邏輯功能:當控制器向網(wǎng)上發(fā)送數據時(shí),先將一幀數據通過(guò)遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區,然后發(fā)出傳送命令;當RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后,再開(kāi)始此幀的發(fā)送。RTL819接收到的數據通過(guò)MAC比較、CRC校驗后,由FIFO存到接收緩沖區;收滿(mǎn)一幀后,以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發(fā)數據作16字節的緩沖,以減少對本地DMA請求的頻率。

RTL8019AS的65腳jp的功能在于選擇配置RTL8019AS與控制其處理器的接口工作模式,設計中通過(guò)將其設為高電平選擇跳線(xiàn)方式,即RTL8019AS的I/O和中斷由跳線(xiàn)決定,不需外擴EEPROM存儲信息來(lái)控制RTL8019AS的I/O和中斷。減少了連線(xiàn),提高了高頻電路的穩定性。以太網(wǎng)的接口電路框圖如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)的接口電路框圖

4.5 AD采樣模塊

DSP控制板包含了電動(dòng)機控制的AD采樣模塊,包括直流母線(xiàn)電壓,電流采樣,三相電壓采樣及兩路備用采樣電路,其余沒(méi)有用到的AD采樣通道均以接口方式接出,以備不時(shí)之需。所有的AD采樣信號都先通過(guò)濾波、電平處理和電壓鉗位等調理電路,使輸入DSP AD模塊的采樣檢測信號電壓大小在DSP控制器的容許電平范圍內(0~3V),以免燒毀DSP控制器。

4.6帶硬件死區PWM控制信號

我們的PWM信號都是由DSP控制器的事件管理器EVA模塊產(chǎn)生的,在系統板上,我們防止逆變器中上下臂直通造成短路,設置了一個(gè)硬件死區電路,保證上下臂不會(huì )同時(shí)導通,留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區時(shí)間。死區時(shí)間的長(cháng)短主要由器件關(guān)斷時(shí)間決定。但死區時(shí)間不能太長(cháng),因為死區時(shí)間會(huì )給輸出PWM波帶來(lái)影響,使其稍稍偏離正弦波。

5 主電路設計

主電路主要包括EMI濾波、整流電路和開(kāi)關(guān)逆變電路。

5.1 EMI濾波電路

為了減少干擾,我們采用了EMI濾波電路,如圖4。

圖4 EMI濾波電路

電路中包括共模扼流圈(亦稱(chēng)共模電感)L、濾波電容C1－C4。L能起到抑制共模干擾的作用,當出現共模干擾時(shí),由于兩個(gè)線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁通方向相同,經(jīng)過(guò)耦合后總電感量迅速增大,因此對共模信號呈現很大的感抗,使之不易通過(guò),故稱(chēng)作共模扼流圈。C1和C2采用薄膜電容器,容量范圍大致是0.01－0.47(μF),主要用來(lái)濾除串模干擾。C3和C4跨接在輸出端,并將電容器的中點(diǎn)接地,與電路中的共模扼流圈L相配合,能有效地抑制共模干擾。

5.2逆變電路

由于這個(gè)數字化通用控制試驗臺既可以用于控制直流電動(dòng)機,交流電動(dòng)機,還可以用于控制開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機,所以,主電路在接法上有所講究。圖5所示即是我們的逆變器部分的電路圖。

圖5 逆變器部分電路圖

當我們用于控制直流電動(dòng)機,交流電動(dòng)機時(shí),JPU、JPV、JPW閉合,而且分別接電動(dòng)機的U,V,W三相;當我們用于控制開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機時(shí),把U,V,W三相分別串聯(lián)在JPU、JPV、JPW上。

6 檢測電路

檢測電路的主要模塊包括:相電壓電流采樣電路,直流臂電壓電流的采樣電路。采用霍爾傳感器檢測方式,相電壓和電流信號經(jīng)過(guò)傳感器都轉換為電流信號,進(jìn)入采樣板后,先通過(guò)一個(gè)下拉電阻轉換為電壓信號,再加一級跟隨電路,后接一個(gè)二階濾波電路,濾波后調幅,平移,之后限位。直流母線(xiàn)電壓及電流的采樣同樣采用電壓霍爾傳感器檢測。此電壓霍爾傳感器及電流霍爾傳感器是應用霍爾原理的閉環(huán)傳感器。具有高精度、良好的線(xiàn)性度、低溫漂、抗外界干擾能力強、共模抑制比強、反應時(shí)間快、頻帶寬的特點(diǎn)。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn):

平臺的主控芯片采用了TMS320F2812 DSP,該DSP有很高的運算精度和系統的處理能力,使得該平臺不僅有強大的數據處理能力,良好的穩定性,還具有對各種電機的通用性。

參考文獻:

[1] 黃濟榮,現代控制理論與交流電機調速-智能控制[J], 機車(chē)電傳動(dòng),2005年, 第2期,P7-13

[2] 蘇奎峰,呂強,耿慶峰等,TMS320F2812原理與開(kāi)發(fā)[M],電子工業(yè)出版社,2005

[3] 王春俠,聶翔. 基于ITAE最優(yōu)的直流電機速度控制器設計[J]. 微計算機信息, 2007, 10-1: 30-31

[4] 韓亮,張奕黃,基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統在電動(dòng)汽車(chē)中的應用[J],電氣應用,2005年第24卷第3期,P31-34